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ACERCAMIENTO A LOS TRANSFORMADORES DE MEDIDA AN APPROACH TO INSTRUMENT TRANSFORMERS DT002 - Acercamiento a los TMP´s (ARTECHE)

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I ND E X

INDICE

0. INTRODUCCION.

0. INTRODUCTION.

1. POR QUE TRANSFORMADORES DE MEDIDA.

1. WHY USE INSTRUMENT TRANSFORMERS?

2. QUE SON LOS TRANSFORMADORES DE MEDIDA.

2. WHAT ARE INSTRUMENT TRANSFORMERS?

3. COMO SON LOS TRANSFORMADORES DE MEDIDA. 3.1. Circuitos eléctricos. Primario. Secundario. 3.2. Circuito magnético. El núcleo. 3.3. El problema del aislamiento.

3. COMPONENT PARTS OF INSTRUMENT TRANSFORMERS 3.1. Primary & Secondary Electrical Circuits. 3.2. Magnetic Circuit: the Core. 3.3. The Problem of Insulation.

4. FABRICACIÓN Y CLASIFICACION DE LOS TRANSFORMADORES DE MEDIDA. 4.1. Fabricación. 4.1.1. Transformadores de Intensidad. (T.I.) 4.1.2. Transformadores de Tensión Inductivos. (T.T.) 4.1.3. Transformadores de Tensión Capacitivos. (T.T.C.) 4.1.4. Transformadores Combinados de Medida. (T.C.M.) 4.1.5. Transformadores Electrónicos de Medida. (T.E.M.) 4.2. Clasificación según su emplazamiento. 4.2.1. Transformadores para servicio intemperie. 4.2.2. Transform a d o res para subestaciones blindadas. 4.2.3. Transformadores para servicio interior. 4.3. Clasificación según su nivel de tensión. 4.3.1. Transformadores para Baja Tensión. 4.3.2. Transformadores para Media Tensión. 4.3.3. Transformadores para Alta Tensión.

4. MANUFACTURING AND CLASSIFICATION OF INSTRUMENT TRANSFORMERS. 4.1. Manufacturing. 4.1.1. Current Transformers (C.Ts.). 4.1.2. Inductive Voltage Transformers (V.Ts.). 4.1.3. Capacitor Voltage Transformers (C.V.Ts.). 4.1.4. Combined Instrument Transformers. (C.I.Ts.). 4.1.5. Electronic Instrument Transformers (E.I.T.). 4.2. Ranking according to site conditions. 4.2.1. Outdoor Instrument Transformers. 4.2.2. Gas Insulated Switchgear (G.I.S.) Instrument Transformers. 4.2.3. Indoor Instrument Transformers. 4.3. Ranking according to level insulation. 4.3.1. Low Voltage Instrument Transformers. 4.3.2. Medium Voltage Instrument Transformers. 4.3.3. High Voltage Instrument Transformers.

5. EXIGENCIAS QUE LA INDUSTRIA IMPONE A LOS TRANSFORMADORES DE MEDIDA. 5.1. Exigencias eléctricas. 5.1.1. Respecto a la precisión. 5.1.2. Respecto a otras solicitaciones eléctricas. 5.2. Otros tipos de exigencias. 5.2.1. Mecánicas. 5.2.2. Térmicas. 5.2.3. Químicas y otras.

5. INDUSTRY REQUIREMENTS FOR INSTRUMENT TRANSFORMERS. 5.1. Electrical Requirements. 5.1.1. Accuracy. 5.1.2. Other Electrical Stresses. 5.2. Other Requirements. 5.2.1. Mechanical. 5.2.2. Thermal. 5.2.3. Chemical and Other.

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INTRODUCCION.

INTRODUCTION.

Este documento está redactado como una aportación más a la formación sobre Transform a d o res de medida. Dedicada al personal, que habiendo cursado estudios en las escuelas profesionales, se incorpora a un trabajo en el que precisan conocimientos más amplios sobre estos equipos.

This book is intended to contribute to the training of personnel, especially those who have finished their studies in technical schools and start in a job in which some knowledge about instrument transformers is needed.

Se ha empleado un método expositivo moderno que sintetiza y enlaza conocimientos con realidades, obligándonos a un positivo esfuerzo de comprensión que consigue “acercarnos” a los Transformadores de medida.

The author has used a modern method which summarizes knowledge and links it with actual situations, so that the reader’s efforts give him/her a closer understanding of instrument transformers: hence the title of the book.

Esta máquinas nacieron en el siglo pasado en Alemania, como algo sencillo que cubría necesidades elementales pero la complejidad a la que han llegado las actuales, confirma la evolución que ha sufrido el “Control y la Medida eléctrica” debido al avance de las matemáticas, la electro-electrónica o la cibernética.

When they were invented in Germany in the 19th century, these machines were simple units covering elementary requirements. A comparison with today’s far more complex units shows how far mathematics, electro-electronics and cybernetics have advanced.

Pero no se puede mejorar un producto si a esta inquietud científica no se le aportan otras iniciativas, otras ideas y otros esfuerzos. Es la suma de la colaboración de todos los que trabajan en este medio, lo que permitirá alcanzar un sistema que integre y simplifique la utilización y versatilidad de estas máquinas.

But a product cannot be improved merely through scientific curiosity; other ideas and efforts are also needed. In our company it is the co-operation of all employees, resulting the best product and the best service, as the market and indeed our own prestige demand. Only thus can we achieve our corporate aims.

Desearíamos que la lectura de esta obra, además de ayudarnos a conocer mejor el entorno profesional en que nos movemos, sirviera también para acrecentar nuestro afán por saber y nuestro deseo de mejora.

We hope that this book will provide readers with a better notion of our day to day work, and will raise their determination to improve and increase their knowledge.

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1. POR QUE TRANSFORMADORES DE MEDIDA.

1. WHY USE INSTRUMENT TRANSFORMERS?

La energía eléctrica que se consume con fines domésticos, industriales, de alumbrado público, etc... se genera en grandes centrales hidráulicas, térmicas o nucleares que suelen encontrarse a distancias considerables de los puntos de consumo. La conexión entre las centrales generadoras y los consumidores se produce a través de una red muy compleja y muy mallada de transporte y distribución. Esta red no es exclusiva de una compañía eléctrica, ni siquiera de un solo país; en Europa todas las centrales están interconexionadas entre sí y con todos los puntos de consumo. Así es que en un momento dado bien podría decirse que energía generada en el sur de España se consume en un electrodoméstico sueco, p.e. Para poder controlar los intercambios energéticos que se producen es necesario medir continuamente en una gran cantidad de puntos el estado eléctrico en que se encuentra cada uno de esos puntos de la red. En la práctica, la medida vectorial (módulo, dirección y sentido), instantánea y simultánea de la tensión y la intensidad nos define el estado eléctrico de un punto en un sistema.

The electricity consumed in private homes, by industries, for street-lighting, etc. is generated in large hydro-electric, thermal or nuclear power stations which are usually at a considerable distance from the point of consumption. These stations are linked to consumers via a transmission and distribution grid with a highly complex network. This network is not exclusive to a single electric company, or even to a single country; all the power stations and there f o re all the consumption points in Europe are interconnected. At a given time, a domestic appliance in Sweden could well consume electricity generated in southern Spain, for instance. To control this energy exchange, cont i nual measurements must be taken at many points to check the electrical status of each point in the network. In practice, instantaneous vectorial measurements (magnitude and direction) of simultaneous voltage and curre n t reveal the electrical status of points in the system.

De hecho, se mide a la salida de cada una de las centrales generadoras y en cada uno de los puntos de consumo, además de a la entrada y a la salida de cada una de las líneas que confluyen en cada subestación transformadora y de distribución. Estas medidas tienen un objetivo económico, saber exactamente cuánto genera cada compañía y cuánto consume cada cliente (siendo a veces unas compañías clientes de otras, según qué centrales generadoras estén en marcha y cuáles paradas) a efectos de facturación. Pero también coexiste un objetivo técnico, pues hay que estar atento a no sobrecargar las líneas, a 2

In fact, m e a s u rements are taken not only at the output of each generating station, and at each point of consumption, but also at the input and output of each of the lines coming together at each transformation and distribu t i o n substation. These measurements are taken partly for economic reasons: to know exactly how much each company is generating and each customer is consuming for invoicing purposes (depending on which generating station are running or not, one company may be a customer of another). But there are also technical reasons: care must be taken not to overload the grid, and the grid must be monitored for malfunctions and to optimize ge n e r a t i o n

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Transformadores de Intensidad Current Transformer

las averías que se producen en la red y a conseguir optimizar la generación y la distribución, haciéndolas posible en la forma más económica y segura. La intensidad se mide intercalando el aparato de medida en el mismo punto de la línea donde se quiere medir. Así la intensidad que pasa por la línea atraviesa toda ella el aparato de medida amperimétrico. La tensión o diferencia de potencial entre dos puntos implica comparación y se mide entre el punto que nos interesa y otro. Como punto de referencia común para la medida de la tensión se adopta preferentemente la tierra.

Transformadores de Tensión Voltage Transformer

and distribu t i o n , making them as economical and safe as possible. Current is measured by inserting the measuring device into the line at the point where measurements are to be taken, so that the full current passing through the line goes through the ammeter. A comparative measurement of the voltage or potential difference between the point of interest and some other point (preferably the earth connection) is taken. In the early days of the electrical development, electrical

Evolución de los aparatos de una sala de control / Apparatus evolution in a control room

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En los primeros tiempos del desarrollo eléctrico las redes y sistemas existentes eran pocos y pequeños. Las medidas a tomar también eran pocas y los aparatos de medida empleados se construían especialmente para aquella aplicación. Pronto fueron aumentando de tamaño y complejidad las redes eléctricas y la fabricación de aparatos de medida especiales para cada uno de los diferentes puntos en que se quería medir se fue haciendo más y más difícil. Es claro que hacer un amperímetro que pueda medir una corriente de 100 A es complicado y lo mismo si se trata de fabricar una bobina voltimétrica cuyos extremos deban estar aislados entre sí a 10.000 V. Hoy en día es frecuente tener que medir intensidades de 4.000 A y tensiones de 765 kV. Al continuar el crecimiento y la complejidad de las redes eléctricas, la medición se iba haciendo necesaria cada vez en más puntos, y para poder controlarlas era deseable conseguir una centralización de las medidas en cuadros de control que permitiesen una supervisión conjunta de todo el sistema. Esto obligaba a montar muchos aparatos de medida semejantes en un mismo panel y resultaba evidente que cuanto más pequeños y más parecidos fueran todos, más económicos saldrían estos montajes y más fáciles de vigilar los sistemas representados en los cuadros de control.

grids and systems were small and few in number so the measurements to be taken were also few, and measuring devices were built specially for each application. The grids soon began to increase in size and complexity, making it m o re and more difficult to manufacture special measuring equipment for each point to be measured. It is clearly a complicated matter to build an ammeter through which a 100 A current is to pass, and the same goes for a voltage measuring winding whose ends must be insulated from each other at up to 10000 V. N owa d ays currents of 4000 A and voltages of 765 kV frequently have to be measure d . As electrical networks continued to grow bigger and more complex, measurements were needed at more and more points. A centralized system of control boards became desirable to supervise the whole system. This involved installing many similar measuring devices on the same panel, and it was obvious that the smaller and the more alike they all were , the more economical they would be to install and the easier it would be to monitor the systems t h ey re p re s e n t e d .

Los transformadores de medida (T.M.) permiten reducir los valores de intensidad y de tensión, del punto de la red en que están conectados, a valores proporcionales a aquéllos pero más pequeños. En estas condiciones es posible fabricar todos los aparatos de medida para

Diagrama esquemático de un Transformador Transformer Schematic diagram

Campo magnético creado por una espira circular Magnetic field created by a circular turn

Back to was already said, instrument transformers (I.T.s) bring the current (via C.T.s or current transformers) and v o l t a ge (via V.T.s or voltage transformers) down to a lower but proportional level. These levels are low enough to allow all measuring devices to be built with materials and sizes according to modern technology. These devices are small enough to be fitted into control panels, and the current and voltage levels reaching them are low enough to avoid danger to personnel while handling, maintaining or installing them. Furt h e r m o re , an agreement on the final v o l t a ge and current levels will make measuring devices interchangeable and mass-produced. This makes them cheaper and, since they are all equal, easier to install. Agreement is, in fact, almost unanimous on this point:

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valores apropiados a las posibilidades tecnológicas actuales, en lo que se refiere a materiales y tamaño de los mismos. Al ser su tamaño más reducido, es más fácil su colocación en paneles de control. Siendo los valores de intensidad y tensión que a ellos llegan suficientemente reducidos, su manipulación, entretenimiento y colocación no resultan peligrosos para el personal. Además, si convenimos en que siempre reduciremos los valores de intensidad y tensión a los mismos valores finales, resulta que los aparatos de medida serán intercambiables y se podrán fabricar en grandes series, lo que reducirá sus costos enormemente y facilitará su instalación al ser siempre iguales. Efectivamente se ha llegado a bastante unanimidad en este punto y la casi totalidad de los T.T. (Transformadores de Tensión) reducen los valores de la tensión a que están conectados a 110 V ó 100 V y los T.I. (Transformadores de Intensidad) reducen la intensidad a 5 A ó 1 A.

almost all V.T.s reduce the voltages to which they are connected to 110 or 100 V, and C.T.s reduce current to 5 or 1 A. 2. WHAT ARE INSTRUMENT TRANSFORMERS? These are special transformers used for measuring. Therefor, they are electrical machines which use the electromagnetic properties of alternating currents and ferro-magnetic materials to produce voltage and current at different levels from those received as input. Alternating electric currents create alternating magnetic fluxes which, in turn, can induce other alternating currents in conductors under their influence.

2. QUE SON LOS TRANSFORMADORES DE MEDIDA. Son transformadores de características especialmente diseñadas para medir. Como transformadores, son máquinas eléctricas que aprovechan las propiedades electromagnéticas de las corrientes alternas y de los materiales ferromagnéticos para conseguir su finalidad, que es obtener de la energía eléctrica que sale de ellos un repar to diferente en tensión e intensidad que de la que entra a ellos. Las corrientes eléctricas alternas crean flujos magnéticos alternos que son capaces, a su vez, de inducir otras corrientes eléctricas alternas en materiales conductores que se hallen bajo su influencia. Las corrientes eléctricas alternas que pasan a través de conductores arrollados crean campos magnéticos muy concentrados en el interior de los arrollamientos. Los materiales ferromagnéticos tienen la propiedad de conducir muy bien los flujos magnéticos. En el transformador aprovechamos esta cualidad para conducir el flujo magnético que genera el arrollamiento primario en el interior del núcleo ferromagnético. Al atravesar el flujo magnético al arrollamiento secundario se induce en él una corriente eléctrica alterna semejante a la primaria que ha generado el flujo magnético, pero que puede tener características diferentes de aquélla si los arrollamientos no son iguales. Podríamos definir un transformador como una máquina eléctrica que, aprovechando los fenómenos electromagnéticos, varía las características eléctricas que se dan a su entrada hasta obtener las deseadas en su salida con pérdida mínima de energía.

Corriente inducida en una espira Induced current on a turn

The alternating electric currents flowing through wound conductors create highly concentrated magnetic fields inside the windings. Ferromagnetic materials conduct magnetic flux very well. This property is used in transformers to conduct the magnetic flux generated inside the primary winding, through the core of ferromagnetic material, to the secondary winding. When the magnetic flux passes through the secondary winding it induces in it an alternating electric current similar to the one that generates the magnetic flux, but somewhat different from it if the windings are not identical. A transformer may be defined as an electric machine that uses electromagnetic phenomena to alter the electricity that enters it and obtain the desired characteristics at the output with a minimum energy loss. Transformers comprise:

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Campo magnético creado por un arrollamiento cilíndrico Magnetic field created by a cilindrical winding

Campo magnético creado por un conductor longitudinal Magnetic field created by a longitudinal lead

Para ello consta de: - Un primario, que es un arrollamiento conductor conectado a la red de alimentación. - Un núcleo de material ferromagnético que hace de eslabón entre el primario y el secundario transfiriendo la energía de uno a otro, y - Un secundario, que es un arrollamiento conductor conectado a los instrumentos de medida y/o protección.

- a primary, which is a conductor winding connected to the power supply; - a core of ferromagnetic material which links the primary to the secondary, transferring energy from one to the other; and - a secondary, which is a conductor winding connected to the measuring and/or protection devices.

La diferencia constructiva entre primario y secundario es la que hace variar las características con que se manifiesta la energía en uno y otro. La diferencia más destacada es la que hace referencia al número de espiras. En un transformador se cumple aproximadamente que I2 V1 N1 = = I1 V2 N2 I1: Intensidad primaria V1: Diferencia de potencial primaria N1: Número de espiras primarias I2: Intensidad secundaria V2: Diferencia de potencial secundaria N2: Número de espiras secundarias A este cociente se le llama relación de transformación del transformador. Los transform a d o res de medida se distinguen entre los diversos tipos de transform a d o res que hay (de potencia, s e p a r a d o res de circuitos, variadores de frecuencia, para soldadura, etc...), fundamentalmente porque tratan de conseguir que esa relación sea lo más precisa posible.

It is the geometrical difference between primary and secondary which makes the characteristics of the energy in them different. The biggest difference is in the number of turns; transformers are set up so that approximately:

I2 V1 N1 = = I1 V2 N2 I1: Primary current V1: Primary potential difference N1: Nr. of turns in primary I2: Secondary current V2: Secondary potential difference N2: Nr. of turns in secondary This quotient is referred to as the transformation ratio of the transformer. The feature that distinguishes instrument transformers from other types (power transformers, circuit separators, frequency variators, welding transformers, etc.) is the attempt to make the ratio as accurate as possible.

Assuming that the electrical status of a point in a system is

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Supuesto que el estado eléctrico de un punto en un sistema viene determinado por los valores de la tensión e intensidad que en él se midan, los T.M. (Transformadores de Medida) se especializan en conseguir que su relación de transformación fije muy exactamente la proporción entre sus intensidades primaria y secundaria, con lo que tendremos los T.I. (Transformadores de Intensidad); o que lo sea la proporción entre sus tensiones primaria y secundaria, y entonces estaremos ante los T.T. (Transformadores de Tensión).

determined by the voltage and current levels measured there, I.T.s (Instrument Transformers) specialize in achieving highly accurate transformation ratios. In C.T.s the ratio is defined between primary and secondary currents, and in V.T.s it is between primary and secondary voltages.

Diagrama de flujos en un transformador. Flux diagram in a transformer.

Acoplamiento del flujo de una bobina en otra. Compling flux from one winding in the other.

3. COMO SON LOS TRANSFORMADORES DE MEDIDA. Vamos a tratar de ver en este apartado las par tes que constituyen un T.M. real y la forma en que están diseñadas y construidas para hacer frente a los problemas específicos de cada una de ellas. Distinguiremos entre primario, secundario y núcleo. En cada uno de ellos veremos cómo influyen el campo eléctrico y el campo magnético, así como la necesidad de separarlos y confinarlos mediante el aislamiento. 3.1. Circuitos eléctricos. Primario. Secundario. Tanto el primario como el secundario son arrollamientos de material muy buen conductor eléctrico, como es el caso del cobre. Se usa cobre recocido porque se dobla más fácilmente y así facilita su trabajo. El aluminio es un metal que conduce bien la electricidad, aunque en menor grado que el cobre pero, como es bastante más barato y más ligero, compite con él en algunas aplicaciones. Es importante que los arrollamientos estén hechos de material buen conductor porque su misión es transportar la corriente eléctrica con las menores pérdidas posibles.

3. COMPONENT PARTS OF INSTRUMENT TRANSFORMERS. This section looks at the parts that make up an actual I.T. and how they are designed and built to overcome the specific problems involved in each of them. We shall distinguish between the primary, secondary and core , and shall look in each case at the problems caused by electrical and magnetic fields, and the need to separate and confine them via insulation. 3.1. Primary & Secondary Electrical Circuits. The primary and secondary circuits are windings made up of a good electrical conductor. The two best industrial conductors are silver and copper, and since silver is the most expensive, copper is the most widely used. In particular, annealed copper is used, because it is more ductile, and therefore, easier to work with. Aluminium is also a good conductor, though almost two times less efficient than copper. However, it is lighter and considerably cheaper, thus competing with copper in some applications. It is important for windings to be made of a good conductor, because their job is to carry electricity with as little loss as possible. The winding terminals in contact with the atmosphere are usually made of copper alloys such as bronze or brass, or of pure copper or aluminium. Other metal blends are also

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used, though less frequently. P2

Kn = 100/5/5

3.2. Magnetic Circuit: the Core. P1

We have seen that an alternating electrical current cre ates an alternating magnetic flux. This flux always forms closed lines through space, but flows easier through some materials than others. The materials through which it passes easiest are known as ferromagnetic materials (because iron is one of them). As an example, a magnetic flux f l ows through iron one thousand times easier than through air. 2S2 2S1 1S2 1S1

Transformador de Intensidad.

Current Trans former.

Los bornes, que son los terminales de los arrollamientos que luego estarán en contacto con el ambiente, suelen ser de aleaciones de cobre, bronce o latón, o de cobre puro o aluminio y a veces de otras composiciones metálicas menos empleadas. 3.2. Circuito magnético. El núcleo. Ya vimos que una corriente eléctrica alterna crea un flujo magnético alterno. El flujo magnético siempre forma líneas cerradas a través del espacio, pero en algunos materiales tiene más facilidad para circular que en otros. Los materiales en que el flujo magnético transita más fácilmente se llaman ferromagnéticos porque el hierro es uno de ellos. A modo de comparación puede decirse que en el hierro el flujo magnético transita como mil veces más fácil que en el aire.

The purpose of an I.T.s is that all the magnetic flux generated by the primary passes through the secondary to generate in it a current or voltage similar to the one in the primary. The secondary is tightly wound around the core allowing the magnetic flux to flow through it. But just as there are toll booths on an expre s sway, the magnetic flux has to pay a price to circulate through the c o re: the electric energy consumed in magnetizing and heating the core (sometimes also re f e rred to as "the iron"). T h e re are several ways of minimizing this "toll": a) using a ferromagnetic material suitable for the desired characteristics, e.g. iron with a 70% nickel content (Mumetal), o r i e nted grain plates, etc; b) heat treated plates e.g. cold rolling and subsequent annealing; c) using stacks of very thin plates electrically insulated from each other to eliminate the electric currents induced by the magnetic flux itself because iron is an electrical conductor (around four times less efficient than copper in conducting electricity); and d) eliminating gaps and discontinuities such as bolts

B A

Como en un T.M. (Transformador de Medida) lo que se pretende es que todo el flujo magnético que genera el primario, atraviese el secundario, para generar a su vez en éste una intensidad o tensión semejante a la del primario, lo que se hace es facilitar el paso de todo el flujo por el interior del secundario, dándole la posibilidad de ir a través del hierro del núcleo, alrededor del cual se dispone el secundario lo más cerradamente posible. La circulación del flujo a través del núcleo produce pérdidas. Se trata de la energía eléctrica consumida en la magnetización del hierro y en el calentamiento del mismo. Lo más importante es disminuir estas pérdidas al mínimo, empleando varias vías: a) elección de un material ferromagnético adecuado a las características que se pretenden, p.e., hierro con un 70% de níquel (Mumetal), chapas de grano orientado, etc; b) tratamiento térmico de las chapas, p.e. laminado en frío y posterior recocido; 8

2b 1b 1a1 1a2

2a2 2a1

Transformador de Tensión. Voltage Transformer.

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c) empleo de chapas muy finas apiladas, aisladas eléctricamente una de otra para eliminar corrientes eléctricas que el flujo magnético mismo induce sobre el núcleo, a causa de que éste está fabricado con material que también conduce eléctricamente (el hierro es como cuatro veces peor conductor eléctrico que el cobre); d) eliminación de entrehierros y discontinuidades, como pernos y similares, a la hora de fabricar el núcleo y montarlo. El tamaño del núcleo será diferente según la cantidad de potencia eléctrica que deba transmitir de primario a secundario por vía electromagnética. Cuanto mayor sea la potencia eléctrica mayor será el flujo magnético creado y mayor será la cantidad de hierro que éste va a usar como camino. Igual que cualquier camino, el núcleo ofrece un valor de ocupación óptima; si el valor del flujo es pequeño el núcleo estará infrautilizado y si el valor del flujo es demasiado grande el núcleo se satura.

when the core is manufactured and assembled. Cores of different sizes are used according to the electric power that the primary is to transmit electromagnetically to the secondary. The greater the power, the larger the magnetic flux created and the more iron that flux will use as a roadway. Like any roadway, the core has its optimum level of use: if the flow is too small, the core is underused, and if it is too large, it is saturated. Core saturation can be compared to a traffic jam on an expressway: the number of vehicles which can pass in any given period depends on the road width (i.e. whether one, two, three or more vehicles can travel parallel to each other) and on the speed at which these vehicles move.

El estado de saturación del núcleo depende de la sección del hierro que se ofrece al paso del flujo magnético, y del número de amperivueltas (A.V.) que se hayan establecido. Los amperivueltas, como su mismo nombre indica, son el producto del número de amperios que circulan por los arrollamientos conductores y el número de vueltas o espiras de que estos se componen. Los amperivueltas son imagen de la magnitud del flujo creado, y se mantienen constantes en el primario y en el secundario; los primeros crean el flujo magnético y los segundos son generados por él.

Aislamiento. Insulation.

Chapa de grano orientado. Oriented grain plates.

The equivalent to road width in the core is the cross section of the iron through which the magnetic flux passes, and the speed may be the number of ampere turns (AT) established. As their name indicates, ampere-turns are the product of the number of amperes circulating through the conductor windings and the number of turns in those windings. Ampere turns indicate the size of the flow created, and those on the primary and on the secondary are equal; the former create the magnetic flux and the latter are generated by it.

3.3. El problema del aislamiento. 3.3. The Problem of Insulation. Como en todos los transformadores, en el T.M. (Transformador de Medida) hay que aislar y separar convenientemente unos circuitos de otros entre sí y del exterior. Así, en cada uno de los arrollamientos primario y secundario, debe aislarse cada espira de la siguiente para que la corriente las atraviese ordenadamente una después de otra y no todas a la vez. En el caso de hilos de cobre al comprarlos esmaltados, o sea con un recubrimiento continuo de esmalte aislante, ya se tiene un primer aislamiento

Fencing and separations on an expressway prevent vehicles travelling in one direction from encroaching the space reserved for those travelling in the other, and barriers prevent traffic entering unexpectedly on the expressway. Like in all transformers, instrument transformers must have every conductor conveniently insulated from neighbouring parts and from the outside. On both the primary and secondary windings the turns

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e n t re espiras que luego se reforzará con sucesivas capas de papel. Si no vinieran aislados los hilos habría que proceder a su aislamiento, como se hace en el caso de pletinas y cintas desnudas que se aíslan con fundas o cart ones. El papel impregnado de gas aislante (hexafluoru ro de azufre: SF6) o de aceite es mucho mejor aislante que el papel solo. Esta circunstancia se utiliza en el aparato completo al realizar una impregnación con estos elementos. Para aislar un arrollamiento del otro también se recurre a papel impregnado o a resina en algún caso (T.I. de M.T.: Transformadores de Intensidad de Media Tensión). Este mismo tipo de aislamiento se da al núcleo respecto a cada uno de los arrollamientos. El aislamiento del aparato frente al ambiente se consigue a base de aceite y porcelana en los de servicio exterior o intemperie y a base de resina epóxida en los de servicio interior. Algunos aparatos de exterior se aíslan en resina cicloalifática. Hemos de consignar también el aislamiento que se procura entre cada una de las finas chapas que componen el núcleo. De lo que se trata en este caso es de impedir que el núcleo, que está hecho de material que además de ser muy buen conductor del flujo magnético (que es lo que queremos) es un mediano conductor de la corriente eléctrica (cualidad que no deseamos), se dedique a funcionar como si de un secundario más se tratara. Aislando entre sí las chapas se interrumpen las corrientes eléctricas que el flujo magnético genera en ellas, manteniéndolas así muy pequeñas (pérdidas de Foucault). Este aislamiento lo da el mismo fabricante de las chapas proporcionándoles un recubrimiento superficial aislante.

must be insulated from the neighbouring so that curre n t passes through them one after the other, and not all at the same time. If the wire has a continuous coating of insulating enamel there is one layer of insulation between turns already. This is re i n f o rced with various successive lay e rs of paper. If the wire is not previously insulated it must be insulated in the same way as bare plates and strips are, i. e. with sheaths or card b o a rd covers. Paper impregnated with insulating gas (especially SF6 or sulphur hexafluoride) or oil provides far better insulation than paper alone. On planning the complete device, the way in which impregnation is to be achieved must be taken into account. To insulate one winding from another, impregnated paper is also used. An alternative insulator may be araldite, but only in case of medium voltage ITs. This same method is used when insulating the core from each winding. The device is insulated from the outside by means of oil (or gas) and porcelain for outdoor service units and epoxy resin for indoor service units. Some outdoor units are also insulated with cyclo-aliphatic resin. Insulation means are also placed between the fine plates that make up the core to prevent it from working as if it were another secondary. This is because the core’s material is not only a good conductor of magnetic flux (which is desirable) but also a fair conductor of electric current (not desirable). Insulation between the core plate cuts off the electric currents generated in them by the magnetic flux and keeps those currents at a very low level (Foucault loss).

Compensador. Bellows. Papel impregnado en aceite Aislamiento entre A.T. y B.T. Oil impregnated paper Insulation between H.V. and L.V.

Aceite para impregnación del papel. Oil for paper impregnation.

Aislador exterior de porcelana. Porcelain external insulator.

Campo eléctrico en un T.I. Electrical field in C.T.

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El aislamiento en un T.I. de A.T. The insulation in a H.V. Current Transformer.

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La forma y calidad del aislamiento depende en cada caso de múltiples factores, siendo el principal el valor de la tensión que existe entre los dos extremos a aislar. Aquí conviene tener presente que la relación entre espesor de aislante y tensión aplicada no es lineal, así que no se cumple que a doble tensión aplicada doble espesor de aislante a interponer, sino que habrá que atenerse a lo que en cada caso corresponda a la naturaleza del dieléctrico. (Material dieléctrico es cualquier material aislante, es decir, un mal conductor). 4. FABRICACIÓN Y CLASIFICACIÓN DE LOS TRANSFORMADORES DE MEDIDA. A la vista de los principios generales comentados en los apar tados anteriores, vamos a observar la forma en que se aplican en los diversos casos que se presentan en la práctica y que se han clasificado según varias categorías simultáneas, atendiendo a algunos hechos o prestaciones características que los identifican. Vamos a efectuar tres distinciones principales referentes; al tipo de medida a efectuar, de intensidad o de tensión; a su emplazamiento, interior o a la intemperie; y a la tensión de la red a que se van a conectar, baja, media o alta tensión. Según se trate de unos u otros casos, determinadas características tendrán mucho o poco interés y se acudirá a unos materiales o a otros y a unos procesos de fabricación u otro s según el tipo de compromiso que se establezca en cada caso.

Transform a d o res de corriente en una subestación de alta tensión. Current transformers in a high voltage substation.

These plates are insulated by means of a surface coating applied by their manufacturers. The form and degree of insulation required depends in each case on many factors, the most important of which is the voltage between the two ends to be insulated. The relationship between insulation thickness and voltage applied is not linear, so it cannot be assumed that twice the voltage requires twice the insulation thickness. Instead, the nature of the dielectric must be taken into account in each case (dielectric material is a very poor conductor, which means it behaves as an insulator). 4. MANUFACTURING AND CLASSIFICATION OF INSTRUMENT TRANSFORMERS. Let us now look at how the general principles laid out in the earlier chapters are applied to several actual cases. These cases are classified according to distinguishing features or performance characteristics under three main headings: the type of measurement to be made (current or voltage), the location of the device (indoor or outdoor) and the voltage in the grid where it is to be connected (low, medium or high). The relative importance of certain characteristics and the materials and processes used to make devices vary from case to case. 4.1. Manufacturing.

Transformador de corriente en cabina de media tensión. Current tranformers in a medium voltage switchgear.

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4.1. Fabricación. 4.1.1. Transformadores de Intensidad -T.I.Los transformadores de intensidad se conectan intercalados en la misma línea conductora, de modo que la corriente que ésta transpor ta pasa toda ella a través del primario del T.I. Tienen siempre dos bornes primarios. La resistencia eléctrica entre estos dos bornes es siempre muy pequeña, de modo que en condiciones normales la diferencia de potencial entre ellos es insignificante, del orden de mV. El primario puede pasar una o más veces a través del núcleo, según que la intensidad que circula por él sea bastante para hacer que aquél quede suficientemente magnetizado, es decir, lo atraviesen bastantes amperivueltas; o bien se deban reforzar estos dando más vueltas al primario, ya que los amperios que transporta no son suficientes.

Transformador de Intensidad. Current transformer.

Transformador de Intensidad. Current transformer.

En el caso de que con una sola vez que se atraviese al núcleo sea suficiente, el primario suele fabricarse a base de una simple barra conductora de cobre o aluminio. Cuando deben dar varias vueltas se aísla cada una de ellas, o espira, de las demás con algunos mm. de papel o cartón. Siempre tratamos de que el núcleo de material ferromagnético abrace lo más estrechamente posible al primario para aprovechar al máximo el campo magnético que aquél genera, sin embargo, hay veces que la intensidad que circula por el primario es tanta que sobra para magnetizar adecuadamente al núcleo aunque ambos estén ligeramente separados. En estos casos los T.I. (Transformadored de Intensidad) se diseñan en lo que se dice “paso 12

1. Cubier ta. 2. Compensador metálico. 3. Indicador de nivel de aceite. 4. Núcleos. 5. Arrollamientos secundarios. 6. Arrollamientos primarios. 7. Terminales primarios. 8. Cabeza metálica. 9. Porcelana. 10. Aceite. 11. Papel aislante. 12. Conductores secundarios. 13. Base de anclaje. 14. Toma medida tangente delta. 15. Válvula de vaciado y toma de muestras. 16. Caja de terminales secundarios.

1. Cover. 2. Metallic Compensator. 3. Oil level indicator. 4. Cores. 5. Secondary windings. 6. Primary windings. 7. Primary terminals. 8. Metallic head. 9. Porcelain. 10. Oil. 11. Insulating paper. 12. Secondary conductors. 13. Mounting base. 14. Tangent delta measure tap. 15. Valve for emptying and oil sampling. 16. Secondary terminals box.

4.1.1. Current Transformers (C.T.s). Current transformers are inserted into the conducting line so that the full current passes through their primaries. They always have two primaries with a very small electrical resistance between them, so that, under normal conditions, the difference in potential between them is

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barra”, dejando un orificio central suficientemente grande como para que la misma línea conductora pase por el interior holgadamente. Si vamos más justos en lo que a intensidad primaria se refiere, fabricaremos el T.I. con una sola espira, o sea pasando una sola vez el primario a través del núcleo, pero para aprovechar al máximo la intensidad primaria haremos que el núcleo abrace lo más estrechamente posible el primario y el T.I. se realizará con “barra incorporada”, a cuyos bornes habrá luego que conectar la línea conductora. Un T.I. con “primario bobinado” tendrá el mismo aspecto exterior que el anterior, pero el conductor primario dará más de una vuelta alrededor del núcleo. El núcleo de los T.I. se fabrica enrollando simplemente chapa fina continua en forma toroidal hasta completar la sección necesaria. Ya dijimos que la chapa viene de fábrica con un recubrimiento aislante y ésta es la forma más cómoda de apilarla apretadamente de manera que forme un todo homogéneo sin entrehierros ni inserciones extrañas. Por otro lado, el que en los T.I. normalmente el número de espiras secundarias a dar sea relativamente bajo, del orden de centenares, permite sin excesivo encarecimiento usar el procedimiento de arrollar éstas dire ctamente sobre un núcleo toroidal cerrado. Entonces lo que se hace es proteger y aislar el núcleo toroidal mediante cartón y cinta plástica hasta un nivel de 4kV generalmente y arrollar encima el secundario, pro c u r a ndo que éste quede uniformemente repartido por toda la circunferencia.

just a few mV and therefore insignificant. The primary conductor may pass once or more through the c o re, depending on whether the current through it is large enough to magnetize the core sufficiently i. e. whether there are enough ampere - t u rns. If it is not, more turns must be added to the primary to increase the amps carried. If once through the core is enough, the primary is usually made of a single copper or aluminium conductor bar. When several turns are required, each one is insulated from the others with a few mm of paper or cardboard. We always try to make the ferromagnetic core fit the primary as snugly as possible so that the generated magnetic field can be used as much as possible. However, the current driven through the primary is sometimes sufficient to magnetize the core adequately even when it is some distance away. In these cases C.T.s are made with what we call a "fixed straight bar", leaving a central hole large enough for the conductor bar to pass through the core easily. If the primary current is not so big, the C.T. is made with a single turn (i. e. with the primary passing only once t h rough the core) but the core is made to fit as snugly as possible against the primary. They are referred to as "incorporated bar" C.T.s, and the conductor line is attached to their terminals. A C.T. with a wound primary looks the same externally as the above mentioned units, but the primary conductor goes more than once around the core . Simply rolling fine, continuous plate into a torus shape

Bobinado de un arrollamiento secundario de intensidad. Wound of a current secondary winding.

Agrupamiento de arrollamientos secundarios. Secondary windings grouping.

Es práctica usual emplazar más de un secundario por aparato aprovechando que haya sitio. Para ello se realizan otros tantos núcleos toroidales (con su arrollamiento secundario bobinado encima) los cuales dispuestos uno al lado del otro con los agujeros bien centrados en línea, se ven atravesados conjuntamente por el mismo primario. En el caso de los T.I. de A.T., para simplificar en lo posible los problemas de aislamiento a esas tensiones entre primario y secundario tan elevadas, lo que se hace es introducir todos los núcleos con sus secundarios arrollados en

Montaje de arrollamientos secundarios en el electrodo de B.T. Assembling of current secondary windings in the L.V. electrode.

of the required cross section C.T. cores are manufactured. The plate is factor y supplied with an insulating coating, and this is the best way of stacking it tightly so that it forms an even whole with no gaps or inser tions of foreign matter. The fact that in normal C.T.s the number of turns is no more than a few hundred, means that direct winding on a closed toroid core is possible without too much expense. It is cheaper to wind on a mandrel, but in that case the core must be opened to be mounted. The toroid core is padded and insulated with cardboard and masking tape, generally to 4 kV., and the secondary is wound around, as evenly distributed as

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una caja metálica (de aluminio) cuya forma se ha estudiado cuidadosamente para que tenga efectos correctores sobre el campo eléctrico y que encierra totalmente a aquéllos. Esto permite prever un programa de aislamiento común a todos los T.I. (Transformadores de Intensidad) de igual modelo, aunque sea diferente el número y tamaño de los secundarios que lleven. Hay veces que se prevé una futura ampliación de una instalación, de modo que la intensidad cambiará. Para no tener que retirar entonces el T.I., cambiándolo por otro nuevo adecuado a esa intensidad diferente, es frecuente pedir inicialmente el T.I. con varias intensidades primarias nominales. También se hace, sobre todo en A.T. (Alta Tensión), con el fin de pedir iguales todos los T.I. de una subestación y facilitar así su reemplazamiento y entretenimiento aunque deban transformar cada uno intensidades diferentes. Constructivamente puede hacerse esto mediante tomas en los arrollamientos secundarios, (con la particularidad de que en cada una el número de A.V. será distinto) o bien mediante la realización del primario en dos o cuatro arrollamientos iguales, que conectados en serie o paralelo darán lugar a la doble relación primaria (DRP) y en serie paralelo, en el caso de cuatro arrollamientos, a la triple relación primaria (T.R.P.). En este caso se mantienen constantes los A.V. en cada una de las conexiones, pero encareciéndo algo el aparato a causa de la mayor cantidad de cobre que lleva el primario para establecer dichas conexiones. 4.1.2. Transformadores de Tensión Inductivos - T.T. Los transformadores de tensión se conectan entre dos puntos a potencial diferente entre sí. Se distingue entre el hecho de que estos dos puntos estén ambos a diferente potencial que tierra, o que uno de ellos esté directamente puesto a tierra. A los primeros los denominamos tipo V y a los segundos tipo U. Eléctricamente y desde el punto de vista constructivo son más racionales los T.T. tipo U, pero determinadas medidas trifásicas pueden

possible around the circumference. The result is a ring formed by the core with the secondary wound a round, set at right angles to another ring which is the wound primar y, or merely crossed by the primary conductor when there is only one turn. Usual practice is to fit more than one secondary if there is room enough. The final number of toroid cores with their secondary windings are manufactured and set along each other with their holes lined up and crossed by the same primary. To simplify high voltage insulation problems as far as possible between primary and secondary, the cores with their wound secondaries are completely sealed in an aluminium box whose shape is carefully designed to correct the electric field. This means that a common insulation system can be used in all C.T.s of the same model, even if the number and size of the secondaries differ. Sometimes future expansion of a facility, involving a change of current, is envisaged. To avoid having to fit new C.T.s for the new current, C.T.s with several rated primary currents are often requested initially. This is also done, especially in H.V., so that all the C.T.s in a substation are the same, thus making them easier to replace and maintain, even when each one transforms a different current. In construction terms, this is done by means of connection taps on the secondar y windings (with the disadvantage that the number of A.T. (Ampere-tours) is different on each one), or by making the primar y in two or four equal windings. When connected in series or parallel, they provide a double primary ratio (D.P.R.) or, in the case of four connected in series/parallel, a triple primary ratio (T.P.R.). The latter system maintains a constant number of A.T. in each connection, but is more expensive due to the larger quantity of copper in the primary required to establish the connections. 4.1.2. Inductive Voltage Transformers (V.T.s). Voltage Tr a n s f o rmers are connected between two points with diff e rent potentials. There is a diff e rence if these two points have diff e rent potential from earth or if one of them is directly earthen. The former is known as V type and the latter as U type. From the electrical and manufacturing points of view, U-type V.T.s are a more rational option. Certain 3-phase measurements can be made more cheaply using two V-type V.T.s instead of three U type devices. However it is not very common to find V type V.T.s above 52 kV.

T.T. un polo. / One pole V.T.

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V.T.s normally have a single core on which one primary and one, two or three secondaries are tightly wound. The secondaries have a few hundreds of turns and, between their ends, hundreds of volts are measured. This means that the enamel insulation coating the wires used between the turns of a layer and a few tenths of millimetres of

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hacerse utilizando dos T.T. tipo V en vez de tres tipo U, lo que da a aquéllos cierta ventaja económica. Sin embargo a partir de los 52 kV es muy raro encontrar T.T. tipo V. Los T.T. llevan normalmente un solo núcleo sobre el que se arrollan apretadamente entre uno y tres secundarios y un primario. Los secundarios tienen del orden de cientos de espiras y entre sus extremos se miden cientos de voltios, por lo que basta, entre las espiras de una capa, el aislamiento de esmalte de que van recubiertos los hilos con que se fabrican, y, entre capas, unas décimas de mm de papel. Respecto a tierra deben aislarse a 3 ó 4 kV y entonces se necesita del orden del mm de papel. En los aparatos tipo U el núcleo y uno de los bornes de cada uno de los arrollamientos se conecta rígidamente a tierra, al igual que todas las demás partes metálicas que componen el aparato: cuba, base, etc... En los T.T. tipo V ocurre igual que en los tipo U excepto en lo que concierne al primario. Cada uno de los extremos de éste está aislado respecto del otro a la tensión nominal (la tensión de línea, o entre fases, que es lo mismo) de la re d . Respecto a tierra, los extremos del primario están aislados a la tensión nominal dividida por 3 (tensión de fase de la red). Entonces a fin de aprovechar mejor el programa de aislamiento se divide en algunos casos el arrollamiento primario en dos secciones simétricas, cada una de las cuáles está aislada entre sus extremos a la mitad de la tensión nominal del aparato, estando el punto medio de conexión e n t re ambos a una tensión intermedia de la nominal. En los T.T. (Transformadores de Tensión) se utilizan núcleos rectangulares de dos columnas, o a veces, por problemas de espacio, acorazados. Se cortan las chapas de cada lado del rectángulo separadamente y se ensamblan luego mediante pernos roscados. Las características

T.T. dos polos. / Two poles V.T.

paper between layers, provide enough insulation. As regards earth, the V.T.s must be insulated at 3 or 4 kV between secondaries and between secondary and earth. Therefore, around one (1) millimetre of paper is needed. In U type devices, the core and one of the ends of each winding, as well as all the rest of metallic parts of the device, are firmly connected to earth. The same can be applied to V type V.T.s except that each primar y is insulated from the other at the rated voltage (i.e. the line voltage or voltage between phases in the grid). The end of the primary winding is insulated from earth at the rated voltage divided by 3 (phase voltage of the grid). Then, to make the best use of the insulation system, the primary winding is sometimes divided into two (2) symmetrical sections. The end of each section is insulated at half the rated voltage of the device, with the connection point between them at half the rated voltage level. The V.T.s´ cores are rectangular with two (2) columns and sometimes, due to the lack of space, they are armoured. The plates for each side of the rectangle are cut separately and assembled later by means of threaded bolts. The

1. Bobinado cónico. 1. Conical winding.

2. Bobinado en doble capa. 2. Double layer winding.

3. Bobinado en capa corrida. 3. Single layer winding.

Tipos de bobinado en T.T. Winding types on V.T.

Bobinado de T.T. V.T. wound.

Bobina de T.T. V.T. winding.

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elect romagnéticas de estos núcleos son inferiores a las de los núcleos toroidales utilizados en los T.I. (Transformadores de Intensidad), debido a los entrehierros e inserciones e n t rechapas. Aún así, se pre f i e ren estos núcleos, que obligan a tamaños más grandes de aparatos, por tener que re alizar bobinados primarios con un elevado número de espiras. Al ser tantas las espiras se hace obligado el empleo de bobinadoras rectas de gran velocidad que arrollan los bobinados sobre un mandrino cilíndrico que luego se intro d u c e en el núcleo, por lo que éste debe poder abrirse. Si, por similares razones que en los T.I. se requieren T.T. con varias tensiones primarias distintas, casi siempre se realizan por tomas en el secundario. El motivo de ello es que sacar una borna a tensión primaria intermedia es mucho más caro que sacar una toma secundaria, incluso en el caso de que para conseguirlo haya que ir a un T.T. de una serie superior.

electromagnetic characteristics of these cores are lower than those of the toroidal cores used in the Current Transformers (C.T.s), due to the air gaps and insertions between their plates. Never theless, rectangular cores are preferred, due to the large number of turns necessar y in the V.T.s’ primary windings, although this makes the devices larger. Due to the large number of turns, high-speed straight winding machines have to be used in order to wind the wires on a cylindrical mandrel. The primar y must now be inser ted into the core, and therefore the core has to be opened. If V.T.s with several primary voltages are re q u i red (for the same reasons as the indicated for the C.T.s), these are obtained by means of secondary taps. The reason is that it is cheaper than taking a connection at an intermediate primary voltage even though a higher model of V.T. is required. 4.1.3. Capacitive Voltage Transformers (C.V.T.s).

4.1.3. Transformadores de tensión capacitivos. -T.T.C.Los transformadores de tensión inductivos tratados en el número anterior necesitan más espiras cuanto mayor es su tensión nominal. Con esto el proceso de fabricación se alarga y encarece, las bobinas son cada vez mayores, exigen más espacio y en consecuencia aparatos más grandes con mayor volumen de aceite. Para reducir una tensión a otra menor y pro p o rcional a ella se conocen más procedimientos que el electromagnético explicado en 4.1.2. Si conectamos varios condensadore s en serie y aplicamos una determinada tensión entre el primero y el último, cada uno de ellos quedará cargado a una tensión parcial proporcional a su capacidad; sumando todas las tensiones parciales tendremos obviamente la total.

In the Inductive Voltage Transformers considered in the previous section, the number of turns required is higher as the rated voltage increases. This means that the manufacturing p rocess takes longer and is more expensive, windings need m o re space to accommodate their larger size, and there f o re the devices are bigger and a larger quantity of oil is needed. However, the electromagnetic procedure explained in section 4.1.2 is not the only way of reducing the voltage to a lower and proportional level. If several capacitors are connected in series and a certain voltage is applied between the first and the last capacitor, each one will be charged at a partial voltage pro p o rtional to its capacity. Obviously adding all the partial voltages, we will obtain the total voltage. If all the capacitors are made equal, the capacitance and the partial voltages will also be equally. The diff e rence of potential between any two points in the series of capacitors will be proportional to the number of capacitors between those two points. This leads to the idea of a capacitive voltage divider. The C.V.T. is a voltage transformer with a column of capacitors that has an intermediate voltage tap, that is to say, a capacitive voltage divider, and an inductive voltage transformer connected to that tap. This tap is set at a voltage that allows an inexpensive inductive V.T. to be used. We usually use 22/V3 kV so that the inductive V.T. is a standard medium voltage model.

Circuito equivalente del T.T.C. / C.V.T. equivalent circuit

The capacitor column must be very carefully manufactured in terms of materials used and environment of the process. However this process is simple and repetitive. It consists of winding two thin conducting layers of aluminium on a cylindrical mandrel separated by some layers of paper and/or plastic until the length required is reached according to the capacitance desired. This wafer is then pressed and several are grouped in packages that are held to maintain their size. The size of the packages must fit the intermediate voltage of 22/V3 kV so that the devices have a whole number of packages. The capacitor packages have a square section and are fit-

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1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

Borne primario. Compensador. Aislador. Muelle prensor. Condensadores. Pasatapas toma intermedia. Transformador. Reactancia corrección fase. Caja bornes. Caja de ajuste.

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1. Primary terminal. 2. Steel belows for compensating volume oil expansion. 3. Porcelain bushing. 4. Prehensor spring. 5. Capacitor elements. 6. Intermediate voltage terminal. 7. Intermediate voltage transformer. 8. Compensating reactor. 9. Secondary terminal box. 10. Trimming box.

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Si hacemos iguales todos los condensadores, todas las capacidades serán iguales, y por lo mismo serán iguales todas las tensiones parciales. La D.D.P. (Diferencia de Potencial) entre dos puntos dados de la serie de condensadores será proporcional al número de estos que haya intercalados entre esos dos puntos. Esta idea da lugar al divisor capacitivo (D.C.) de tensión.

2 4

El T.T.C. es un T.T. (Transformador de Tensión) que incluye una columna de condensadores con una toma de tensión intermedia, o sea, un D.C. (Divisor Capacitivo), y un T.T.(Transformador de Tensión) inductivo, que va conectado a dicha toma. Esa toma se elige a una tensión tal que el T.T. inductivo sea de construcción económica. Nosotros tomamos 22/3 kV, de modo que el T.T. inductivo es un T.T. de M.T. (Media Tensión) normal. La fabricación de la columna de condensadores ha de ser muy cuidadosa en lo que respecta a los materiales utilizados y al ambiente de proceso, pero tiene la ventaja de que es sencilla y repetitiva. Se reduce a bobinar sobre un mandrino cilíndrico dos finas capas conductoras de aluminio separadas por varias de papel y/o plástico hasta alcanzar una longitud prefijada que se corresponda con la capacidad que se pretende conseguir. Luego se prensa esta bobina aplanándola y se agrupan varias de ellas en paquetes que se sujetan para que mantengan su tamaño. La magnitud de estos paquetes se hace corresponder con la tensión intermedia de 22/3 kV, de modo que los aparatos lleven un número entero de paquetes.

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Transformador de Tensión Capacitivo. Capacitive Voltage Transformer.

Paquete condensador. / Capacitor stack.

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Los paquetes de condensadores son de sección cuadrada y se introducen justamente en la porcelana. Después de secado y hecho al vacío se llena de aceite, cuyas variaciones de volumen con la temperatura se neutralizan por unos conpensadores cilíndricos de acero inoxidable. Así es que cada porcelana forma un conjunto separado, que puede luego ensamblarse con otros iguales en los casos de más altas tensiones y con el T.T. inductivo que va en una cuba metálica que sirve de base al D.C.(Divisor Capacitivo). Las redes eléctricas interconectan puntos geográficamente distantes entre sí: las centrales generadoras, las subestaciones de distribución, los despachos de control y los centros de consumo. Es importante que pueda transmitirse y recibirse información entre cada uno de estos lugares. Desde un principio se han empleado los mismos cables de transmisión de energía como portadores de las señales de alta frecuencia (A.F.), de tipo telefónico que establecen esta intercomunicación, que está claro que es imprescindible. No es la única forma de comunicación empleada; se usan también las redes telefónica y telegráfica normales, enlaces de microondas y de radio, pero todas y cada una se hacen necesarias.

ted in the porcelain shell. Once the unit is dried and the vacuum is done, it is filled with oil. Changes in oil volume due to temperature variations are neutralised by means of stainless steel cylindrical compensators. Each porcelain forms a separate unit that can be assembled with other units of the same type, for very high voltages, and with the inductive V.T. that is fitted in a metal tank that provides the base for the capacitive voltage divider. Electricity grids link points geographically distant from each other: generation stations, distribution substations, control points and consumption points. It is important to be able to transmit and receive information from and to these points. The power transmission cables have been always used to carry high frequency (H.F.) telephone type signals for such essential communication purposes. Apar t from this, standard telephone and telegraph networks, microwave and radio links are also used.

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Acoplamiento para frecuencia portadora: 1. Terminal emisor/receptor. 2. Unidad de acoplamiento. 3. Dispositivos de protección. 4. Condensador de acoplamiento. 5. Bobina de bloqueo. Coupling for frequency carrier: 1. Emitter/receiver terminal. 2. Coupling unit. 3. Protective devices. 4. Coupling capacitor. 5. Line trap.

Para transmitir señales de A.F. (40 kHz÷500 kHz) por los cables de A.T.(Alta Tensión) portadores de la energía a 50 Hz es necesario conseguir una entrada de la señal de A.F., que sin embargo, no permita escapar a la energía transportada. Esto se hace a través de un condensador de acoplamiento (C.A.) que presenta alta impedancia a 50 Hz y muy baja a más de 40 kHz. Del análisis de todo lo anterior se llegó a la conclusión de unir en una sola pieza el D.C. y el C.A., con lo que se conseguirían importantes ventajas económicas. Esta consideración dio un gran impulso a los T.T.C.(Transformador de Tensión Capacitivo) teniendo en cuenta que el T.T.C. es económico incluso empleado sólo como transformador, de modo que los accesorios de corriente portadora de A.F. son opcionales. 18

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To transmit H.F. signals (40-500 kHz) along 50 Hz electric power carrying high voltage lines, an H.F. signal input must be made, preventing the electric power from escaping at the same time. This is achieved by means of a coupling capacitor with high impedance at 50 Hz and low impedance at more than 40 kHz. After analyzing all these factors, the conclusion of combining the capacitor voltage divider and the coupling capacitor in the same unit was reached. That meant important economic advantages. This C.V.T.s are economical even when used only as transformers. Therefore the H.F. carrier accessories are optional in our transformers. 4.1.4. Combined Instrument Transformers. (C.I.T.s).

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4.1.4. Transformadores combinados de medida. -T.C.M.Así denominamos al aparato que alberga en su interior conjuntamente un T.I.(Transformador de Intensidad) y un T.T.(Transformador de Tensión) La razón más importante de que se fabriquen estos aparatos estriba en economizar piezas y espacio. Se fabrican en A.T.(Alta Tensión) y se busca ahorrar porcelana, que es una pieza cara; se usa una de mayor diámetro interior en vez de dos más pequeñas, que alberga en su parte superior el T.I. y en la inferior el T.T.

Transformador Combinado / Combined Transformer

Debido a la proximidad entre el T.I. y el T.T. en el interior del T.C.M., los campos eléctricos de ambos se influyen mutuamente a la hora de hacer sus respectivas medidas; por tal motivo se debe realizar un diseño más crítico para conseguir la misma precisión en la medida que los T.I. y los T.T. logran por separado. También hay que tener presente que si por cualquier razón se avería el T.T., al retirar de servicio el T.C.M. nos quedamos sin el T.I. y viceversa, lo que complica algo la cuestión de repuestos a quien los tiene instalados. Resulta pues que aunque el T.C.M. sí se emplea, no constituye la mejor solución en todos los casos. 4.1.5. Transformadores electrónicos de medida. -T.E.M.Estos tipos de transformadores de medida son denominados “Transformadores no Convencionales” debido a la utilización de nuevas tecnologías para la captación de la corriente y tensión, junto con una electrónica que llevan

These devices comprise a current transformer and an inductive voltage transformer in the same unit, mainly to save components and space. They are manufactured for high voltage applications where expensive porcelains must be used, as they enable one large porcelain to be used instead of two small ones. The C.T. is placed on the top part of the transformer and the V.T. at the bottom part. Due to the proximity between the C.T. and V.T. inside the combined transformer, their magnetic fields influence each other when taking simultaneous measurements, so the design must be done more carefully to get the same accuracy. It must be also taken into account that if one of the transformers malfunctions and has to be removed from service, the other one is also removed. As a result, sometimes these units can be used but not always are the best solution. 4.1.5. Electronic Instrument Transformers (E.I.T.).

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incorporada. A diferencia de los T.M.(Transformadores de Medida) Convencionales, estos aparatos se basan generalmente en efectos ópticos o electromagnéticos de muy baja potencia para medir la corriente y la tensión, y llevan una electrónica encargada de transformar esas medidas en datos digitales (normalmente) o en señales analógicas de baja potencia (±5V). Debido al avance en el desarrollo de los microprocesadores, hoy en día casi todos los equipos de medida y protección son digitales, por ello se puede enviar los datos de las medidas de una red eléctrica (corriente y tensión), mediante un determinado protocolo de comunicaciones.

This type of instrument transformers is referred to as "non-conventional transformers", because they use new technologies to measure current and voltage, with their own built-in electronics. Unlike conventional instrument transformers, they are generally based on low-power optical or electromagnetic technologies to measure current and voltage, and have built-in electronics to convert the obtained measurements into digital data (usually) or low power analogue signals ( ±5V). Due to the development in microprocessor technologies, almost all measuring and protection equipment is digital, so the measurement from an electric network (current and voltage) can be transmitted via a communications protocol.

Transformador Electrónico de Medida / Electronic Instrument Transformers

Estos nuevos T.E.M. tienen la ventaja principal del aislamiento entre la Alta Tensión y Tierra, pues tan solo es nacesario una fibra óptica por el interior de un aislador (norm a lmente se usan aisladores sintéticos), por donde viaja la información de la señal medida en la Alta Tensión. Después, una electrónica situada en la caseta de relés pre p ara toda la información para enviarla a los equipos de medida y protección. También en algunos T.E.M. existe una electrónica en la Alta Tensión que transforma la señal medida en datos digitales para que sean transmitidos por la fibra óptica hasta la electrónica situada en la caseta de relés. Los T.E.M. tienen un tamaño mucho menor que los T.M. Convencionales, y en una subestación sólo habría fibras ópticas (en lugar de conductores). Los principales inconvenientes son su poca experiencia en campo y que todos los equipos de medida y protección que hay instalados hoy día, están preparados para conectarse con los T.M. Convencionales. 20

The insulation between H.V. (high voltage) and earth is the main advantage of these E.I.T.s, as all they need is an optic fibre inside an insulator (usually synthetic) to transmit the m e a s u rement. Electronics in the substation control room then prepare all the data to be transmitted to the measurement and protection equipment. Some E.I.T.s include some e l e c t ronic technology on the high voltage side that converts the signal read into digital data to be transmitted along the optic fiber to the electronics in the substation room.

E.I.T.s are much smaller than conventional instrument transformers, and substations using them would only need optic fibre (instead of copper wire). Their main drawbacks are the low experience in operation in the field, and the fact that all the measurement and protection equipment installed at present is designed to be connected to conventional instrument transformers.

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4.2. Clasificación de los T.M. según su emplazamiento.

4.2. Classification according to site conditions.

4.2.1. Transformadores de medida para servicio intemperie. -T.M.-

4.2.1. Outdoor Instrument Transformers.

Estos aparatos se encuentran totalmente a merced de las inclemencias atmosféricas. Están sometidos a precipitaciones en forma de lluvia, granizo y nieve. La polución ambiental los mancha, cubre e incluso ataca a los materiales super ficiales. Las variaciones extremas de temperatura dan lugar a condensaciones, rocío, escarcha o hielo. Los materiales se ven sometidos a dilataciones y contracciones. Hay viento, movimientos del suelo por terremotos, o por cambios del agua subterránea. La exposición a la luz solar y sus rayos ultravioleta es total.

These devices are exposed to the environmental conditions (rain, hail and snow). Atmospheric pollution can stain, cover and even attack the sur face of the materials. Extreme temperature variations can cause condensation, dew, frost and ice on them. Materials are subject to expansion and contraction. They are also affected by wind, earth movements due to earthquakes or changes in underground water flows. The exposure of these devices to the ultraviolet rays of the sun is complete.

Para combatir estos fenómenos el material que ha dado mayores pruebas de fortaleza es la porcelana, que se viene empleando ininterrumpidamente desde los inicios de la electricidad. Es un material conformable, que esmaltado presenta una superficie prácticamente inalterable a las agresiones químicas, erosiones mecánicas o acción luminosa. Es muy buen aislante. Su consistencia mecánica cumple con las especificaciones más exigentes en las diferentes condiciones de servicio.

The material that has proved highest ability of withstanding these attacks is the porcelain, so it has been used since the beginnings of the electrical facilities. The porcelain is a mouldable material that, enamelled, has a sur face practically imper vious to chemical aggression, mechanical erosion and the action of light. It is a good insulator and its mechanical resistance complies with the hardest specifications in different operation conditions.

T.I. Aislado en papel-aceite. C.T. Paper-oil insulated.

T.I. Aislado en resina. C.T. Resin insulated.

T.T. Aislado en papel-aceite. V.T. Paper-oil insulated.

T.T. Aislado en resina. V.T. Resin insulated.

La forma que se le da a base de rizos encuentra su causa en las precipitaciones atmosféricas y obedece a la voluntad de impedir que se formen películas conductoras, de agua u o t ros elementos, que unan las partes bajo tensión con las que están puestas a tierra.

The curled shape used is intended to prevent the appearance of conductive films of water, or other substances, that may lead to the connection of live parts with those that are earthen.

Se han realizado, y se siguen realizando, pruebas con otro s materiales más económicos para sustituir a la porcelana como aislante exterior, pero ninguno ha conseguido sustiuirla a pesar de sus dos pegas principales, que son su elevado precio y su fragilidad.

Some tests have been, and continue to be carried out, on other cheaper materials to look for the possibility of finding a different external insulator but none of them has been able to substitute the porcelain despite its high price and fragility.

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El empleo de resinas cicloalifáticas es común entre los fabricantes de T.M.(Transformador de Medida) para intemperie en M.T.(Media Tensión), pero presenta problemas por su alterabilidad ante agresiones químicas y de rayos ultravioletas, por lo que hoy en día no supone aún amenaza visible al imperio de la porc e l a n a .

Cycloaliphatic resins are widely used among instrument transformer manufacturers for outdoor medium voltage applications. However these resins can be damaged by chemical aggressions and ultraviolet rays so, nowadays, resin does not mean a threat to porcelain.

De la porcelana se aprovechan también sus características de estanqueidad empleándola como recipiente del aceite que impregna el papel utilizado para aislar las bobinas. Como el aceite pierde rápidamente sus excelentes pro p i edades dieléctricas si es que se ve contaminado por agentes químicos exteriores, (siendo el más usual, y por ello el más comúnmente peligroso, el agua) se pone especial cuidado en impedir que el aceite entre en contacto con la atmósfera. Para ello se encierra de forma hermética, elásticamente. El cierre elástico se consigue empleando membranas de goma o metálicas que se adapten a sus cambios de volumen. Otras veces se hace que el elemento elástico sea un gas compresible e inerte como el nitrógeno.

Another favorable characteristic of the porcelain is that, being airtight, it can be hermetically sealed. It is therefore used as a container for the oil that impregnates the paper insulating the windings. As the oil quickly loses its excellent dielectric proper ties when polluted by external chemical agents (i.e. water, the most usual and therefore the most dangerous), special care is taken to prevent it from coming in contact with the atmosphere. The airtightness is achieved through an elastic seal, comprising rubbers or metal membranes that adapt to the oil volume changes. Sometimes an inert and compressible gas such as nitrogen is used as the elastic seal.

Hay situaciones en que las temperaturas alcanzadas son tan bajas, -50oC p. e., que obligan a revisar el diseño completo del T.M. Obligan a cambiar el tipo de aceite, las gomas usadas en las juntas, e incluso el material de tornillería y fijación, por otros especiales adecuados a esas temperaturas. La implantación de los T.M. en lugares a gran altitud, entre 1.000 y 5.000 m., obliga a estudiar muy cuidadosamente el reparto del campo eléctrico a lo largo de la superficie externa del aparato y la adopción de mayores distancias de fuga (cuerda tendida, cuerda desarrollada) a causa de la menor densidad del aire atmosférico y, por ello, su menor poder dieléctrico.

If ver y low temperatures (i.e. - 50°C) may be reached, the instrument transformer’s complete design has to be checked: oil, rubber used in the sealing parts and even the material of the screws and fixing parts. If the instrument transformers have to be set up at altitudes between 1000 and 5000 metres, a careful study of the distribution of the electrical field on the surface of each device must be done. Longer creepage distances must be used (protected creepage distance, flashover distance) due to the lower density and less dielectric power of the air.

4.2.2. Transformadores de medida para subestaciones blindadas. Ultimamente se va generalizando el empleo de subestaciones blindadas muy compactas de ubicación urbana preferentemente. En ellas todos los elementos y dispositivos eléctricos van encerrados por una envolvente metálica hermética puesta a tierra que contiene gas SF6 (hexafluoruro de azufre) a presión. Las características aislantes de este gas son notables y permiten gran capacidad en las instalaciones. Su disposición y las técnicas constructivas empleadas varían notablemente frente a las habituales. El nivel de tensión es elevado (123, 245 kV...). Los T.M. en este caso, son diferentes a los habituales. Los T.I.(Transformadores de Intensidad) son de forma toroidal “paso barra” aislados a B.T. normalmente (o hasta algunas decenas de kV) que se colocan abarcando las tuberías que enlazan diferentes dispositivos. Sus dimensiones diametrales son muy superiores a lo habitual y resultan caros en material ferromagnético aunque son de construcción sencilla. Los T.T.(Transform a d o res de Tensión) pueden ir inmersos en SF6, formando parte de la instalación, o bien impre gnados en aceite, en cuyo caso van separados de la parte aislada por el SF6 mediante conos aislantes, normalmente 22

Subestación Blindada. GIS Substation.

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4.2.2. Gas Insulated Switch-Gear Instrument Transformers (G.I.S.). The number of these substations is increasing, mainly for urban locations. All the electrical devices included in these substations are enclosed in a sealed, ear then metal shell containing SF6 gas under pressure. This gas is an excellent insulator, and provides larger space to the installation. The construction techniques used in this case differ widely from the normal ones. These substations are built for high voltage levels (123, 245 kV...).

T.T. para una instalación blindada. / M . V.T. for a GIS substation.

de resina, embridados al resto de la instalación. Su diseño plantea mayores dificultades debido al poco espacio que hay para igualar la distribución de campo eléctrico y a la cercanía de la pantalla de puesta a tierra. 4.2.3. Transformadores de medida para servicio interior. Son los que se disponen en lugares cerrados a las inclemencias del tiempo, de forma que muchas de ellas quedan aminoradas o incluso no se dan. Así no están sometidos ni a la lluvia ni a las radiaciones ultravioletas, y las temperaturas extremas y la polución son menores que las que se dan a la intemperie. En virtud de estas circunstancias su aislamiento externo presenta pocos bajorrelieves, sus superficies son lisas y predomina el empleo de resinas epóxidas y otros polímeros como aislantes frente al ambiente.

Transf. de corriente en una subestación de alta tensión. C u rrent Tranformers in a high voltage substation.

In this case the instrument transformers differ from the conventional ones. The Current Transformers are ring-type transformers with low voltage insulation, or up to few tens of kV, maximum. They are placed around the tubes that connect the different devices. The external diameter of these transformers is quite big and consequently even if their construction is ver y simple, the ferromagnetic material needed is expensive. The Voltage Transformers may be SF6 impregnated, as a part of the installation, or oil impregnated. In this case they are separated from the SF6 part by isolating cones (usually made of resin) and connected to the rest of the installation. Design problems can result from the small space available to homogenise the electrical field and the proximity of the earth foil. 4.2.3. Indoor Instrument Transformers. Indoor Instrument Transformers are located in places protected from the weather conditions; being the atmospheric effect minimised. They are not exposed to rain, ultraviolet rays or extreme temperatures and the pollution levels are lower than for outdoor transformers. Due to these circumstances the external surface of the transformers is smooth and featureless, and the main insulator is epoxy resin and other polymers.

Transformador de Medida de Tensión. V.T. Instrument Transformer.

Transformador de Medida de Intensidad. C.T. Instrument Transformer.

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Estos aparatos se disponen en el interior de edificios o celdas, bien de obra o metálicas prefabricadas. Normalmente sólo albergan aparellaje y T.M.(Transformadores de Medida) de M.T.(Media Tensión) hasta 72,5 kV. Dado que estas construcciones son caras, se buscan siempre las menores dimensiones posibles. Como los fabricantes de celdas tratan de meter la mayor cantidad de aparatos en el menor espacio posible, la colocación de los T.M. es muy variada y por eso es habitual encontrar ligeras modificaciones en la colocación y forma de los bornes primarios y secundarios en un mismo modelo servido a diferentes fabricantes de celdas.

The transformers are usually mounted inside buildings or metal-enclosed cubicles (which generally include apparatus and instrument transformers up to 72.5 kV). Due to the high cost of these constructions, the manufacturers tr y to reduce the size of the switchgears, and consequently the transformers are placed in different positions. Therefore, it is possible to find the same type of transformer with slight modifications in the primary and secondary terminals in different installations.

4.3. Clasificación de los T.M. según su nivel de Tensión.

4.3. Ranking according to level insulation.

4.3.1. Transformadores de medida para Baja Tensión.

4.3.1. Low Voltage Instrument Transformers.

Consideramos B.T.(Baja Tensión) al intervalo de tensiones inferior a 1.000 V. Los T.M. empleados en este caso se caracterizan por su reducido aislamiento, seco normalmente y formado por foliados de papel o polímeros. Suelen emplearse en cuadros y paneles de medida y control, son de pequeñas dimensiones y van encapsulados en plástico o embebidos en resina.

Values under 1000 V are considered low voltages. Accordingly, L.V. Instrument Transformers require a limited insulation, usually dry, and formed by sheets of paper or polymers. These I.T.s are found in control and measurement panels, they are small sized and encapsulated in plastic or resin.

T.T. Baja Tensión. / V.T. Low Voltage.

T.I. Baja Tensión. / C.T. Low Voltage.

Grupo aparte forman los T.I.(Transformadores de Intensidad) que se ubican dentro de los pasamuros aisladores de porcelana de las bornas de los transformadores de potencia. Sus dimensiones toroidales relativamente grandes, dependen del tamaño y la tensión del transformador de potencia, cuyo aislamiento exterior lo realiza el propio pasamuros de la borna. Así se ahorra en espacio y en aislamiento, ya que el aislamiento que estos transformadores llevan de fábrica es de B.T.

The current transformers used in the porcelain bushings of power transformers are considered as a separated group. These are ring-type transformers, whose dimensions depend on the power transformer’s size and voltage level. The outer isolation of these transformers is the porcelain bushing of the power transformer itself, and therefore, they are manufactured with low voltage isolation, saving space and isolation.

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Hemos comentado ya (4.2.2.) los T.I.(Transformadores de Intensidad) que se colocan en las subestaciones blindadas con aislamiento gaseoso de SF6. El diámetro interior suele ser muy grande en estos casos, pues deben abarcar toda la tubería externa por lo que se encarece el aparato. Aún así son interesantes ya que su construcción es muy sencilla y su aislamiento mínimo.

As mentioned in point 4.2.2., current transformers placed in gas insulated switchgears (G.I.S.) are quite big. Even though this makes these transformers more expensive, they are still of interest due to their simple manufacturing and minimum insulation needs.

4.3.2. Transformadores de medida para Media Tensión.

4.3.2. Medium Voltage Instrument Transformers.

Al intervalo de tensiones comprendido entre 1 y 72,5 kV lo denominamos M.T.(Media Tensión). Es una clasificación algo arbitraria, pero coincide en líneas generales con las tensiones empleadas en la distribución de energía eléctrica. Es una clasificación operativa que va cambiando de acuerdo con los usos del mercado a medida que se van elevando las tensiones de distribución.

Voltages from 1 to 72,5 kV are considered medium voltages. This is an arbitrary classification, but it mainly matches the voltages used in energy distribution. The classification is modified according to the market trend, which shows an increase in the voltage level used for energy distribution.

En general se pueden considerar los siguientes escalones de tensión: 7,2 - 12 - 17,5 - 24 - 36 - 52 y 72,5 kV.

In general we can consider the following range of voltages: 7,2 - 12 – 17,5 – 24 – 36 – 52 and 72,5 kV.

Es en M.T. donde fundamentalmente se emplean los aparatos de interior. Se tiende a ahorrar espacio al máximo y se usan por ello T.T.(Transform a d o res de Tensión) tipo V. Los aparatos suelen disponerse en celdas prefabricadas de distribución y medida buscando al máximo la compacidad. Por esta razón se modifican a menudo las formas exteriores de los bornes primarios de acuerdo con los deseos del cliente.

Instrument Transformers used for this voltage range are mainly indoor transformers. As the main target is to save space, the voltage transformers are V-type. The equipment is placed in metal enclosed cubicles, searching for the maximum compactness, and as a result, the primary terminals are modified in order to meet the customer requirements.

En los aparatos para exterior de M.T. se ha introducido el uso de la resina cicloalifática (en Europa no muy bien aceptada) como alternativa a la porcelana. La seguridad y robustez de diseño se busca insistentemente junto con la economía.

In outdoor M.V. instrument transformers, cyclo-aliphatic resin has been introduced as an alternative to the porcelain insulator, though this is not widely accepted in Europe. The design of these transformers looks for the maximum safety, sturdiness and economy.

Se emplean T.I. tipo pasamuros tanto interior-interior como interior-exterior o exterior-exterior. Sin embargo, no suelen emplearse ni T.C.M.(Transformadores Combinados de Medida) ni T.T.C.(Transformadores de Tensión Capacitivos) por no resultar económicos.

Wall bushing type C.T.s are used for indoor-indoor, indooroutdoor and outdoor-outdoor installation, but Combined or Capacitive Voltage Instrument transformers are not used, as they are uneconomic.

4.3.3. Transformadores de medida para Alta Tensión.

4.3.3. High Voltage Instrument Transformers.

Las tensiones superiores a 72,5 kV se llaman A.T.(Alta Te nsión). Coinciden generalmente con las tensiones empleadas en el transporte de energía eléctrica. De forma general se pueden considerar los siguientes escalones: 100 - 123 - 145 - 170 - 245 - 300 - 362 - 420 - 525 y 765 kV.

The designation of High Voltage is mainly for voltages over 72,5 kV, used for energy transmission. The most common values are: 100 - 123 - 145 - 170 - 245 - 300 - 362 - 420 - 525 - 765 and 1000 kV.

Según se van empleando tensiones mayores para el transporte se suele hablar de Muy Altas Tensiones (M.A.T.) y Extra Altas Tensiones (E.A.T.). Hasta hace unos años 420 kV era E.A.T.; ahora podrían considerarse así 525 kV y 765 kV. Estas clasificaciones son puramente orientativas y a veces algo desorientadoras. Donde sí puede establecerse cierta generalidad es en que las tensiones de transporte son de A.T. Todos los T.T.(Tr a n s f o rm a d o res de Tensión) empleados en A.T.(Alta Tensión) son de tipo U. Los T.C.M.(Transformadores

The highest voltages are known as Ver y High Voltage or Extra High Voltage. Some years ago 420 kV was considered as V.H.V., but nowadays this classification is given to 525, 765 and 1000 kV, classification that we should be taken just as a guideline. All voltage transformers used for H.V. are U-type transformers, and installing combined or capacitive voltage transformers is wor th only in some occasions. Furthermore, almost all H.V. instrument transformers are post-type transformers, with porcelain insulator suitable for outdoor installation.

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Combinados de Medida) y T.T.C.(Transformadores de Tensión Capacitivos) sí que resultan rentables en algunos casos. Casi todos los aparatos son de tipo columna y llevan aislador exterior de porcelana. Casi todos los T.M.(Transformadores de Medida) de A.T. son de tipo exterior. Sólo se fabrican para interior aparatos para Laboratorio o para subestaciones blindadas. Los de laboratorio son prácticamente iguales que los normales, pero generalmente se sustituye el aislador de porcelana por un tubo liso de baquelita. En las subestaciones blindadas se suelen distinguir dos casos en la actualidad: aislamiento del T.T. con aceite o aislamiento del T.T. con el mismo SF6 de la instalación. Dado que lo normal es aislar los T.T. de A.T. con aceite, suele tomarse uno de estos y enchufarlo a la instalación blindada aislada con SF6, separándolo de ésta mediante un cono de resina. Como las tensiones son muy elevadas es difícil realizar programas de aislamiento suficientemente compactos, de forma que en el caso de los T.T. es común acudir a la fabricación de bobinas en cascada, con lo que cada una de ellas lleva sólo el aislamiento correspondiente a una fracción de la tensión total. Es muy común emplear dos o cuatro bobinas. Los T.I.(Transformadores de Intensidad) no tienen este problema porque la tensión se establece entre los bobinados primario y secundarios, y no entre extremos de un mismo arrollamiento. Los secundarios se agrupan entonces en una caja metálica que se aísla del primario mediante papel impregnado en aceite. Las tomas secundarias de B.T.(Baja Tensión) salen de la caja y llegan hasta el bloque de bornes a través de un tubo metálico. Este tubo lleva un aislamiento en pasamuros condensador de papel más aceite con pantallas metálicas. 5. EXIGENCIAS QUE LA INDUSTRIA IMPONE A LOS TRANSFORMADORES DE MEDIDA. Los T.M.(Transformadores de Medida) se fabrican de forma industrial y para satisfacer necesidades de la industria. Son pues los usos, necesidades y posibilidades industriales, y no meros planteamientos teóricos, los que determinan sus formas y características constructivas y las prestaciones que alcanzan. El compromiso entre necesidades y posibilidades industriales toma la forma de normas y especificaciones que se redactan de común acuerdo entre usuarios, fabricantes y algunas entidades de tipo corporativo que asumen el papel de árbitro. Al ir coordinándose los mercados, cada vez más se ejerce una fuerte tendencia hacia la unificación progresiva de las normas. 26

Indoor installation H.V. Transformers are specially manufactured for Laboratories or gas-insulated switchgears (G.I.S.). The instrument transformers used in Laboratories are identical to the common ones, usually substituting the external insulator for a Bakelite tube. As the voltages involved in the manufacturing of H.V. equipment are ver y high, usually cascade type voltage transformers are used. In this case, the voltage is distributed between two or four windings. Current transformers do not offer this disadvantage, because the voltage is established between the primary and secondar y windings and not between the ends of the same winding. The secondaries are assembled in a metallic box, isolated from the primary by oil impregnated paper. The secondar y low voltage outputs are guided through a metallic tube to the secondary terminal box; this tube is insulated by an oil + paper capacitor wall with metal foils. 5. INDUSTRY REQUIREMENTS FOR INSTRUMENT TRANSFORMERS. I.T.s are manufactured on an industrial scale to meet industrial needs. Their construction and performance characteristics are therefore determined not by theory, but by the industry requirements and possibilities. The compromise between industrial requirements and possibilities leads to standards and specifications, drawn up by common agreement between users, manufacturers and corporate bodies which act as arbitrators. As co-ordination between markets increases, the tendency for standards to converge becomes stronger. 5.1. Electrical Requirements. 5.1.1. Accuracy. Accuracy is the main requirement made to I.T.s. As mentioned before, there is a "toll" to be paid for electromagnetic conversion of energy: the losses in the iron. Furthermore, the current flowing through the conductors causes additional losses, known as the Joule effect. Due to these losses, there is a difference in the incoming and the outgoing energy, which means that an error is induced. Since voltage and current are vectorial in nature, the error is also vectorial; i.e. there is an error in modulus and an error in magnitude. These are referred to as ratio and angle errors, respectively. Not all measurements in electrical networks are of the same type or have the same degree of significance; therefore, not all have the same degree of accuracy. The highest accuracy is required for laboratory measurements

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5.1. Exigencias eléctricas. 5.1.1. Respecto a la precisión. La precisión es la propiedad principal que se pide a los T.M.(Transform a d o res de Medida). Quedó dicho que el empleo de la conversión electromagnética de energía tiene pérdidas en el hierro a las que se añaden las pérdidas en el cobre, es decir, las pérdidas que se producen por efecto Joule en los conductores al paso de la corriente. Estas pérdidas son las causantes de que no salga todo lo que entra, es decir, que se produzca un erro r. Como las magnitudes eléctricas medidas, tensión e intensidad, tienen carácter vectorial, el error es también vectorial, esto es, que hay error en módulo y en argumento. Solemos denominarlos erro res de relación y de ángulo respectivamente.

Diagrama Vectorial del Circuito Equivalente / Vectorial Diagram of the Equivalent Circuit

Las medidas que se efectúan en las redes eléctricas no tienen todas igual carácter ni significación, de modo que en todas ellas no se necesita el mismo grado de precisión. Las medidas de laboratorio, para investigación y control, y las medidas para contaje, con fines estadísticos y de venta de energía, son las más precisas. Se realizan luego contajes y medidas que sir ven para controlar procesos, y por último otras cuyo fin es solamente dar una idea más cualitativa que cuantitativa de conjuntos de procesos en curso. Atendiendo a cada división en lo que respecta a las necesidades, teniendo en cuenta las posibilidades que permiten los materiales y métodos de fabricación actuales, los errores se cuantifican usualmente como sigue: entre 0,1% y 0,2% para la primera categoría de medidas citada. El error admitido en la segunda se suele escoger del 0,5%; y entre el 1% y 3% para la tercera, en lo que a módulo o error de relación se refiere. En lo tocante a error de ángulo, los valores correspondientes a las categorías citadas van desde 5 minutos a 1 grado.

(research and control) and metering (statistical and energy sales purposes). After these come process control metering, and finally measurements intended merely to give a more qualitative than quantitative idea of a series of ongoing processes. With today’s materials and manufacturing methods, the ratio errors usually considered for the three types of measurement range between 0.1 – 0.2 % for the first type, 0.5 % for the second, and 1 – 3 % for the third. The angle errors are between 5 minutes and 1 degree. The growth of electrical grids, together with the rising demands for electric power in industrially developed countries, increased the needs to protect these networks against anomalies. Many of the measurements taken were used to determine whether relays and other protective devices should be activated. This field has become more and more specialized, with specific requirements being made of I.T.s. These requirements have nothing to do with greater accuracy (it is enough if errors are within

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Al ir aumentando las redes eléctricas en tamaño y complejidad y, a un tiempo, tomando más importancia la energía eléctrica en las comunidades más desarrolladas industrialmente, el capítulo dedicado a la protección de dichas redes frente a funcionamientos anómalos fué creciendo también. Así es que muchas de las medidas eléctricas realizadas tenían como fin alimentar relés y otros instrumentos de protección. Poco a poco este campo fué especializándose y dando lugar a unas exigencias específicas impuestas a los T.M. y que se dirigían no tanto a pedir más precisión, basta con que el error se mantenga dentro de las categorías segunda y tercera mencionadas, sino más bien a asegurar la transmisión rápida y fidedigna de los fenómenos anómalos que tenían lugar. Puesto que los fallos que se dan comúnmente en las redes eléctricas traen como consecuencia la aparición de sobreintensidades y sobretensiones, a veces tan elevadas que pueden causar la saturación del núcleo de hierro del T.M., una preocupación importante en los T.M. dedicados a protección es evitar esta saturación. Al saturarse el núcleo, la salida secundaria del T.M. ya no se mantiene semejante en su forma y tamaño a la entrada, de modo que las protecciones montadas en el secundario no ven lo que realmente está ocurriendo en el primario, o sea en la red. Las protecciones deben decidir si actuar o no comparando las condiciones anómalas que detectan con las condiciones normales previsibles de trabajo, para poder decidir si es que se trata o no de un fallo. Para eso necesitan una información fidedigna de las señales primarias, aunque éstas sean muchas veces mayores que las normales de trabajo para las que está diseñado el sistema. El sistema de distribución de energía eléctrica actualmente en uso se fundamenta en mantener lo más constante posible la tensión, para lo que, en función de la potencia generada y absorbida, varía la intensidad. Este sistema implica que las variaciones de tensión nunca serán demasiado grandes, como mucho en el orden del doble de la nominal; pero sí que podrán serlo las variaciones de intensidad, hasta más de mil veces la nominal en algunos casos. Por eso el comportamiento de los T.T.(Transformadores de Tensión) y de los T.I.(Transformadores de Intensidad), en lo referente a protección, difiere bastante. En los T.I. se define el factor límite de precisión, que indica las veces que la intensidad primaria a medir puede llegar a ser mayor que la nominal, debiendo mantenerse en dicho intervalo los límites de error impuestos; esto es, sin que llegue el núcleo a su saturación. En los T.T. cuando se prevé su conexión a redes en que pueden darse casos de faltas que tengan como consecuencia sobretensiones, se exige que puedan sopor tar 28

Puente de medida de la precisión de los T.I. Measuring bridge for C.T. accuracy

Errores límite admitidos (relación y ángulo) según clases de precisión y/o norma. Accuracy limits admitted (ratio and phase errors) versus accuracy classes and/or standard.

the ranges given above for types two and three) but rather with ensuring rapid, reliable reporting of any anomaly. Failures in electrical networks usually entail current or voltage overloads, which are sometimes large enough to saturate the iron core of an I.T. A major concern in protection I.T.s is, therefore, the prevention of saturation; when this happens, the secondar y output of the I.T. is no longer similar to the input in form and size, and the protective devices mounted on the secondary cannot see what is really going on in the primary (i.e., in the grid). Protective devices must compare the detected anomalous conditions with normal foreseeable working conditions so that they can determine whether there has been a failure. To act they need reliable information of primary signals, even if these are much higher than the normal working signals for which the system is designed. Currently, the electricity distribution system is based on maintaining voltage as constant as possible, while the current varies depending on the power generated or consumed. This means that voltage variations shall not be too big (no more than double the rated level), but current variations may be much larger (up to one thousand times the rated level in some cases). V.T.s and C.T.s behave, therefore, quite differently as regards protection.

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1,5 ó 1,9 veces la tensión nominal durante algún t i e m p o , que puede llegar a ser de 8 horas, manteniendo la precisión. Esto se exige porque, a diferencia de los T.I., en los que las faltas de sobreintensidad se procura por todos los medios que tengan muy cor ta duración, hay veces que se mantiene la falta de sobretensión durante períodos relativamente prolongados por conveniencias de explotación. Este fenómeno de la saturación del núcleo, que no es favorable en el caso de protecciones, como acabamos de ver, sí que resulta interesante si es que se trata de un T.M.(Transformador de Medida) al que van a ir conectados aparatos de medida. Ya comentamos que los aparatos de medida son pequeños y relativamente poco robustos. Normalmente no tienen problema en aguantar el doble de su tensión nominal, pero desde luego se resienten y estropean si la intensidad es muchas veces superior a la de diseño. Entonces lo que se hace es diseñar el T.I. de tal modo que su núcleo se sature cuando la intensidad crece por encima de un determinado número de veces la nominal; 5 ó 10 veces suele ser. Así ocurre que aunque la intensidad primaria siga creciendo, al estar saturado el núcleo, su valor reflejado en el secundario apenas crece, y los aparatos conectados a él quedan protegidos. Al número de veces la nominal que puede alcanzar la intensidad primaria antes de que deje de crecer con ella la intensidad secundaria, o sea, antes de que entre el núcleo en saturación, se llama factor de seguridad.

In C.T.s the accuracy limit factor must be defined, indicating how many times greater than the rated level the primary current to be measured can be – e.g. 10, 15, 20, etc. The error limits imposed must be kept below this limit; i.e. the core must not reach saturation point. When V.T.s are to be connected to networks in which failure resulting in overvoltages may occur, they are required to suppor t 1.5 or 1.9 times their rated voltage for up to 8 hours with no loss of accuracy. This is because it may be necessar y for operational reasons to allow the overvoltage situation to continue for relatively long periods (whereas in C.T.s all possible efforts are made to minimize the duration of overcurrent failures). Core saturation is not favourable in protective devices, but may be of interest in I.T.s to which measuring devices are connected. As already mentioned, measuring devices are small and fairly fragile, able to handle normally twice their rated voltages with no problems, but can be damaged by currents much greater than those for which they are devised. C.T.s are therefore designed so that their cores saturate when the current reaches a multiple of the rated level, usually 1 or 5. Even if the primary current continues to increase, once the core is saturated, the level in the secondary hardly rises at all and the devices connected to it are therefore protected. The number of times that the primar y current can surpass the rated level before the secondary current ceases to increase (i.e. before core saturation) is known as the safety factor.

Comparación respuesta de un T.I. sin saturar y saturado. / Comparision between responses from a C.T. without and with saturated core.

La precisión exigida a los T.M.(Transformadores de Medida) se comprueba en todos y cada uno de los que salen de fábrica. Es la cualidad que justifica el uso del T.M. y por ello se debe estar absolutamente seguro de que la cumple. Se trata por eso de un ensayo de rutina o comprobación individual.

All I.T.s are checked before leaving the factory to ensure that they meet accuracy requirements, as this is their main asset. This is why the accuracy test is considered a routine test.

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5.1.2. Respecto a otras solicitaciones eléctricas.

5.1.2. Other Electrical Stresses.

A la vista de las solicitaciones a que previsiblemente va a verse sometido hay diferentes ensayos que se le aplican además de los de precisión. No todos los aparatos se ven sometidos a estos ensayos, solamente si es que es pre v isible que vaya a estar expuesto a las condiciones que se pretende simular. Así, p.e., un aparato que va a utilizarse como patrón en un laboratorio no se ensayará a onda de choque, pues no es previsible que vaya a caerle un rayo.

Apart from performing their main function properly, I.T.s must be suitable for their final location. Various additional tests can be performed, depending on the stresses they may have to suffer. These tests are not run on all the devices, but only on those which may have to withstand the situation simulated in each case (e.g. a device which is to be used as a laboratory re f e rence pattern is not shock wave tested because it is not expected to be struck by lightning).

Que un T.I.(Transformador de Intensidad) deba sopor tar más de una vez la corriente de cortocircuito a lo largo de su vida útil es fácilmente previsible. Las consecuencias térmicas y dinámicas que se desprenden darán lugar a diferentes ensayos. Se verán más adelante.

C.T.s may well have to withstand short-circuit currents more than once in their lifetime. The thermal and dynamic consequences of this are the subject of several tests, as will be seen below.

Aunque las redes eléctricas actuales están previstas para funcionar a valores de tensión muy cercanos al nominal, hay veces en que pueden llegar a ponerse a un valor casi doble que aquél durante distintos períodos de tiempo. La magnitud de la tensión alcanzada y del período de tiempo a considerar variará en las diferente explotaciones y circunstancias. Por eso al diseñar los T.M. se les dota de un aislamiento superior al requerido por el valor nominal de su nivel de tensión. En las diferentes normas se ha llegado a unos valores de tensiones generalmente aceptados para la prueba del poder dieléctrico de los aparatos. Esta comprobación se realiza de manera individual en cada uno de los T.M. durante un corto período de tiempo, generalmente un minuto. Así, la prueba de rigidez dieléctrica entre las diferentes partes de un T.M., constituye un ensayo de rutina: Secundario frente al primario, cada uno de ellos frente al núcleo y a tierra o partes metálicas del aparato. Análogamente se procede si hubiera más de un secundario.

Present day electric networks are designed to operate at the rated voltage, but occasionally twice this value may be reached and maintained for varying periods. The voltage reached and the time to be considered vary according to use and circumstances, so I.T.s are designed with more insulation than required for their rated voltage. The different standards in force lay down generally accepted voltage levels for testing the dielectric power of devices. These tests are run on each individual I.T., generally for one minute. The determination of the dielectric strength between the different parts of an I.T. (the level of insulation separating them) is a routine test run between secondary and primary, between each of them and the core, and finally between each of them against earth or the metal par ts of the device. The process is repeated if there is more than one secondary.

Generador de impulsos de choque y maniobra. Lightning and switching impulse station Impulso tipo rayo. Lightning impulse.

Según los materiales y procesos de fabricación que se empleen resulta que el envejecimiento de ellos y la pérdida de características del T.M. será más o menos rápido. 30

Different materials and manufacturing processes lead to different rates of ageing and loss of characteristics in I.T.s (i.e. devices which are properly insulated may remain that way for a long time or may just as well lose their dielectric properties quickly).

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Esto es, que aunque en un principio aíslen bien, luego puede ser que sigan aislando durante mucho tiempo o que pierdan su poder dieléctrico en corto plazo. Se ha comprobado que la rapidez de envejecimiento depende mucho de la homogeneidad conseguida, tanto en el propio material empleado, como en la forma en que se ha dispuesto al fabricarlo, como en las condiciones electromecánicas a que se halla sometido.

Ageing has been proved to depend largely on the degree of homogeneity of the material, how it is manufactured and the electromechanical conditions to which the unit is exposed. Materials must therefore be carefully selected on the basis of predetermined quality, uniformity and purity. This applies to resins, paper, oil, tapes, conductors, magnetic plate, etc.

Así es que la selección de los materiales empleados debe hacerse con gran cuidado exigiendo la máxima calidad, uniformidad y pureza: resinas, papel, aceites, cintas, conductores, chapa magnética, etc.

0.6

0.8 0.7

0.9

0.9

0.8

0.5

0.4

0.7

0.6

0.5 0.3

0.4 0.3

0.2

0.2

0.1

Laboratorio de ensayos de materiales. Materials tests laboratory.

Además se pone buen cuidado en la fabricación para conseguir buen centrado, uniformidad de aprietes, temperaturas homogéneas en los tratamientos, eliminación de la humedad, impregnación total y bien repartida; mediante una manipulación cuidadosa y el empleo del vacío para secar e impregnar. Desde el diseño se tiene ya en cuenta esta exigencia, dando a las superficies determinadas formas bien estudiadas para que el reparto de los campos eléctrico y magnético sea homogéneo y uniforme dentro de unos valores adecuados. Se prevé además la imposibilidad de encontrar materiales económicamente perfectos y así, p.e., se aplican varias capas de papel, en vez de una sola de grosor equivalente, para que los pequeños gránulos e imperfecciones que tenga éste no coincidan y no vayan por eso de parte a parte de la capa. Si es que no se consigue buena uniformidad resulta que, al aplicar tensión, el campo eléctrico se distribuye desigualmente, solicitando más a unas zonas que a otras. En las zonas no homogéneas, inclusiones granulares en el papel, pequeñas burbujas de gas en la masa de resina,

0.1

Campo eléctrico en un T.I. Electrical field in a C.T.

Care must also be taken when manufacturing to ensure good centring, uniform tightness, consistent treatment temperatures, elimination of moisture and complete, properly distributed impregnation. Careful handling and the use of vacuum for dr ying and impregnation achieve this. These requirements are taken into account from the design stage, and surfaces are designed with carefully studied shapes to ensure an even distribution of electrical and magnetic fields at suitable levels. As perfect materials cannot be procured, various layers of paper are applied instead of a single layer of the same thickness to avoid any possibility of granules or imperfections reaching from one side to the other. If this uniformity is not achieved, when voltage is applied the magnetic field will be unevenly distributed and some areas will be under more stress than others. In uneven areas, granular inclusions in paper, small gas bubbles in

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vapor de agua ocluido y similares, se producen pequeñas descargas que van disgregando y estropeando el dieléctrico y eliminando su rigidez.

resin, occluded water vapour, etc., can cause small discharges which break up and damage the dielectric and destroy its proper ties.

En las normas y especificaciones se proponen diversos p rocedimientos para detectar estas descargas nocivas y se determina la magnitud que pueden alcanzar sin dar lugar a un envejecimiento prematuro del T.M.(Transformador de Medida). A este ensayo, que da idea de la calidad del aislamiento, se le denomina de “descargas parciales”.

Standards and specifications propose various ways of detecting these harmful discharges, and limit the magnitude they can reach without causing premature ageing in the I.T.s. The test which gives an idea of insulation quality is referred to as "partial discharge test".

Metal or carbon Dielectric Cavity Metal or carbon

Dieléctrico con defecto (cavidad). Defect in a dielectric (cavity)

Representación típica de las descargas parciales. Formalised discharge pattern.

La caída de rayos es relativamente frecuente en las líneas aéreas que componen las redes de transporte y distribución de la energía eléctrica. El rayo es una descarga eléctrica de muy elevada tensión, muchos millones de voltios, pero poca energía. Si cae sobre una línea se propaga a lo largo de ésta, a veces durante considerables distancias. Si una onda de tensión de tipo rayo atraviesa un T.M. supone para su aislamiento un enorme esfuerzo que dura muy poco tiempo. Por eso se pide que los T.M. puedan soportar una cierta cantidad de rayos siempre que estos no tengan un valor de tensión exagerado.

Overhead electricity transport and distribution lines are struck by lightning fairly frequently, which entail ver y high voltages (many millions of volts), but little energy. When they strike a line, they extend along it, sometimes for considerable distances. If a lightning-type voltage wave goes through an I.T., the insulation suffers an enormous stress for a ver y short period. This is why I.T.s are required to withstand a certain number of lightning strikes, provided the voltage involved is not extremely high.

Las diferentes normalizaciones establecen como ensayo tipo el someter a un determinado número de ondas de choque, de polaridad, forma y magnitud definidas, a los T.M.(Transformadores de Medida). Decimos “ensayo tipo” cuando no se realiza en todos y cada uno de los aparatos, sino solamente en uno de cada tipo, pensando que, si la fabricación y el diseño han sido similares, todos tendrán parecidas características.

The type tests laid out by the different standards require the I.T.s to undergo a set number of shock waves with predefined polarity, form and magnitude. By "type test" we mean a test not performed on all devices but only on one of each type, in the belief that if they are designed and manufactured similarly, they should all have similar characteristics.

A veces algunas normas (VDE alemana e IEEE estadounidense, p.e.) se establecen ensayos con onda de choque cor tada a fin de distinguir entre el comportamiento del aislamiento interno del aparato y el comportamiento del aislamiento externo.

Some standards (German VDE and US ANSI, for instance) establish tests with a chopped impulse wave in order to distinguish between the behaviour of the external and the internal insulation of a device.

En determinados casos se pide la realización de este ensayo bajo lluvia para acercarnos más aún a las peores condiciones que puedan darse en la práctica.

In some cases this test must be carried out in the rain, to simulate the worst circunstamces which may prevail in actual conditions.

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También las maniobras de apertura y cierre de interruptores dan lugar en las redes de A.T.(Alta Tensión) a sobretensiones transitorias parecidas a las que producen los rayos, pero con más energía que disipar. Así es que hay veces que también se pide como ensayo tipo el ensayo a “onda de maniobra”.

The opening and closing of switches may also cause transient over voltages in H.V. networks similar to those caused by lightning, but with more energy which must be dissipated. Sometimes a switching impulse wave test is also requested as type test.

Algunos aparatos van a colocarse en lugares especialmente expuestos a caída de rayos de tensión muy elevada. Hay zonas geográficas cuya meteorología incluye un valor isoceraúnico muy alto. También hay líneas y subestaciones en que las maniobras dan lugar a ondas de tensión muy elevada. En estos casos no basta el diseño convencional del aislamiento frente a onda de choque. Entonces se recurre al empleo de explosores encapsulados o pararrayos autoválvula.

Some devices are to be installed in places particularly exposed to very high voltage lightning strikes, as the weather in some geographical areas has very high isokeraunic levels. The control operation in lines and substations may cause very high voltage waves. In all these cases conventional lightning impulse wave insulation is not enough, so encapsulated spark gaps or auto-valve arresters are used.

La particularidad de las ondas de choque tiene dos vertientes principales. La onda puede desplazarse simplemente a lo largo de la línea, con lo que causa enormes d. d. p.(diferencias de potencial) entre puntos muy próximos entre sí, dando lugar a la destrucción del aislamiento que hubiera entre estos. Es claro este problema en el caso de T.I.(Transformadores de Intensidad) donde el aislamiento que rodea al conductor primario es relativamente débil. En este caso se coloca un explosor en paralelo con el arrollamiento de modo que, calibrado a una tensión inferior a la de destrucción del aislamiento, salte una chispa exterior que consuma la mayor parte de la energía del rayo.

Lightning impulse waves involve two main problems. The wave may simply move along the line, causing enormous potential differences between points very close together, and thus destroying the insulation between those points. This might occur mainly in C.T.s whose insulation around the primary conductor is relatively weak. To prevent this, a spark gap is fitted in parallel with the winding and set for a voltage lower than the required to destroy the insulation, so that an outside spark is set off which consumes most of the energy from the lightning bolt.

La otra posibilidad es que la onda de choque se descargue a tierra desde la línea a través del T.M., destruyendo el aislamiento entre A.T. y B.T.(Baja Tensión). Se colocan en este caso descargadores exteriores que suelen adoptar la forma de cuernos. En el caso del T.T.C.(Transformador de Tensión Capacitivo) empleado como C.A.(Condensador de Acoplamiento) se recurre al empleo de pararrayos autoválvula colocados en paralelo con la bobina de drenaje.

The other possibility is that the lightning impulse wave may discharge to earth from the line through the I.T., destroying the insulation between H.V. and L.V. In this case, rod-type outside discharge units are fitted. In the case of C.V.T.s (Capacitive Voltage transformers) used as C.C. (Coupling Capacitors), auto-valve arresters are needed, fitted in parallel with the drainage coil.

Hay aún otros fenómenos eléctricos que a veces han de tenerse en cuenta y que influyen en la elección del aparato y en los ensayos a que se le somete. Así hay redes en que se produce ferrorresonancia dando lugar a importantes sobreintensidades con efectos térmicos y dinámicos similares a los de cortocircuito. Si la ubicación del T.M. va a ser a mucha altura sobre el nivel del mar hay que tener en cuenta que la atmósfera estará enrarecida y el poder dieléctrico del aire será inferior al normal, lo que motivará mayores exigencias respecto al nivel de aislamiento. Habrá similares consideraciones par ticulares a tener en cuenta en zonas costeras muy húmedas, ambientes muy polucionados, zonas muy frías o muy calientes. Todas esta condiciones anómalas afectan al normal diseño eléctrico del aparato y se suele recurrir a ensayos tipo específicos para probar su adecuación.

Even other electric phenomena may have to be considered, which can influence the choice of the device and the test it may have to go through. In some networks a ferroresonance effect is produced which causes major overcurrents with thermal and dynamic effects similar to those of a short circuit. If an I.T. is to be set up far above sea level, the rarefied atmosphere is to be taken into account, as the dielectric power of the air will be less than normal and this may cause insulation problems. Similar complications may arise in highly humid coastal areas, highly polluted areas, or ver y cold or hot areas. All these abnormal conditions are relevant for the electric design of the devices, and specific type tests are usually performed to prove suitability.

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5.2. Otros tipos de exigencias.

5.2. Other Requirements.

5.2.1. Mecánicas.

5.2.1. Mechanical.

En caso de que se dé un cortocircuito en una línea en la que esté intercalado un T.I.(Transformador de Intensidad), pasará por el primario de éste una intensidad que puede ser tremendamente elevada. La corriente, a su paso por un conductor, provoca alrededor de él un campo magnético según dijimos en 2. Al ser la corriente en el caso de cortocircuito mucho más elevada que la nominal, el campo magnético producido entonces será mucho más intenso que el habitual para el que se diseña el aparato. Un conductor introducido en un campo magnético tiende a tomar una posición espacial acorde con las líneas de campo de aquél. Si el primario del T.I. es bobinado, los campos magnéticos creados por la corriente al pasar por los lados contrapuestos de la espira se oponen y tienden a deformar ésta. Supongamos que la sujeción del primario se haya p revisto para las condiciones nominales de funcionamiento: si la corriente de cort o c i rcuito es suficientemente fuerte, la deformación será tal en la bobina primaria que ro mperá las sujeciones y destrozará el propio aparato.

If there is a short circuit in a line into which a C.T. is inserted, a very high current will flow through the transformer’s primary. When current passes through the conductor, it generates a magnetic field, as explained in point 2 above. The short circuit current is much higher than the rated level, so the magnetic field is also much more intense than that for which the device is designed. A conductor inside a magnetic field tends to take up a position in space in accordance with field lines. If the C.T. primary is wound, the magnetic fields created by the current as it passes t h rough the opposite sides of each turn, clash and tend to deform the winding. As the primary attachment system is designed for the rated operating conditions, a short circuit current strong enough may deform it to the point of bre a king its attachment and destroying the whole device.

Esfuerzos mecánicos en un transformador. Mechanical stresses on a transformer.

Esfuerzos electromecánicos en primario bobinado. Electromechanical stresses on primary winding.

Customers must therefore indicate the highest short-circuit current they expect the C.T. to suffer, so that the unit may be designed and manufactured accordingly.

Por ello el cliente debe precisar cuál será la amplitud de la corriente de cortocircuito más elevada que es previsible deba soportar el T.I. que desea adquirir, para que su diseño y construcción sean acordes a esas exigencias.

Dynamic short - c i rcuit destructive tests at the most unfavourable ratio are normally carried out on each design type stated in the catalogue, to determine the maximum number of dynamic ampere-turns that each type of C.T. can withstand without damage. This is, of course, a type test.

Normalmente, para cada tipo de aparato diseñado que se mantiene en catálogo, se realiza un ensayo destructivo de cortocircuito dinámico en la relación más desfavorable, de modo que se fijan los amperivueltas dinámicos máximos que soporta el T.I. sin estropearse. Este es, por supuesto, un ensayo tipo. En el caso de que el T.I. sea paso barra se garantiza que aguantará cualquier cortocircuito que se produzca en redes normalmente diseñadas, ya que es el conductor mismo el que crea el único campo magnético importante presente y éste no le afecta desfavorablemente a él. 34

If the C.T. is of the fixed straight bar type, it is guaranteed to withstand any short-circuit occurring in normally designed networks, as the conductor itself creates the only major magnetic field present, and this has no harmful effects on it. In outdoor facilities, conductors are suspended from insulation chains, or sometimes from I.T.s, in which case they pull h a rd on the primary terminals. Expecting these situations, type tests are also perf o rmed to determine the maximum s t resses allowed on the terminals in the different directions.

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En el caso de instalaciones a la intemperie los conductores están suspendidos de cadenas aisladoras. Hay veces que se sujetan directamente a los T.M. y ejercen un tiro importante sobre los bornes primarios de estos. También se hacen ensayos tipo sobre esfuerzos en los bornes en las diferentes direcciones para prevenir estas exigencias. Hay lugares en que la acción del viento puede ser muy importante y su empuje debe tenerse en cuenta a la hora de elegir el T.M. (Transformador de Medida). En zonas donde se producen temblores de tierra y terremotos debe preverse la adecuación del T.M. elegido para soportar también este tipo de esfuerzos vibratorios. Hay ensayos tipo adecuados a fenómenos de esta especie. 5.2.2. Térmicas. Todos los T.M. tienen pérdidas internas que se convierten en calor. Hay pérdidas por efecto Joule en los arrollamientos conductores y hay pérdidas en el hierro por corriente de Foucault e histéresis. También hay pérdidas en el dieléctrico por corriente de pérdidas; al aumentar la temperatura crecen mucho éstas y pueden llegar a ser importantes. Todo este calor que se produce interiormente, debe ser trasladado al ambiente sin que su temperatura alcance valores tan elevados como para que puedan dañarle o envejecerle prematuramente. Los T.M. se diseñan para que esto sea posible en condiciones normales de régimen nominal, e incluso bajo condiciones anómalas especificadas en normas. Habida cuenta, además, de que las condiciones ambientales exteriores pueden variar enormemente de una estación a otra y de una zona geográfica a otra. Así es que en normas se dan valores máximos y mínimos de temperatura y la altitud máxima sobre el nivel del mar. En estas condiciones se realizan ensayos tipo. En caso de cor tocircuito u otros fenómenos que produzcan fuer tes sobreintensidades, como el de ferrorresonancia, las pérdidas por efecto Joule se hacen tremendas. Si las protecciones no actúan a tiempo, el T.M. se podría quemar por calentamiento. Por tal motivo los transformadores deben soportar sin dañarse durante un corto tiempo, generalmente 1 segundo, este sobrecalentamiento, dando tiempo a que actúen las protecciones. Este efecto térmico de los cor tocircuitos e intensidades de corta duración se prevé en el diseño del aparato y se adecúa a la petición del cliente, que debe hacerlo en función de la potencia de cor tocircuito que tenga en su red. Es objeto igualmente del ensayo tipo correspondiente. La acción meteorológica es muy importante en este tema y hay un sinfín de circunstancias a tener en cuenta: lugare s muy fríos o muy calientes, grandes precipitaciones o fuerte humedad ambiente. Zonas que pasan de temperaturas

Amortiguadores / Dampers.

In locations subject to high winds, the push of the wind must be taken into account when choosing an I.T. In areas subject to earth tremors or quakes, the I.T. chosen must be suitable for the vibratory stresses caused in such circumstances. These are type tests to determine suitability in these cases. 5.2.2. Thermal. All I.T.s suffer internal losses which are converted into heat. There are losses due to the Joule effect in conductor windings and core losses due to Foucault currents and hysteresis. There are losses in the dielectric due to leakage currents. When the temperature rises these losses increase considerably and can become significant in larger I.T.s. All the heat produced in I.T.s must be transmitted to the atmosphere to prevent damages due to heating or suffer premature ageing. I.T.s are designed to do this adequately in normal running conditions and also under certain anomalous conditions specified in standards. External environmental conditions can var y enormously from one season and one geographical area to another. The maximum and minimum temperature, and maximum altitude above sea level are therefore indicated in standards. Type tests are per formed under the conditions indicated. If there are short-circuits or other events which cause heavy overcurrents, such as ferro-resonance, the losses due to the Joule effect become ver y large indeed. If the protective devices fail to act on time the I.T. will burn out. Transformers may be able to withstand such overheating without damage for a shor t time (generally one second) to give the protective devices time to cut in. This thermal effect of short-circuits in short duration currents is taken into account in design, and devices are made to suit the customer’s requirements. Customers must indicate the short- circuit power in their networks. There are also type tests for these situations. Weather effect is ver y important here, and there are many circumstances to be considered. These include v e ry hot or

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elevadísimas a otras muy frías en cuestión de horas. Lugares en que la humedad ambiente cambia desde su práctica inexistencia a valores de saturación y otras condiciones climáticas y ambientales que se deben contemplar en cada caso y según sus consecuencias sobre el normal diseño del T.M. y su comportamiento térmico. 5.2.3. Químicas y otras.

cold locations, heavy rainfall or high humidity, locations w h e re the temperature can vary from very high to very low in a matter of hours, location where the humidity varies from almost zero to saturation and many other meteoro l ogical and environmental considerations. All these must be taken into account in each case, in accord a n c e with their consequences, for the design and thermal perf o rmances of I.T.s.

Los materiales de que está 5.2.3. Chemical and Others. fabricado el T.M.(Transformador de Medida) deben The materials used to make ser resistentes a las agreI.T.s must be resistant to siones químicas del attack from chemicals in ambiente donde aquél se the environment where the ubique. La corrosión de las devices are located. The par tes metálicas en nature of aggressive subsambientes costeros, húmetances must be studied. Aletas de porcelana. / Porcelain sheds. dos, fuertemente polucioThe corrosion of metal nados y de atmósfera agrepar ts in humid, coastal siva, obliga a estudiar la areas or heavily polluted naturaleza de estos empleando inoxidables, recubrimienareas with aggressive atmospheres can make it necestos por electrodeposición -metalizado, galvanizado, crosar y to use stainless steel, electroplated coatings (metamado, imprimaciones y pinturas. lled, galvanising, chrome-plating, etc.) primers and paints.

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Se eligen cuidadosamente las resinas que han de quedar al exterior. La acción ultravioleta de los rayos solares puede afectarlas. La formación de ozono alrededor de las partes de A.T.(Alta Tensión) obliga a cuidar el que haya suficiente ventilación y que las gomas, lacas, pinturas y otros elementos no se vean degradados por su acción.

Resins used on the outside of devices must be studied carefully to determine whether the ultraviolet rays in sunlight can affect them. Ozone is formed around H.V. Parts, so sufficient ventilation must be ensured to prevent rubber, lacquer, paint and other elements from being damaged by ozone action.

La lluvia, el granizo, la nieve y el hielo forman caminos conductores sobre las super ficies aislantes de modo que se provee a éstas de aletas de formas y tamaños diferentes, de resaltes y bajorrelieves que dificulten su formación. El polvo de carbón y combinados de azufre, en zonas mineras e industriales, forman también, aliados con los accidentes atmosféricos mencionados, barros y costras conductoras que además producen agresión química.

Rain, hail, snow and ice form conductive paths over the insulator surface, so these components are made with vanes of different shapes and sizes, with ridges and depressions to hinder the formation of such paths. Coal dust and sulphur compounds in mining and industrial areas can also combine with the mentioned atmospheric conditions to form mud and chemically aggressive incrustations, too.

Las tormentas de arena abrasionan la superficie de los materiales destruyendo los tratamientos que pretenden proteger éstos, por lo que deben hacerse especiales o más gruesos.

Sandstorms abrade surfaces and destroy protective coatings, so that special or extra-thick coatings must be used.

Todas estas exigencias, bien por separado, ya juntas, obligan a estudiar cuidadosamente el diseño del T.M. para adecuarlo a su misión y su emplazamiento. Cuando las circunstancias se apartan mucho de lo común puntualizado en normas, cliente y fabricante se entienden directamente y dan lugar a unas especificaciones que contemplan una serie de ensayos especiales para el pedido concreto de que se trate, o bien forman parte del crédito que se da a una empresa en vir tud de su trayectoria en el mercado y la confianza y reputación que haya sabido acumular.

Whether they occur separately or together, these requirements mean that I.T.s must be designed with care to suit their jobs and locations. When circumstances are very different from those indicated in the standards, the customer and manufacturer must get together and draw up specifications including special tests for the specific order in question. Alternatively, this may be left in the hands of the company as a mark of the customer’s trust in its record and the reputation it has built up for itself.

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