Sensores de Corriente Electrica
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Sensores deCorriente Elctrica
ITMantares.itmorelia.edu.mx/~talfaro
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Principiosensado decorriente
Unsensordecorrienteesundispositivoquedetectayconviertecorriente(ACoDC)aunasalidadevoltajemasfcilmentemedible,lacualesproporcionalalacorrienteatravsdeltrayectodemedicin.
Cuandounacorrientefluyeenuncableoenuncircuito,setieneunacadadevoltaje.Tambinsegenerauncampomagnticoalrededordelcablequellevalacorriente.Ambosefectossonutilizadoseneldiseodesensoresdecorriente.As,haydostiposdesensadodecorriente:directoeindirecto.
Elsensadodirectoestabasadoenlaleydeohm,mientrasqueelsensadoindirectoestabasadoenlaleydeFaradayylaleydeampere.
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Elsensadodirectoinvolucralamedicindelacadadevoltajeasociadoalacorrientequepasaatravsdelcircuito.
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Elsensadoindirectoinvolucralamedicindelcampomagnticoalrededordelconductoratravsdelcualpasalacorriente.
Elcampomagnticoesusadoparainducirunacorrienteovoltajeproporcional.
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Unacorrienteelctricagenerauncampomagnticoalrededordeunconductor.Ladireccinpuedeserdeterminadaporlaregladelamanoderecha.LaintensidaddecampoH,dadoenA/m,esdirectamenteproporcionalalacorrienteIydisminuyelinealmentecondistanciasmayoresrdeacuerdoalarelacin
Usando ladensidaddeflujomagnticoBpuedeserexpresado
Donder eslapermeabilidaddelmaterial,cercanaalaunidadparaelaireyo =4107Vs/Amesunaconstanteyeslapermeabilidaddelespaciolibre.LadensidaddecampoBpuedesermedidausandouncircuitointegradodeefectoHall.
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Campomagnticocreadoalrededordeunconductor
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Tecnologas
SensorEfectoHall.
Transformador,(usadosolamenteparacorrienteAC).
Resistencia,cuyovoltajeesdirectamenteproporcionalalacorrientequepasaporel.
Fibraptica,usandouninterfermetroparamedirelcambiodefaseenlaluzproducidoporuncampomagntico.
BobinadeRogowski,dispositivoelctricoparamedircorrientealterna(AC)opulsosdecorrientedealtavelocidad.
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RESISTENCIASSHUNT
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SensorresistivodeIntensidad(Shunt)Elmtodomssencilloparaobtenerunasealproporcionalalaintensidaddecorrienteesunaresistenciaenserie(Shunt). Laresistenciaeshmicapurayporellolatensinensusbornesesproporcionalalacorrientequecirculaporella.SeBasanenlaleydeOhm
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Consideraciones importantes
-Al insertar una resistencia en el circuito, la corriente disminuye (seintroduce un error). Para minimizar este error la resistencia debe tener un valor muy bajo prximo a los 0 ohmios.Por otra parte, un valor excesivamente bajo no proporciona una tensin fcilmente medible.En la prctica se llega a un compromiso entre ambas exigencias.Se fabrican principalmente de cobre recocido.Comercialmente se fabrican resistencias para medida de corrientes desde 1 A hasta 6000 A con una cada de tensin de 60 a 150 mV.
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- Se utilizan para todo tipo de corrientes: alterna, continua, impulsos, etc.- Cuando el circuito trabaja con tensiones elevadas es necesario realizaraislamiento elctrico entre la resistencia y el circuito en el que se realiza - Cuando la corriente es alterna se puede emplear un transformador deaislamiento.- Otra desventaja es el excesivo peso y tamao de la resistencia a altasintensidades. El peso puede alcanzar los 15 kg para una intensidad de6000 A.I
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Medicindecorrienteusandoshuntenelladoinferior(figuraizquierda)yshuntenelladosuperior(figuraderecha).
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ResistenciaShuntladoinferiordecorrienteUnaresistenciashuntconectadaenelladoinferiordecorriente,tieneunaterminalconectadaalatierradelabatera,laotraconectadaalacarga.Seutilizaunamplificadoroperacionalcondosresistenciasparaamplificarlacadadevoltajeenlaresistenciashunt.YaqueelvoltajeU2 esligeramentesuperiorquelatierradelabatera(U1),lacargatienequeserconectadausandodoscables(nosepuedeusarlatierracomn).
ResistenciashuntenelladosuperiorLacargapuedeserconectadadirectamentealatierracomndelabatera,lacualgeneralmenteestadisponiblelocalmente,porlotantoseutilizaunsolocabledeconexin.ElcircuitodemedidarequieredosresistenciasadicionalesR3 yR4 comodivisordevoltaje.Lapartemascriticadeestasolucineselajustedeoffsetylarelacinentrelas4resistenciasR1 aR4 ,tienenqueserajustadascuidadosamente.
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Aunqueessimple,elusoderesistenciasshunttienevariosproblemas:
Paraunabuenaresolucinyunaaceptablerelacinsealruido(SNR)serecomiendatenerunacadadevoltajeenelrangode100mVparacargacompleta.Estoescasi2%paraunaaplicacinde5V.Paraaltascorrientes,laresistenciashuntesusualmenteconectadapormediodetornillos.Estodaunaresistenciasinespecificarsumadaalvalordelaresistenciashunt.Unasolucinaestoesusarresistenciasmascarasdecuatropolos,dosparalacorrientealtaydosparaelvoltajedemedicin.
Ladisipacindepotencia,ejemplo: R=1mohm,I=100A.Consecuentemente,U=100mVylapotenciadisipadaesP=10W!
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Valoracin:Medicindecorrienteconresistenciashunt
Ventajas Desventajas
Facildeimplementar NohayaislamientoGalvanico
MediiciondeAC yDC Caidadevoltaje
Disipacindepotencia
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EFECTOHALL
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Introduccin
SensordecampomagnticobasadoenelefectoHall
ElefectoHallfuedescubiertoen1879porEdwinHall
Aplicaciones: Sensordecorriente SensadodePosicin/Movimiento
Edwin Hall, 1855-1938
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Cuandounconductorquellevaunacorrienteescolocadoenuncampomagntico,segeneraunvoltajeenunadireccinperpendicularaamboslacorrienteyalcampomagntico.
ElefectoHallresultadeladeflexindelosportadoresdecargahaciaunladodelconductorcomoresultadodelafuerzamagnticaexperimentadaporlosportadoresdecarga.
ElarregloparaobservarelefectoHallconsistedeunabarraplanaconductoraconduciendounacorrienteIenladireccinx.
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UncampomagnticoBuniformeesaplicadoenladirecciny.
Silosportadoresdecargasonelectronesmovindoseenladireccinnegativadelejexconunavelocidadvd,ellosexperimentaranunafuerzamagnticaFBhaciaarriba.
Loselectronesserndeflexionadoshaciaarriba,haciendoqueelflancosuperiorestecargadonegativamenteyelflancoinferiorcargadopositivamente.
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Laacumulacindecargaenlasorillascontinuahastaqueelcampoelctricoylafuerzaelctricaresultanteestablecidaporlaseparacindecargasbalanceealafuerzamagnticaenlosportadoresdecarga(Fmag =Felectric).
Cuandosealcanzaelequilibrio,loselectronesyanosondeflexionadoshaciaarriba.
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Sepuedeusarunvoltmetroatravsdelconductorparamedirladiferenciadepotencialatravsdelconductor,conocidocomovoltajeHallVH.
Cuandolosportadoresdecargasonpositivos,lascargasexperimentanunafuerzamagnticahaciaarribaq(vxB).
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Laorillasuperiordelconductorllegaaestarcargadopositivamente,dejandolaorillainferiordelconductorcargadanegativamente.
CuandosealcanzaelequilibrioentrelafuerzaelctricaqEylafuerzamagnticaqvdB,elcampoelctricoproducidoentrelacargaspositivasynegativasesreferidocomocampoHall,EH,porlotanto,qEH =qvdB.
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EH =vdB sideselanchodelconductor,elvoltajeHallVH medidoporelvoltmetroes:
ElvoltajemedidoHalldeterminalavelocidaddedesplazamientodelosportadoresdecargasiseconocendyB.
dBvdEV dHH
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Elnumerodeportadoresdecargaporunidaddevolumen(densidaddecarga),n,tambinpuedeserdeterminadomidiendolacorrienteenelconductor:
reaA=td,porlotanto:AqndBIV
AqnIv Hd
tqnBIVH
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CoeficienteHall,RH =
ElcoeficienteHallpuedeserdeterminadode
ElsignoymagnituddeRH daelsignodelosportadoresdecargaysudensidad.
Enlamayoradelosmetales,losportadoresdecargasonelectronesyladensidaddecargadeterminadadelamedidadelefectoHallconcuerdaconlosvalorescalculadosparametalesloscualesliberanunsoloelectrndevalenciayladensidaddecargaesaproximadamenteigualalnumerodeelectronesdevalenciaporunidaddevolumen.
qn1
tBIR
tqnBIV HH
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Legenda:1. Electrones
(corrientenoconvencional)2.ElementoHall,osensorHall3.Imanes4.Campomagntico5. Fuentedealimentacin
Eneldibujo"A",elelementoHallllevaalascargasnegativas(simbolizadasporelcolorazul)hacialaorillasuperiorylascargaspositivas(colorrojo)hacialaorillainferior.En"B"y"C",esinvertidayasealacorrienteelctricaoelcampomagntico,causandoquelapolarizacinseinvierta.Invirtiendoamboslacorrienteyelcampomagntico(dibujoD)ocasionadenuevoquelacarganegativaesteenlaorillasuperior.
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PrincipiodeOperacin
FuerzadeLorentz:
LaacumulacindecargaenelconductorproduceelvoltajeHall:
Ensemiconductores(InAs):
(source: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Hall_effect.png)
1. Electrons 2. Hall element, or Hall sensor3. Magnets4. Magnetic field5. Power source
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ClasificacindelossensoresdeefectoHall
Interruptores Sensores Campomagntico
absoluto Campomagntico
diferencial PropsitoEspecial
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Ventajas Desventajas
Aislamiento Galvanico Costo delconcentrador decampo
Medicion deACyDC
Nohayperdida devoltaje
Valoracin:EfectoHall
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Concentradores decampo
Losconcentradoresdecampobsicamenteconsistendeunmaterialmagnticosuave(altapermeabilidadybajaremanencia)querodeaalconductor.Sonusadosporestasrazonesprincipales:
Ladensidaddeflujoesaumentadaconlapermeabilidadefectivadelncleo.Estodajunfactordeamplificacinentre20y70.Sinconcentrador,laposicindelsensorrespectoalconductoresaltamentedependientedeladistancia..Usandounconcentradordecampo,sepuedetenerunarealimentacindecorrienteaelmismoconcentradorpermitiendosistemasdelazocerrado.
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Concentradordeflujo(azul)alrededordelconductor.SeinsertaunsensorHallenelentrehierro(izquierda).Elflujopuedeseramplificadomasusandovariasvueltasdelconductorprincipal(derecha).
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Configuracin Lazo abierto
Enlaconfiguracinlazoabierto,nohaytrayectoderealimentacin.LaseccintransversaldelncleodelconcentradordebeserporlomenosdeltamaodelsensorHallparaminimizarlasensibilidadaefectosdedesalinamientoocamposmagnticosexternos.Serecomiendaqueelreadelncleoseaeldobledeltamaodelchipsensor.
Elflujomagnticoatravsdelsensorpuedeserescritousandolaleydeampere:
Sepuedeponerenlasiguienteforma
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Sehaintroducidolapermeabilidadefectivadelarreglotoroide/entrehierroe dadocomo
paralamayoradeloscasosprcticosylapermeabilidadefectiva(ejem.Laintensidaddeamplificacindelflujo)estadadaaproximadamenteporlarazndelacircunferenciadeltoroideaelentrehierro.Conunentrehierrode1mmyundimetrodeltoroidede15mm,elfactordeamplificacinesdecercade50.Almantenerseestaaproximacin,ladensidaddeflujollegaaserindependientedelradiodelconcentradorypuedeserescritacomo:
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Usualmenteessuficientepasarelcableconductordirectamenteatravsdelconcentradortoroidalparaobtenerunaintensidaddecampomagnticosuficientementealta.Parabajascorrientes,elcablepuedeserenrolladoenmasvueltasalrededordelconcentradortoroidal,elcampomagnticoobtenidoesdirectamenteproporcionalalnumerodevueltas.Ladensidaddeflujomagnticomedidoesmultiplicadoporelnumerodevueltasdelconductorypuedeserexpresadacomo
DondeNeselnumerodevueltas.LossensoresdeefectoHalllinealesdetectanestadensidaddeflujoylasalidadelsensorestaenlaforma
DondeSeslasensibilidaddelsensoryOSeseloffset.Ambosdeestosparmetrossonprogramables.
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Configuracin Lazo CerradoEnlaconfiguracindelazoabierto,lamayoradeloserroressurgencuandoaltascorrientesgeneranaltasdensidadesdeflujomagnticoenelconcentrador.Elmaterialconcentradortienemejorespropiedadesalrededorde0mT(mejorlinealidadycomportamientoconlatemperatura),ytambinlaexactituddelsensorHallesalta.Paraevitaraltoscamposmagnticos,sepuedeescogerunatopologadelazocerradoenelcualunacorrientecontraproducentecreaunflujomagnticoopuesto.Ambosconductoreselprimarioyelderealimentacinnecesitanactuarsobreelmismoconcentrador.Usandouncircuitodecontrolapropiadolacorrientederealimentacinpuedeserescaladademaneraqueelflujomagnticoresultanteenelentrehierrollegueasercero,lasdesviacionesquesetenganapartirdeesteflujopuedensersensadasporunsensorlinealHallinsertadoenelentrehierro.LacorrienteenelsecundariopuedesermedidausandounapequearesistenciaRsens
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Configuracinlazocerradoqueincluyealconductorprimarioascomoundevanadoderealimentacinysuposiblecircuitodriver.
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Materiales concentradoresHaydiferentesmaterialesparacrearlosncleosdelosconcentradores.Laseleccinestadeterminadaporcriteriostalcomoelfuncionamientodelmaterial(remanencia),rangodecorrientemedida,formamecnicaycosto.
FerritaLasferritassonelmaterialmasbarato.Suprincipaldesventajaessualtaremanencia.Paramantenerlaremanenciabaja,esimportantetenerunapermeabilidadinicialalta.Despusdelaaplicacindeunacorrientealta,elncleomantieneunresiduodelcampomagntico,generandounerrordeoffset.Estecamporemanentepuedeserborradoconunacorrienteenladireccincontraria.Lamejorproteccincontracamposremanentesesevitarpicosdecorrientealtos.PolvosdeHierroNcleosdepolvosdehierrosepuedenusarparalamedicindealtascorrientes.Yaquesue esdecercade50%menorcomparadaconlaferritas,puedeserusadoparavaloresdecorrientearribade200A.Lae bajapermiteelusodeentrehierrospequeoslocualhacequesetengaunmejorblindajedelsensorcontracamposexternos.
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AleacionesMaterialescomoNiFe15 Moestndisponiblesenformadecintasdelgadas.PuedensermaquiladasenformancleosE.
MaterialmagnticoamorfosuaveMaterialescomoFe73 Cu1Nb3Si16B7 tienenvaloresderemanenciaextremadamentebajos.Susaturacinestaentre0.6y1T.Sur estaenelmismorangodeldelasferritas.Sinembargosusofisticadoprocesodeproduccinhacequesuseacercadetresvecesmasaltocomparadoconeldelasferritas.
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SENSORESINDUCTIVOS
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Transformadoresdecorriente(CT)Lafuncindeuntransformadoresdecorrienteeslareduciravaloresnormalesynopeligrosos,lascaractersticasdecorrienteenunsistemaelctrico,conelfindepermitirelempleodeaparatosdemedicinnormalizados,porconsiguientemseconmicosyquepuedenmanipularsesinpeligro.
Untransformadordecorrienteesuntransformadordemedicin,dondelacorrientesecundariaes,dentrodelascondicionesnormalesdeoperacin,prcticamenteproporcionalalacorrienteprimaria,ydesfasadadeellaunngulocercanoacero,paraunsentidoapropiadodeconexiones.
Elprimariodedichotransformadorestconectadoenserieconelcircuitoquesedeseacontrolar,entantoqueelsecundarioestconectadoaloscircuitosdecorrientedeunoovariosaparatosdemedicin,relevadoresoaparatosanlogos,conectadosenserie.
Untransformadordecorrientepuedetenerunoovariosdevanadossecundariosembobinadossobreunoovarioscircuitosmagnticosseparados.
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Considereunncleotoroidaldealtaatravsdelcualpasaunconductorconcorriente.Seincluyeundevanadosecundariodenvueltas.Elsecundarioesconectadoaunacargadebajaresistencia.Enestetransformadordecorriente,referidouniversalmentecomoCT,unacorrientealternaenelprimariotratademagnetizarelncleoaltratardehacerlocreaunaemfyunacorrienteenelsecundarioquetiendeacancelarelcampomagntico.Sielsecundariotieneunaresistenciacerolacorrienteenelexactamentecancelaelcampodebidoalprimario.Elresultadoesunacorrienteenelsecundarioigualalacorrienteenelprimariodivididaporelnumerodevueltasdelsecundario.Lacorrienteenelsecundarioestaenfaseconlacorrienteenelprimario.Debidoalcampomagnticodelazocerradofuertehaypocoefectodeconductorescercanosolaposicindelconductorenelagujerodelncleo.
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Eltransformadordecorriente(CT)idealestafuertementeacopladosinentrehierro.Lacorrienteenelsecundarioexactamentebalancealacorrienteenelprimariodeunasolavueltademaneraqueelflujomagnticoenelncleoescero.
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Elcircuitodelsecundariopuedeserconectadoaunaresistenciabaja.Perolaresistenciadelsecundarionoesrealmenteceroyelacoplamientomagnticonoesperfectoasquehayotrasconsideraciones:PrimeroelconceptodeBurdendelsecundarioesintroducido.Esllamadodeesaformaparaevitarllamarloloadyaquesecomportadediferentemanera;elmejorBurdenesuncortocircuito.ElBurdenesalgunasvecesexpresadocomounaresistenciadelsecundarioenohms,peromasfrecuentementecomounapotenciaequivalenteenKVAparaunacorrientedefinidasinconsideracindefase.CuandoelBurdennoesuncortocircuitoperfectolaenergaesdisipadayelcampomagnticopresenteenelncleoyanoescero.Laorienteenelsecundarioadelantaaladelprimarioconunafasequedependedelafrecuencia.
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Losfactoresquedeterminanlaseleccindelostransformadoresdecorrienteson:
EltipodeTransformadordeCorriente. Eltipodeinstalacin. Eltipodeaislamiento. Lapotencianominal. Laclasedeprecisin. Eltipodeconexin. LaCorrienteNominalPrimaria. LaCorrienteNominalSecundaria.
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TipodeTransformadordeCorriente.ExistentrestiposdeTCsegnsuconstruccin:
a) Tipodevanadoprimario.Estecomosunombreloindicatienemasdeunavueltaenelprimario.Losdevanadosprimariosysecundariosestncompletamenteaisladosyensambladospermanentementeaunncleolaminado.Estaconstruccinpermitemayorprecisinparabajasrelaciones.
b) TipoBarra.Losdevanadosprimariosysecundariosestncompletamenteaisladosyensambladospermanentementeaunncleolaminado.Eldevanadoprimario,consisteenunconductortipobarraquepasaporlaventanadeunncleo.
c) TipoBoquilla(VentanaoBushing).Eldevanadosecundarioestcompletamenteaisladosyensambladopermanentementeaunncleolaminado.Elconductorprimariopasaatravsdelncleoyactacomodevanadoprimario.
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TipodeInstalacin.Losaparatos puedenserconstruidosparaserusadoseninstalacionesinterioresoexteriores.Generalmente,porrazonesdeeconoma,lasinstalacionesdebajaymediatensin,hasta25KV.,sondiseadasparaserviciointerior.Lasinstalacionesdetipoexterioressondetensionesdesde34.5KVa400KV.,salvoenloscasosdonde,porcondicionesparticularessehaceninstalacionesinterioresparatensioneshasta230KV.Esconvenienteexaminaradems,eltipodeTCquesepuedainstalar,dependiendodelasfacilidadesdemantenimiento.
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TipodeAislamiento.Losmaterialesqueseutilizanparaelaislamientodependendelvoltajedelsistemaalquesevaaconectar,latensinnominaldeaislamientodebeseralmenosigualalatensinmaselevadadelsistemaenqueseutilice.Lostiposdeaislamientosedivideentresclases:a)Materialparabajatensin.GeneralmentelosTC'ssonconstruidosconaislamientoenaireoresinasinttica,suponindosequelocomnsonlasinstalacionesinteriores.b)Materialdemediatensin.Lostransformadoresparainstalacionesinteriores(tensinde3a25KV)sonconstruidosconaislamientodeaceiteconenvolventedeporcelana(diseoantiguo),oconresinasinttica(diseomoderno).Hayquehacernotarquelamayoradelosdiseosactualesempleanelmaterialseco,losaparatosconaislamientoenaceiteomasaaislante(compound)seutilizanmuypocoysloparainstalacionesexistentes.Losaparatosparainstalacionesexterioressongeneralmenteconstruidosconaislamientoporcelanaaceite,aunquelatcnicamasmodernaestrealizandoyaaislamientosensecoparaestetipodetransformadores.c)Materialesparaaltatensin.Lostransformadoresparaaltatensinsonaisladosconpapeldielctrico,impregnadosconaceiteycolocadosenunaenvolventedeporcelana.Esimportantedefinirlaaltituddelainstalacinsobreelniveldelmar,yaquelaspropiedadesdielctricasdelosmaterialesydelairedisminuyenconlaaltitud.Normalmentetodoslosequipossediseanparatrabajarhasta1000Mtssobreelniveldelmar,silaaltitudesmayorelniveldeaislamientodebesermayor.
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PotenciaNominal.Lapotencianominalquesedebeseleccionarparalostransformadoresdemedicin,estenfuncindelautilizacinaquesedestinaelaparato.Paraescogerlapotencianominaldeuntransformadordecorriente,sehacelasumadelaspotenciasnominalesdetodoslosaparatosconectadosalsecundario.Sedebetenerencuentaporotrolado,laimpedanciadelaslneas,silasdistanciasentrelostransformadoresylosinstrumentosdemedicin,sonimportantes.Seescogelapotencianormalinmediatasuperioralasumadelaspotencias.
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BOBINADEROGOWSKY
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Elsensordecorrienteestaconstituidoporuninductorconncleodeairedetipotoroidal,cuyasalidadetensinesproporcionalaladerivadadelacorrienteamedir,segn:
dondeMeslainductanciamutuadelarrollamiento.
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Dadaslascaractersticasmagnticasdelncleo,lacurvaderespuestaadiferenciadelhierro,esabsolutamentelineal.Noexistesaturacindelncleoporlocualpuedemedirgrandescorrientessinpreocupacinpordeformacinorotura.
LacaractersticaderivativadelasealentregadaporlabobinadeRogowskiobligaaunaintegracineneltiempoafindeobtenerunasealproporcionalalacorrienteamedir: