¿Cómo seleccionar transformadores de alta precisión para la medición?

Comprensión de las clases de precisión y normas aplicables a los transformadores

Interpretación de las clases de precisión de los TC: 0,1, 0,2 y 0,5 según la norma IEC 61869-2

Los transformadores de corriente cuentan con calificaciones estándar de precisión establecidas en las directrices IEC 61869-2. Estas calificaciones son, básicamente, valores numéricos como 0,1, 0,2 y 0,5, que indican el margen de error permitido al medir la corriente bajo distintas cargas. Por ejemplo, un transformador de corriente marcado como Clase 0,1 mantiene su precisión dentro de aproximadamente ±0,1 %, mientras que la versión Clase 0,5 puede desviarse hasta un 0,5 % en cualquier dirección. Cuanto menor sea el número, mayor será, por lo general, la precisión. Las unidades Clase 0,1 se utilizan típicamente donde el dinero es lo más importante, ya que incluso errores pequeños afectan directamente los cálculos de facturación. La Clase 0,2 ofrece una precisión suficientemente alta para sistemas de protección importantes sin suponer un elevado costo, mientras que la Clase 0,5 resulta adecuada para tareas cotidianas de supervisión. De acuerdo con las normas, los fabricantes deben someter estos dispositivos a ensayos en un rango que va desde el 5 % hasta el 120 % de su capacidad nominal, para garantizar su correcto funcionamiento en condiciones reales. Asimismo, deben verificar no solo la precisión de la medición, sino también otros factores, como su comportamiento frente a ángulos de fase y su respuesta ante cambios en las condiciones de carga.

Cómo la clase de precisión define el error máximo permisible en condiciones nominales

La clase de precisión indica básicamente cuál es el error máximo posible (tanto el error de relación como el error de fase combinados) cuando todo es perfecto en un entorno de laboratorio. Nos referimos a mediciones realizadas a la frecuencia nominal, a una temperatura estándar de aproximadamente 20 grados Celsius y cuando la carga secundaria coincide exactamente con el valor especificado. Tomemos como ejemplo un transformador de corriente (TC) de clase 0,2. Este dispositivo mantendrá un margen de error dentro del 0,2 % únicamente si opera a su corriente nominal completa y se mantiene dentro de un rango de más o menos el 25 % del nivel de carga especificado. Sin embargo, las cosas comienzan a desviarse bastante rápidamente una vez que entran en juego factores reales. Cuando hay cambios en la carga, en los ajustes de la carga o en la temperatura ambiente, incluso pequeñas diferencias respecto a las condiciones ideales pueden hacer que el equipo funcione fuera de las especificaciones declaradas para su clase. Si la carga supera las tolerancias aceptables, toda la clasificación pierde validez y podríamos observar errores de medición que superan el 0,5 % durante las operaciones reales en campo.

Parámetros eléctricos clave que determinan la precisión real de los transformadores

Adaptación de la carga e impedancia secundaria: prevención de la degradación de la precisión

Ajustar correctamente la carga es muy importante al hablar de transformadores. Normalmente, la carga en el devanado secundario es la que provoca esos molestos problemas de precisión que observamos en la práctica. Si la carga real supera la nominal expresada en VA, los problemas comienzan a surgir rápidamente: el núcleo se satura, lo que afecta tanto la relación de transformación como la medición del ángulo de fase. Por ejemplo, considérese un transformador de corriente de clase 0,5: si se sobrecarga más del 40 %, de repente su comportamiento se aproxima al de una unidad de clase 0,8. Y tampoco hay que olvidar la impedancia secundaria: una impedancia mayor implica caídas de tensión más elevadas en los cables de conexión y en las bobinas de los relés, lo que distorsiona la calidad de la señal. Se han registrado casos en los que tan solo un desajuste del 20 % añade aproximadamente un error del 0,4 % únicamente en contadores de facturación, una desviación suficiente para invalidar por completo el cumplimiento de la clase 0,2. Para quienes requieren una precisión rigurosa, lograr un ajuste exacto de la carga ya no es simplemente una buena práctica: es absolutamente esencial si desean que sus equipos permanezcan dentro de las especificaciones de la norma IEC 61869-2 durante condiciones normales de operación.

Rango de corriente nominal frente al real: linealidad y error a baja carga en los transformadores de medida

Los transformadores tienden a volverse no lineales cuando operan fuera de su rango de corriente óptimo. A corrientes inferiores a aproximadamente el 5 % de su valor nominal, simplemente no se produce una excitación suficiente del núcleo, lo que provoca errores significativos. Incluso esos transformadores de clase 0,5, tan avanzados, pueden superar en ocasiones el 1 % de error al funcionar con cargas ligeras. En el extremo superior, la situación también empeora: una vez que superamos el 120 % de la capacidad nominal, se produce la saturación magnética, lo que altera por completo la linealidad, provocando normalmente desviaciones superiores al 2 %. Tomemos como ejemplo un transformador de corriente (TC) típico con una relación de 100 A. Funciona excelentemente desde unos 10 A hasta 120 A, pero si la corriente cae a, por ejemplo, 5 A, el error aumenta repentinamente por encima del 2 %. Para garantizar la precisión, los ingenieros deben seleccionar transformadores cuya corriente de operación real en condiciones reales se sitúe cómodamente en la mitad del rango nominal, y no simplemente en cualquier punto entre los valores mínimo y máximo. Este enfoque ayuda a evitar esas molestas inexactitudes a bajas cargas y evita que los problemas de saturación comprometan la integridad de la señal.

Factores ambientales y a nivel de sistema que afectan el rendimiento del transformador

Temperatura, frecuencia y armónicos: cuantificación de las desviaciones respecto a la precisión ideal

Los transformadores suelen perder precisión cuando se exponen a tensiones ambientales y del sistema que superan ampliamente lo especificado en las pruebas de laboratorio. Los cambios de temperatura afectan tanto la permeabilidad del núcleo como la resistencia de los devanados. Por ejemplo, si la temperatura aumenta tan solo 8 grados Celsius por encima del rango operativo normal, esto acelera el envejecimiento del aislamiento y provoca cambios notables en las relaciones de medición según la norma IEC 60076-7 de 2023. Otro problema surge de la inestabilidad de la frecuencia de la red, bastante común en redes débiles o sistemas aislados. Esto conduce a errores de saturación del núcleo, especialmente cuando las frecuencias caen por debajo de los niveles normales. Las distorsiones armónicas generan un problema aún más complejo. Los armónicos de tercer y quinto orden superiores al 10 % de distorsión armónica total deforman efectivamente la forma de onda de maneras que las calificaciones estándar de precisión simplemente no contemplan. Las corrientes de desplazamiento de continua (DC offset) agravan aún más la situación al generar magnetismo residual en los núcleos, lo que altera la capacidad de detectar con precisión los cruces por cero de las formas de onda. Las pruebas en condiciones reales revelan también un dato interesante: los transformadores que cumplen con la clase 0,5 en entornos de laboratorio controlados suelen alcanzar únicamente una precisión del nivel 1,0 al enfrentarse a todos estos esfuerzos combinados, incluidos el calor, los armónicos y las variaciones de frecuencia. Para contrarrestar estos problemas, los ingenieros deben planificar con antelación reduciendo la capacidad de carga aproximadamente un 15 al 20 % en instalaciones con temperaturas elevadas e instalando filtros armónicos siempre que la distorsión armónica total supere el 8 %.

Validación y especificación de transformadores de alta precisión para aplicaciones críticas

Estudio de caso: por qué un transformador de corriente de clase 0.2 ofreció una precisión de nivel 0.5 en la medición de energía en subestaciones

Un proyecto de medición de energía en una subestación experimentó graves problemas de precisión cuando un transformador de corriente (TC) de clase 0,2 terminó funcionando únicamente con una precisión de clase 0,5. Tras investigar el asunto, descubrimos que, efectivamente, había tres problemas distintos en campo que no se habían tenido en cuenta durante la calibración en fábrica. En primer lugar, los niveles de distorsión armónica superaron ampliamente el 15 % de THD debido a la presencia de múltiples cargas no lineales, lo que generó errores de ángulo de fase que las pruebas habituales de error de relación pasaron por alto por completo. A continuación, también hubo un problema relacionado con la temperatura: el equipo debía soportar oscilaciones térmicas desde -10 °C hasta 50 °C, lo que provocó variaciones en la permeabilidad del núcleo y añadió un error adicional de relación del 0,1 % sobre el ya especificado. Por último, la carga secundaria resultó ser de 4,5 VA, es decir, un 40 % superior a la potencia nominal del TC de 3,2 VA. Esta discrepancia causó un aumento del desplazamiento de fase de 0,3 grados y afectó gravemente la precisión global. Todos estos factores combinados hicieron que el error total superara el límite del 0,2 %. Lo que esto nos enseña es fundamental: el hecho de que un equipo pase las pruebas de laboratorio no garantiza que funcione de forma óptima en condiciones reales. Al tratar con mediciones críticas de energía eléctrica, las especificaciones deben tener en cuenta los perfiles armónicos reales, los rangos de temperatura realistas y las mediciones reales de carga, en lugar de basarse únicamente en los valores indicados en la placa de características del equipo.

Preguntas frecuentes

¿Qué son las clases de precisión de los transformadores de corriente?
Las clases de precisión de los transformadores de corriente, como 0,1, 0,2 y 0,5, indican el error máximo admisible de los transformadores de corriente según la norma IEC 61869-2. Cuanto menor sea el número, mayor será la precisión de la medición.

¿Por qué es importante la adaptación de la carga para los transformadores?
La adaptación de la carga garantiza que la carga conectada al devanado secundario del transformador coincida con su capacidad nominal, evitando la saturación del núcleo y manteniendo la precisión.

¿Cómo afectan los factores ambientales a la precisión de los transformadores?
Factores como los cambios de temperatura, la inestabilidad de la frecuencia y las distorsiones armónicas pueden reducir la precisión de los transformadores al alterar la permeabilidad del núcleo y la resistencia de los devanados.