Cálculo de la carga secundaria del transformador de corriente

Introducción

En los sistemas de protección de media tensión, incluso un transformador de corriente perfectamente especificado puede no proporcionar señales de falta fiables si la carga secundaria está mal calculada. La carga secundaria - la impedancia total conectada a los terminales secundarios del TC - determina directamente si su TC mantiene la precisión durante las condiciones de fallo, o se satura y envía señales corruptas a sus relés de protección. Para los ingenieros eléctricos que diseñan esquemas de protección de MT y los gestores de compras que adquieren TC para subestaciones industriales o alimentadores de redes eléctricas, un cálculo incorrecto de la carga es uno de los errores de especificación más comunes y, a la vez, con mayores consecuencias sobre el terreno. Esta guía proporciona una metodología estructurada de calidad técnica para calcular la carga secundaria del TC, que abarca todos los componentes de resistencia del bucle secundario, y traducir ese cálculo en una especificación correcta del TC según la norma IEC 61869-2.

Índice

• ¿Qué es la carga secundaria del TC y qué incluye?
• ¿Cómo se calcula la carga secundaria total paso a paso?
• ¿Cómo afecta la carga secundaria a la selección de TC para la protección de MT?
• ¿Cuáles son los errores de cálculo de carga más comunes en los circuitos de protección?

¿Qué es la carga secundaria del TC y qué incluye?

La carga secundaria de la TC es la impedancia total (expresada en VA o Ω) presentada al devanado secundario del TC. por todos los dispositivos y conductores conectados en el bucle secundario. No se trata simplemente de la impedancia de la bobina del relé, sino de la suma de todos los elementos resistivos y reactivos que debe atravesar la corriente secundaria.

Por IEC 61869-2¹, la carga nominal (Sₙ) de un TI de protección se define a corriente secundaria nominal (normalmente 1A o 5A) y factor de potencia nominal (normalmente cos φ = 0,8). El TC debe mantener su clase de precisión hasta este valor de carga. Si se sobrepasa, el ALF efectivo cae, potencialmente por debajo del requisito de nivel de fallo del sistema.

Componentes de la carga secundaria del TC

La carga secundaria total comprende cuatro elementos distintos:

• Carga del relé (S_relay): El consumo de VA de todos los relés de protección conectados: sobrecorriente, fallo a tierra, diferencial, distancia. Moderno relés de protección numéricos² suelen consumir 0,1-0,5VA por fase; los relés electromecánicos pueden consumir entre 3 y 10VA
• Carga del cable (R_cable): Resistencia del cableado secundario entre los terminales del TC y el panel de relés, que suele ser el mayor componente de carga en las instalaciones de campo.
• Bloque de terminales y resistencia de conexión (R_terminal): Pequeño pero no despreciable en cadenas secundarias largas; normalmente 0,01-0,05Ω por par de bloques de terminales.
• Resistencia del devanado secundario del TC (R_ct): Resistencia interna del devanado del propio TC - no forma parte de la carga externa pero es crítica para el cálculo del ALF; se mide a 75°C según la norma IEC.

Especificaciones técnicas clave que debe confirmar

• Corriente nominal secundaria: 1A o 5A - esta elección afecta drásticamente a la carga del cable (el secundario de 5A produce 25× más caída de tensión en el cable que el de 1A para la misma resistencia).
• Sistema de aislamiento: Fundición de resina epoxi, nominal 12kV / 24kV / 36kV según IEC 61869
• Clase de precisión: 5P o 10P para circuitos de protección
• Rango de carga nominal: Valores estándar - 2,5VA, 5VA, 10VA, 15VA, 30VA
• Temperatura de funcionamiento: Clase E (120°C) o Clase F (155°C) - afecta al factor de corrección Rct

¿Cómo se calcula la carga secundaria total paso a paso?

Un cálculo riguroso de la carga secundaria sigue un proceso de cuatro pasos. Cada paso debe completarse antes de finalizar la especificación del TC; saltarse cualquiera de ellos introduce el riesgo de una especificación insuficiente.

Paso 1: Determinar la carga del relé

Obtenga el consumo en VA de las hojas de datos del fabricante del relé para cada dispositivo conectado:

$S_{relay} = \sum_{i=1}^{n} S_{relay,i}$

Convertir VA en resistencia a la corriente nominal del secundario:

$R_{relay} = \frac{S_{relay}{I_{2n}^2}$

Por ejemplo: Relé de sobreintensidad numérico = 0,3VA, relé de defecto a tierra = 0,2VA, total = 0,5VA
A I₂ₙ = 5A: $R_{relay} = \frac{0.5}{25} = 0.02 , \Omega$
A I₂ₙ = 1A: $R_{relay} = \frac{0.5}{1} = 0.5 , \Omega$

Paso 2: Calcular la resistencia del cable

Este es el paso de cálculo más crítico, especialmente para instalaciones en las que los TC están situados lejos de los paneles de relés:

$R_{cable} = \frac{2 \times L \times \rho}{A}$

Dónde:

• $L$ = longitud del cable unidireccional (metros)
• $\rho$ = resistividad del cobre³ = 0,0175 Ω-mm²/m (a 20°C)
• $A$ = sección del cable (mm²)
• Factor 2 contabiliza tanto los conductores de ida como los de vuelta

Corrección de temperatura hasta 75°C:

$R_{cable,75} = R_{cable,20} \veces [1 + 0,00393 veces (75 - 20)]$

$R_{cable,75} = R_{cable,20} \veces 1.216$

Por ejemplo: Cable de 30 m, cobre de 2,5 mm²:
$R_{cable,20} = \frac{2 \times 30 \times 0.0175}{2.5} = 0.42 , \Omega$
$R_{cable,75} = 0,42 veces 1,216 = 0,511 , \Omega$

Paso 3: Añadir terminal y resistencia de conexión

Para un circuito secundario típico con 6 pares de regletas:

$R_{terminal} = 6 \times 0.03 = 0.18 , \Omega$

Paso 4: Suma de la carga externa total

$R_{burden,total} = R_{relay} + R_{cable,75} + R_{terminal}$

$R_{burden,total} = 0,02 + 0,511 + 0,018 = 0,549 , \Omega$

Convertir a VA a la corriente nominal del secundario:

$S_{burden,total} = R_{burden,total} \times I_{2n}^2 = 0,549 \times 25 = 13,7 , VA$

→ Especifique la carga nominal del TC ≥ 15VA (siguiente valor estándar por encima de 13,7VA)

Comparación de la carga: Secundaria 1A frente a 5A

Parámetro	1A Secundaria	5A Secundaria
Resistencia del cable Impacto	Bajo (efecto I² mínimo)	Alta (25× más pérdida de VA)
Carga de relevo (VA→Ω)	Mayor Ω por VA	Menor Ω por VA
Tendido de cable recomendado	Práctico hasta 100 m	Lo ideal es mantenerlo por debajo de 30 m
Clasificación estándar de la carga	2,5VA-15VA típico	10VA-30VA típico
Tamaño del núcleo	Más pequeño	Más grande
Aplicación	Instalaciones remotas, largas tiradas de cable	Instalaciones locales de paneles

La clave: Para instalaciones de TC a más de 20 metros del panel de relés, Preferiblemente 1A de secundaria - La carga del cable en el secundario de 5A puede consumir todo el presupuesto nominal de VA antes de que el relé reciba siquiera una señal.

Caso de cliente - Contratista EPC de la red eléctrica, subestación de 33 kV:
Un contratista de EPC del sur de Asia especificó TC secundarios de 5 A para una subestación exterior de 33 kV en la que las cajas de clasificación de TC estaban situadas a 45 metros del panel de relés principal. El cálculo inicial de la carga (sólo relé) mostró 8VA, muy por debajo de la carga nominal de 15VA. Sin embargo, el ingeniero de aplicaciones de Bepto recalculó incluyendo la resistencia del cable: 45 m × 2,5 mm² de cobre a 75 °C añadían 1,23Ω = 30,7VA a la carga. La carga total superaba los 38 VA, más del doble de la capacidad nominal del TC. La especificación se revisó para que los TC secundarios 1A tuvieran una carga nominal de 15 VA, lo que resolvió el problema antes de la fabricación. Este único cálculo evitó un fallo completo del sistema de protección en un alimentador de red en tensión.

¿Cómo afecta la carga secundaria a la selección de TC para la protección de MT?

Una vez calculada la carga secundaria total, ésta influye directamente en tres parámetros de especificación del TC: la clase de carga nominal, la selección de la clase de precisión y la verificación del ALF real frente a los requisitos de nivel de fallo del sistema.

Paso 1: Seleccionar la clase de carga nominal

Seleccione siempre el siguiente valor de carga estándar por encima de su carga total calculada:

• Carga calculada = 13,7VA → Especificar 15VA
• Carga calculada = 22VA → Especificar 30VA
• Nunca especifique un TC con una carga nominal igual a la carga calculada, ya que esto deja un margen nulo.

Paso 2: Verificar el ALF real frente al nivel de fallo

Con la carga nominal seleccionada, verifique el ALF real utilizando:

$ALF_{actual} = ALF_{rated} \veces \frac{R_{ct} + R_{burden,rated}} {R_{ct}} + R_{burden,actual}} + R_{burden,actual}}$

Asegurar: $ALF_{actual} \geq \frac{I_{sc,max}}{I_{1n}} \1,1 veces$

Paso 3: Recomendaciones de carga específicas para cada aplicación

• Distribución industrial de MT (6-12 kV): 5A secundario, 15VA, Clase 5P20 - tiradas de cable cortas en paneles MCC compactos
• Subestación de red eléctrica (33-36 kV): 1A secundario, 15VA, Clase 5P30 - largas tiradas de cable a salas de relés remotas
• Captación MT Huerta Solar (33kV): 1A secundario, 10VA, Clase 10P10 - niveles de fallo más bajos, coste optimizado
• Unidad principal del anillo urbano (12kV): 1A secundario, 5VA, Clase 5P20 - TC compacto de fundición epoxi, espacio reducido
• Plataforma marina / offshore: 1A secundario, 10VA, Clase 5P20, encapsulado epoxi IP67 - entorno corrosivo

Impacto en la fiabilidad de una especificación correcta de la carga

• ✅ El TC funciona dentro de la región lineal durante el fallo → el relé recibe una señal de corriente de fallo precisa
• ✅ Disparos del relé de protección dentro de la característica tiempo-corriente correcta.
• ✅ La protección diferencial mantiene la estabilidad en los fallos de paso
• ✅ Fiabilidad del sistema y tiempo de actividad preservados en toda la gama de niveles de fallo.
• ❌ El TC sobrecargado se satura → el relé lee por debajo de la corriente de defecto → disparo retardado o fallido.
• ❌ Capacidad de carga por debajo de lo especificado → ALF efectivo reducido → ángulo muerto de protección en múltiplos de fallo elevados.

¿Cuáles son los errores de cálculo de carga más comunes en los circuitos de protección?

Lista de comprobación para la instalación y verificación

1. Medir la longitud real del cable - utilice los planos de construcción, no las estimaciones de diseño; el trazado sobre el terreno añade 15-25% a la longitud calculada
2. Obtenga la carga del relé de la hoja de datos actual - no de memoria ni de especificaciones de proyectos anteriores; los modelos de relés varían considerablemente
3. Aplicar la corrección de temperatura a Rct y a la resistencia del cable - calcular siempre a 75°C, no a temperatura ambiente
4. Cuenta para todos los bloques de terminales - especialmente en los puestos de clasificación con múltiples regletas intermedias
5. Verificar con medidor de carga durante la puesta en servicio - medir la impedancia real del bucle secundario antes de la energización
6. Comprobar las conexiones paralelas de los relés - varios relés en el mismo secundario del TC reducen la carga total pero requieren verificación individual

Errores comunes que causan fallos de protección

• Utilizando la VA de la placa de características del relé sin corrección de temperatura - la resistencia de la bobina del relé electromecánico aumenta considerablemente a temperatura de funcionamiento
• Ignorar la resistencia del conductor de retorno - con frecuencia se omite el factor 2 en la fórmula del cable, lo que reduce a la mitad la carga calculada del cable
• Suponiendo que la carga numérica del relé sea igual a la carga electromecánica del relé - Los relés numéricos consumen entre 10 y 50 veces menos VA; especificar en exceso la carga supone un derroche de costes, pero especificar en defecto para las sustituciones de relés heredados provoca errores.
• No recalcular la carga tras el traslado del panel de relés - los cambios de longitud de los cables durante la construcción son frecuentes y deben provocar un nuevo cálculo de la carga
• Especificación de la carga del TC basada únicamente en la distancia de la sala de relés - olvidar las cajas de derivación intermedias, los quioscos de clasificación y los bornes de prueba

Caso de cliente - Director de compras, planta petroquímica industrial:
Un responsable de compras de una instalación petroquímica de Oriente Medio pidió TC de repuesto basados en la especificación original del proyecto de 1995: 5A secundario, 15VA, Clase 5P20. El panel de relés se había reubicado durante una ampliación de la planta en 2018, ampliando los tramos de cable de 12 m a 38 m. Nadie volvió a calcular la carga. Tras la sustitución del TC, la protección contra sobreintensidades de un alimentador de motor de 11 kV no se disparó durante una falta de fase a fase, lo que provocó daños en el bobinado del motor. El análisis posterior al incidente reveló que la carga real era de 28,4VA, casi el doble de los 15VA nominales del TC. Bepto proporciona ahora revisión gratuita del cálculo de cargas como parte de la consulta sobre sustitución de TC, Garantizar la exactitud de las especificaciones antes de realizar cualquier pedido.

Conclusión

El cálculo de la carga secundaria del TC no es una formalidad, sino un paso de ingeniería fundamental que determina si todo el esquema de protección de MT funciona correctamente en condiciones de fallo. Al tener en cuenta sistemáticamente la carga del relé, la resistencia del cable a la temperatura de funcionamiento y la resistencia del bloque de terminales, y verificar el resultado comparándolo con la carga nominal del TC y los requisitos del ALF, los ingenieros se aseguran de que los transformadores de corriente proporcionen señales precisas y fiables cuando el sistema eléctrico más necesita protección. Para la distribución de energía de media tensión, subestaciones e instalaciones industriales, la especificación correcta de la carga es la base de la fiabilidad de la protección.

Preguntas frecuentes sobre el cálculo de la carga secundaria del TC

1. Norma internacional oficial para los criterios de rendimiento y precisión de los transformadores de corriente. ↩

2. Dispositivos digitales modernos con un consumo de VA significativamente menor en comparación con los modelos electromecánicos heredados. ↩

3. Constante física estándar utilizada para calcular la caída de tensión y la pérdida de potencia en el cableado secundario. ↩

4. Parámetro técnico que determina la capacidad del TC para mantener la precisión durante corrientes de fallo elevadas. ↩