Com seleccionar transformadors amb alta precisió per a la mesura?

Comprensió de les classes de precisió dels transformadors i les normes aplicables

Desxifrant les classes de precisió dels TC: 0,1, 0,2 i 0,5 segons la norma IEC 61869-2

Els transformadors de corrent venen amb classificacions d'exactitud estàndard establertes en les directrius IEC 61869-2. Aquestes classificacions són essencialment números com ara 0,1, 0,2 i 0,5 que indiquen quina quantitat d'error es permet quan es mesura el corrent a diferents càrregues. Per exemple, un transformador de corrent marcat com a Classe 0,1 roman dins d'un marge d’aproximadament ±0,1 %, mentre que la versió de Classe 0,5 pot desviar-se fins a meitat de percentatge en qualsevol direcció. Com més baix sigui el número, millor serà, en general, l’exactitud. Les unitats de Classe 0,1 s’utilitzen normalment on el diners és el factor més important, ja que fins i tot petits errors afecten directament els càlculs de facturació. La Classe 0,2 ofereix una precisió prou bona per a sistemes de protecció importants sense suposar un cost excessiu, mentre que la Classe 0,5 funciona perfectament per a tasques habituals de supervisió. Segons les normes, els fabricants han de fer proves d’aquests dispositius en un interval que va del 5 % fins al 120 % de la seva capacitat nominal per assegurar-ne el bon funcionament en condicions reals. També han de verificar no només l’exactitud de la mesura, sinó també altres factors, com ara la seva capacitat per gestionar angles de fase i la seva resposta davant canvis en les condicions de càrrega.

Com la classe de precisió defineix l’error màxim permès en condicions nominals

La classe d'exactitud ens indica essencialment quin és l'error màxim possible (tants l'error de relació com l'error de fase combinats) quan tot és perfecte en un entorn de laboratori. Ens referim a mesuraments realitzats a la freqüència nominal, a una temperatura estàndard d'aproximadament 20 graus Celsius i quan la càrrega secundària coincideix exactament amb la que li correspon. Preneu com a exemple un transformador de corrent (TC) de classe 0,2. Aquest dispositiu mantindrà un marge d'error inferior o igual al 0,2 % només si funciona a corrent nominal complet i roman dins del rang de més o menys el 25 % del nivell de càrrega especificat. Tanmateix, les coses comencen a desviar-se força ràpidament quan entren en joc factors reals. Quan hi ha canvis en la càrrega, en els ajustos de càrrega o en les temperatures ambientals, fins i tot petites diferències respecte a les condicions ideals poden fer que l'equipament funcioni fora de les especificacions declarades per la seva classe. Si la càrrega supera les toleràncies acceptables, tota la classificació esdevé invàlida i, durant les operacions reals sobre el terreny, podrien aparèixer errors de mesura superiors al 0,5 %.

Paràmetres elèctrics clau que determinen la precisió real dels transformadors

Adaptació de la càrrega i impedància secundària: prevenció de la degradació de la precisió

Ajustar correctament la càrrega és molt important quan es parla de transformadors. Normalment, la càrrega connectada a l’enrotllament secundari és la que provoca aquells problemes d’exactitud tan freqüents en la pràctica. Si la càrrega real supera la valoració nominal en VA, les coses comencen a anar malament ràpidament. El nucli es satura, cosa que afecta tant la relació de transformació com la mesura de l’angle de fase. Prenguem, per exemple, un transformador de corrent de classe 0,5: si se li aplica una sobrecàrrega superior al 40 %, de sobte actua més aviat com un transformador de classe 0,8. I no cal oblidar tampoc la impedància secundària. Una impedància més elevada comporta caigudes de tensió majors als cables de connexió i a les bobines de relés, el que distorsiona la qualitat del senyal. Ja hem vist casos en què només un desajust del 20 % aporta aproximadament un error addicional del 0,4 % només en comptadors de facturació. Aquest tipus de desviació fa que es perdi completament la conformitat amb la classe 0,2. Per a qualsevol persona que necessiti una precisió elevada, ajustar la càrrega de forma exacta ja no és només una bona pràctica: és absolutament essencial si vol que els seus equips compleixin les especificacions de la norma IEC 61869-2 durant les condicions normals d’explotació.

Corrent nominal respecte al corrent real: linealitat i error a càrrega reduïda en els transformadors de mesura

Els transformadors tendeixen a esdevenir no lineals quan operen fora del seu rang de corrent òptim. A corrents inferiors aproximadament al 5 % del valor nominal, simplement no hi ha prou excitació del nucli, cosa que provoca errors significatius. Fins i tot aquells transformadors sofisticats de classe 0,5 poden superar, en ocasions, l’error de l’1 % quan treballen amb càrregues lleugeres. A l’extrem superior, la situació també empitjora. Un cop superem el 120 % de la capacitat nominal, es produeix la saturació magnètica, que altera completament la linealitat, fent que normalment les desviacions superin el 2 %. Prenguem com a exemple un transformador de corrent (TC) típic amb una intensitat nominal de 100 A. Funciona molt bé des d’aproximadament 10 A fins a 120 A, però si la reduïm a uns 5 A, l’error augmenta sobtadament i supera el 2 %. Per garantir una mesura precisa, els enginyers han d’escollir transformadors en què el corrent real d’operació es trobi còmodament al mig de l’interval nominal, i no només en qualsevol punt entre els valors mínim i màxim. Aquest enfocament ajuda a evitar les inexactituds molestes a càrrega reduïda i impedeix que els problemes de saturació arruïnin la integritat de la senyal.

Factors ambientals i a nivell de sistema que afecten el rendiment dels transformadors

Temperatura, freqüència i harmònics: quantificació de les desviacions respecte a la precisió ideal

Els transformadors sovint perden precisió quan són exposats a tensions ambientals i del sistema que superen àmpliament les especificades en les proves de laboratori. Quan canvien les temperatures, això afecta tant la permeabilitat del nucli com la resistència dels embobinats. Per exemple, si la temperatura augmenta només 8 graus Celsius per sobre de la gamma normal de funcionament, això accelera el procés d’envelliment de l’aïllament i provoca canvis notables en les relacions de mesura segons la norma IEC 60076-7 de 2023. Un altre problema prové de la inestabilitat de la freqüència de la xarxa, cosa força habitual en xarxes febles o sistemes aïllats. Això condueix a errors de saturació del nucli, especialment quan les freqüències baixen per sota dels nivells normals. Les distorsions harmòniques creen un altre problema complicat. Els harmònics de tercer i cinquè ordre amb una distorsió harmònica total superior al 10 % deformen realment la forma d’ona de manera que les valoracions estàndard de precisió simplement no tenen en compte. Les corrents de desplaçament de continua (DC) empitjoren encara més la situació, ja que generen magnetisme residual als nuclis, el que altera la capacitat de detectar quan les formes d’ona creuen els punts zero. Les proves en condicions reals mostren també un fet interessant: els transformadors que compleixen l’estàndard de classe 0,5 en entorns de laboratori controlats solen assolir només una precisió d’aproximadament classe 1,0 quan han de fer front a totes aquestes tensions combinades, incloent-hi la calor, les harmòniques i les variacions de freqüència. Per fer front a aquests problemes, els enginyers han de planificar amb antelació, reduint la capacitat de càrrega aproximadament un 15–20 % en instal·lacions més càlides i instal·lant filtres harmònics sempre que la distorsió harmònica total superi l’8 %.

Validació i especificació de transformadors d’alta precisió per a aplicacions crítiques

Estudi de cas: Per què un transformador de corrent de classe 0,2 va assolir una precisió de nivell 0,5 en la mesura de l’energia a subestacions

Un projecte de mesura d'energia en una subestació va trobar problemes greus d'exactitud quan un transformador de corrent (TC) de classe 0,2 va acabar funcionant només amb una exactitud de nivell 0,5. Després d’investigar-ho, vam descobrir que, de fet, hi havia tres problemes diferents al camp que no s’havien tingut en compte durant la calibració a fàbrica. En primer lloc, els nivells de distorsió harmònica van superar àmpliament el 15 % de THD a causa de totes aquelles càrregues no lineals presents, cosa que va provocar errors d’angle de fase que les proves habituals d’error de relació van passar per alt completament. A continuació, també hi havia el problema de la temperatura: l’equipament havia de suportar temperatures que variaven des de -10 °C fins a 50 °C, i això va provocar canvis en la permeabilitat del nucli que van afegir un error addicional de relació del 0,1 % sobre l’error ja especificat. I, finalment, la càrrega secundària va resultar ser de 4,5 VA, és a dir, un 40 % superior a la valoració nominal del TC de 3,2 VA. Aquesta discrepància va provocar un augment del desplaçament de fase de 0,3 graus i va afectar notablement l’exactitud global. Tots aquests factors combinats van fer que l’error total superés el límit del 0,2 %. Això ens ensenya una cosa important: el fet que un equip superi les proves de laboratori no vol dir que funcioni perfectament en condicions reals. Quan es treballa amb mesures crítiques de potència, les especificacions han de tenir en compte els perfils harmònics reals, les gammes de temperatura realistes i les mesures reals de càrrega, en lloc de basar-se exclusivament en el que apareix impressos a l’etiqueta de l’equipament.

FAQ

Quines són les classes de precisió dels transformadors de corrent?
Les classes de precisió dels transformadors de corrent, com ara 0,1, 0,2 i 0,5, indiquen l’error màxim permès dels transformadors de corrent segons la norma IEC 61869-2. Com més baix sigui el número, més precisa serà la mesura.

Per què és important l’adaptació de la càrrega als transformadors?
L’adaptació de la càrrega assegura que la càrrega del bobinat secundari del transformador coincideixi amb la seva potència nominal, evitant la saturació del nucli i mantenint la precisió.

Com afecten els factors ambientals la precisió dels transformadors?
Factors com ara els canvis de temperatura, la inestabilitat de la freqüència i les distorsions harmòniques poden reduir la precisió dels transformadors en modificar la permeabilitat del nucli i la resistència dels bobinats.