Guía de cálculo del factor limitador de la precisión del TC

Introducción

En los sistemas de distribución de energía de media tensión, un transformador de corriente (TC) no sólo mide la corriente, sino que debe mantener la integridad de la medición incluso cuando las corrientes de fallo alcanzan 10, 20 o incluso 30 veces el valor nominal. Ahí es donde el Factor límite de precisión (ALF) se convierte en misión crítica. El ALF define el múltiplo máximo de corriente primaria nominal hasta el cual un TI mantiene su clase de precisión nominal, determinando directamente si su relé de protección recibe una señal de confianza durante un evento de falta. Para los ingenieros eléctricos que diseñan esquemas de protección y para los responsables de compras que especifican TC para subestaciones o cuadros de MT industriales, un malentendido o un cálculo erróneo del ALF puede provocar un funcionamiento incorrecto de los relés, daños en los equipos y costosos tiempos de inactividad. Esta guía desglosa la metodología de cálculo del ALF, los parámetros clave que intervienen y cómo seleccionar el TC adecuado para sus requisitos de fiabilidad de la protección.

Índice

• ¿Qué es el factor limitante de la precisión de la TC y por qué es importante?
• ¿Cómo se calcula el ALF? Explicación de la fórmula básica y los parámetros
• ¿Cómo seleccionar el ALF adecuado para su aplicación?
• ¿Cuáles son los errores más comunes en la especificación e instalación de ALF?

¿Qué es el factor limitante de la precisión de la TC y por qué es importante?

En Factor límite de precisión (ALF) es un parámetro adimensional definido en IEC 61869-2¹ que especifica el múltiplo más alto de la corriente primaria nominal al que el TC error compuesto² no supera el límite prescrito para su clase de precisión. En términos más sencillos: le indica hasta qué punto puede seguir confiando en su TC en caso de fallo.

Para los TC de clase de protección (clase 5P y 10P según la norma IEC), el error compuesto en ALF no debe superar los valores siguientes 5% o 10% respectivamente. Más allá del umbral ALF, el núcleo del TC se satura, la corriente secundaria se distorsiona y los relés de protección pueden no dispararse o, lo que es peor, dispararse incorrectamente.

Definición de los principales parámetros técnicos

• Corriente primaria nominal (I₁ₙ): Corriente nominal de funcionamiento, por ejemplo, 400A, 600A, 1200A
• Carga nominal (Sₙ): La carga nominal en VA para la que está diseñado el TC, por ejemplo, 15VA, 30VA
• Clase de precisión: 5P o 10P para TC de protección; define el error compuesto permitido
• ALF (factor limitador de precisión): Normalmente 5, 10, 20 ó 30 - estampado en la placa de características
• Factor de seguridad del instrumento (FS): Relevante para medir los TC; concepto opuesto al ALF
• Material del núcleo: Acero al silicio de grano orientado laminado en frío³ (CRGO) - determina el comportamiento de saturación
• Sistema de aislamiento: Fundición de resina epoxi, para 12 kV / 24 kV / 36 kV según IEC 60044 / IEC 61869
• Clasificación térmica: Clase E (120°C) o Clase F (155°C) según el entorno de instalación

Un TC con ALF = 20 y corriente nominal 400A mantendrá la precisión hasta Corriente de defecto primaria de 8.000 A - una especificación que debe coincidir con la corriente de cortocircuito prevista de su sistema.

¿Cómo se calcula el ALF? Explicación de la fórmula básica y los parámetros

El ALF no es una constante física fija, sino que varía en función de la carga real conectada frente a la carga nominal. Este es el aspecto más incomprendido de la especificación del TC en los sistemas de protección de MT.

Fórmula ALF básica (IEC 61869-2)

En ALF real en carga real de explotación se calcula como:

$ALF_{actual} = ALF_{rated} \veces \frac{R_{ct} + R_{burden_rated}} {R_{ct}} + R_{burden_actual}} + R_{burden_actual}}$

Dónde:

• $ALF_{rated}$ = valor ALF de placa
• $R_{ct}$ = resistencia del devanado secundario (Ω) - medida a 75°C
• $R_{burden_rated}$ = resistencia equivalente de la carga nominal a la corriente secundaria nominal
• $R_{burden_actual}$ = resistencia real de la carga conectada (relé + resistencia del cable)

Conversión de la resistencia a la carga

Para un TC con carga nominal Sₙ = 15VA en I₂ₙ = 5A:

$R_{burden_rated} = \frac{S_n}{I_{2n}^2} = \frac{15}{25} = 0,6 , \Omega$

Si la carga real conectada (bobina del relé + cable) = 0.3Ω, entonces:

$ALF_{actual} = 20 veces \frac{0,4 + 0,6} {0,4 + 0,3} = 20 veces frac {1,0} {0,7} \Aproximadamente 28,6$

Esto significa que una menor carga real aumenta el ALF efectivo - una visión crítica para los ingenieros que infradotan sus TC.

Comparación: Clases de TC de protección

Parámetro	Clase 5P	Clase 10P
Error compuesto en el ALF	≤ 5%	≤ 10%
Límite de desplazamiento de fase	±60 min	No especificado
Gama ALF típica	10-30	5-20
Aplicación	Protección diferencial / de distancia	Sobrecorriente / Fallo a tierra
Tamaño del núcleo	Mayor (menor saturación)	Compacto
Coste	Más alto	Baja

Caso de cliente - Contratista EPC, Proyecto de subestación en el Sudeste Asiático:
Un contratista especificó TC de clase 10P20 para un esquema de protección de alimentadores de 24 kV utilizando relés de distancia numérica. Durante la puesta en servicio, los ingenieros de relés descubrieron que la carga real (incluidos los tramos de cable de 40 metros) era de sólo 35% de la carga nominal, lo que elevaba el ALF efectivo a casi 34. El TC estaba técnicamente por encima de su rendimiento, pero la carga original era de sólo 35%. Técnicamente, el TC rendía por encima de su capacidad, pero el coordinación de relés⁴ hubo que revisar los cálculos basados en ALF=20. El equipo técnico de Bepto proporcionó curvas ALF recalculadas y datos actualizados de coordinación de relés, lo que evitó tener que volver a realizar un estudio de protección completo. Lección: calcule siempre el ALF real, no sólo el ALF nominal.

¿Cómo seleccionar el ALF adecuado para su aplicación?

La selección del ALF es una decisión a nivel de sistema, no sólo una elección de placa de características del TC. He aquí un enfoque estructurado utilizado en proyectos reales de ingeniería de protección de MT.

Paso 1: Definir el nivel de fallo del sistema

• Obtener el corriente de cortocircuito máxima prevista (Isc) en el punto de instalación del TC
• Calcular el ALF necesario: $ALF_{required} = \frac{I_{sc}}{I_{1n}}$
• Ejemplo: Isc = 16kA, I₁ₙ = 800A → ALF requerido = 20

Paso 2: Determinar la carga real

• Medir la carga del relé (VA o Ω de la hoja de datos del relé).
• Calcula la resistencia del cable: $R_{cable} = \frac{2 \times L \times \rho}{A}$ (cobre, 0,0175 Ω-mm²/m)
• Suma de todas las impedancias en serie del bucle secundario

Paso 3: Calcular el ALF real y verificar el margen

• Aplicar la fórmula ALF anterior
• Asegúrese ALF_real ≥ ALF_requerido × 1,1 (margen de seguridad 10% recomendado)
• Si el margen es insuficiente: aumente la clase de carga nominal del TC o seleccione un ALF de placa de características superior.

Paso 4: Hacer coincidir normas y calificaciones ambientales

• IEC 61869-2 para la protección Rendimiento del TC
• IP65 mínimo para entornos interiores de aparamenta de MT
• IP67 o IP68 para instalaciones exteriores o costeras (niebla salina según IEC 60068-2-52)
• Tensión de aislamiento: confirmar 12kV / 24kV / 36kV clase coincide con el sistema Um

Recomendaciones específicas para el ALF

• Distribución industrial de MT (6-12 kV): Clase 5P20, 15VA - para protección del motor y sobreintensidad del alimentador
• Subestación de red eléctrica (33-36 kV): Clase 5P30, 30VA - para protección de distancia y diferencial
• Recogida de VM de huertas solares: Clase 10P10, 10VA - niveles de fallo más bajos, optimización de costes
• Plataforma marina / offshore: Clase 5P20 con encapsulado epoxi, IP67, montaje antivibraciones
• Subestación subterránea urbana: TC compacto de fundición epoxi, clase 5P20, diseño de núcleo optimizado para el espacio

¿Cuáles son los errores más comunes en la especificación e instalación de ALF?

Lista de comprobación para la instalación y puesta en marcha

1. Verificar los datos de la placa de características - confirmar ALF, clase de precisión, carga nominal y Rct antes de la instalación
2. Medir la carga secundaria real - utilice un medidor de carga o calcule a partir de los datos del relé + cable
3. Recalcular el ALF real - no asumir nunca que el ALF nominal es igual al ALF de funcionamiento
4. Compruebe la polaridad - la polaridad incorrecta del TC provoca un funcionamiento incorrecto del relé diferencial
5. Realice prueba de inyección secundaria⁵ - verificar la activación del relé en los múltiplos de fallo calculados
6. Comprobar la protección contra cortocircuito - nunca abra el secundario del TC en condiciones de primario energizado

Errores comunes de especificación que hay que evitar

• ALF subdimensionado para alimentadores con alto nivel de fallo - El TC se satura durante la avería, el relé no se dispara en el tiempo requerido
• Ignorar la resistencia del cable en el cálculo de la carga - especialmente crítico para los TC situados lejos de los paneles de relés (recorridos >20 m)
• Mezcla de TC secundarios de 5A y 1A en el mismo esquema de protección - provoca un grave desajuste de la carga
• Especificación de TC de clase de medición (clase 0,5 ó 1,0) para circuitos de protección - estos tienen un elevado FS (factor de seguridad de los instrumentos) diseñado para saturarse pronto, lo contrario de lo que necesita la protección
• Sin tener en cuenta la corrección de temperatura para Rct - la resistencia del bobinado aumenta ~20% de 20°C a 75°C, lo que afecta al ALF real

Caso de cliente - Responsable de compras, ampliación de una planta industrial:
Un responsable de compras adquirió TC a un proveedor de bajo coste sin verificar los valores de Rct. El Rct declarado por el proveedor era de 0,3Ω; el valor real medido era de 0,72Ω. Esto desplazó el ALF real de los 22 calculados a 14, por debajo del nivel de fallo múltiple requerido. El ingeniero de protección lo detectó durante las pruebas de aceptación en fábrica (FAT), pero provocó un retraso de 3 semanas en la entrega de las unidades de sustitución. Bepto proporciona informes completos de las pruebas, incluida la medición Rct, las curvas de excitación y la verificación del error compuesto con cada envío de TC.

Conclusión

Acertar con el ALF es la diferencia entre un sistema de protección que funciona correctamente durante una avería y otro que falla en el peor momento posible. Para la distribución de energía de media tensión, la fiabilidad de la protección depende de un cálculo preciso del ALF utilizando valores de carga reales, no sólo datos de la placa de características. Tanto si está diseñando el esquema de protección de una subestación, especificando TC para un panel de MT industrial o revisando el sistema de captación de un huerto solar, la aplicación de la metodología ALF IEC 61869-2 garantiza que sus transformadores de corriente funcionen cuando más lo necesitan.

Preguntas frecuentes sobre el factor limitante de la precisión del TC

1. Requisitos técnicos detallados de los transformadores de medida según la Comisión Electrotécnica Internacional. ↩

2. Comprensión de la definición matemática del error total del transformador de corriente según las normas CEI. ↩

3. Exploración de las características de saturación magnética y orientación del grano de los núcleos de acero eléctrico. ↩

4. Aprender a coordinar los dispositivos de protección para minimizar el tiempo de inactividad del sistema durante los eventos de fallo. ↩

5. Procedimientos paso a paso para verificar in situ la funcionalidad de los relés de protección y la integridad de los TC. ↩