¿Cómo leer e interpretar la curva de excitación de un transformador de intensidad para conocer el estado del transformador de medida?

La curva de excitación es la firma de diagnóstico más reveladora que puede producir un transformador de corriente y, sin embargo, sigue siendo una de las pruebas más mal interpretadas en las prácticas de puesta en servicio y mantenimiento de subestaciones de media tensión. La curva característica V-I de un TC codifica la historia completa de la salud de su núcleo magnético: integridad de la tensión en el punto de inflexión, estado del flujo residual, degradación del aislamiento e indicadores de fallo de giro a giro, todo ello visible para un ingeniero que sepa leer la forma. Para los ingenieros eléctricos, especialistas en relés de protección y responsables de compras que especifican transformadores de medida para sistemas de distribución de energía, dominar la interpretación de la curva de excitación es la diferencia entre detectar un TC defectuoso antes de que ponga en peligro un esquema de protección y descubrir el problema sólo después de un fallo catastrófico. Este artículo explica la física que hay detrás de la curva, el procedimiento de prueba paso a paso y los patrones de diagnóstico que revelan exactamente lo que está ocurriendo dentro del núcleo de su TC.

Índice

• ¿Qué es la curva de excitación de un transformador de corriente y qué mide?
• ¿Cómo se interpretan los rasgos clave de una curva característica V-I de TC?
• ¿Cómo se realiza una prueba de excitación de TC sobre el terreno para aplicaciones de media tensión?
• ¿Qué revelan los patrones anormales de la curva de excitación sobre el estado y la fiabilidad del TC?

¿Qué es la curva de excitación de un transformador de corriente y qué mide?

La curva de excitación - formalmente denominada curva de magnetización o característica V-I - es una representación gráfica de la relación entre la tensión aplicada al devanado secundario de un TC y la corriente magnetizante resultante absorbida por el núcleo, con el circuito primario abierto. Se mide íntegramente a partir de los terminales secundarios, lo que la convierte en una de las pruebas de diagnóstico más seguras y accesibles disponibles en este campo.

La física que subyace a la curva tiene su origen en la histéresis b-h¹ comportamiento. Cuando se aplica tensión alterna al devanado secundario, impulsa un flujo magnético en el núcleo proporcional a la tensión aplicada (por ley de faraday²: $V = N veces \frac{d\Phi}{dt}$). La corriente de magnetización necesaria para mantener ese flujo viene determinada por la permeabilidad magnética del núcleo en ese punto de funcionamiento. A medida que aumenta la tensión aplicada, el núcleo se satura progresivamente, la permeabilidad cae bruscamente y la corriente magnetizante aumenta de forma pronunciada, produciendo la característica forma de rodilla que define toda curva de excitación de un TC.

Parámetros clave codificados en la curva de excitación:

• Tensión del punto de inflexión (Vk): La tensión a la que un aumento de 10% en la tensión aplicada produce un aumento de 50% en la corriente magnetizante: el límite crítico entre el funcionamiento lineal y saturado del núcleo según la norma IEC 61869-2.
• Corriente magnetizante a Vk (Imag): Define la carga de corriente excitadora del TC; influye directamente en la precisión de la relación y el ángulo de fase con corrientes primarias bajas.
• Pendiente de la curva en la región lineal: Refleja la permeabilidad del núcleo y la calidad del material: una pendiente más pronunciada indica una mayor permeabilidad del acero al silicio de grano orientado.
• Comportamiento de saturación por encima de Vk: La velocidad de aumento de la corriente por encima del punto de inflexión determina la rapidez con la que el TC se satura en caso de transitorios de corriente de fallo.

Parámetro	Definición	Referencia IEC 61869-2	Importancia para la ingeniería
Tensión del punto de inflexión (Vk)	10% ΔV → 50% ΔI punto de cruce	Cláusula 5.6.201	La Vk mínima determina la idoneidad del TC de protección
Corriente magnetizante (Imag)	Corriente RMS en Vk	Cláusula 5.6.201	Imag alta = degradación de la precisión a corrientes bajas
Densidad de flujo de saturación (Bsat)	Flujo máximo del núcleo antes de la saturación total	Especificación de los materiales	Determina la oscilación de flujo disponible para transitorios de fallo
Factor de remanencia (Kr)	Relación Br/Bsat	IEC 61869-2 TPY/TPZ	Regula la susceptibilidad al flujo residual
Resistencia del devanado secundario (Rct)	Resistencia CC del devanado secundario	Cláusula 5.6.201	Se utiliza en los cálculos de dimensionamiento del TC de protección

La curva de excitación es la base de toda evaluación del estado de un TC, desde las pruebas de aceptación en fábrica hasta los diagnósticos de campo posteriores a un fallo. Sin una curva de referencia de fábrica en el archivo, las pruebas de comparación de campo pierden la mayor parte de su valor de diagnóstico, razón por la cual Bepto Electric proporciona documentación completa de la curva de excitación con cada envío de TC.

¿Cómo se interpretan los rasgos clave de una curva característica V-I de TC?

Para leer correctamente una curva de excitación de TC es necesario comprender tres regiones distintas del gráfico y lo que cada región revela sobre el estado del núcleo y el rendimiento de la protección. La curva casi siempre se traza en una escala logarítmica para comprimir el amplio rango dinámico de la tensión y la corriente en un formato legible.

Región 1 - La región lineal (por debajo de la rodilla) En esta región, el núcleo funciona dentro de su rango de permeabilidad lineal. La tensión aplicada y la corriente magnetizante aumentan proporcionalmente, produciendo una línea recta en el diagrama log-log. La pendiente de esta línea refleja la calidad del material del núcleo:

• Una región lineal abrupta y bien definida indica una alta permeabilidad acero al silicio de grano orientado³ en buen estado
• Una pendiente poco profunda o irregular sugiere degradación del núcleo, cortocircuitos de interlaminación o contaminación.

Región 2 - El punto de la rodilla El punto de inflexión es la característica individual más importante de la curva de excitación desde el punto de vista del diagnóstico. Según la norma IEC 61869-2, se define como el punto en el que la tangente a la curva forma un ángulo de 45° con el eje horizontal en un gráfico logarítmico, es decir, el punto en el que un aumento de tensión de 10% produce un aumento de corriente de 50%.

• Vk debe alcanzar o superar el valor mínimo especificado en la fórmula de dimensionamiento del TC de protección: $V_k \geq I_f \times (R_{ct} + R_{\text{burden}}) \times ALF$
• Un punto de inflexión que se ha desplazado hacia abajo en comparación con la curva de fábrica indica degradación del núcleo o flujo residual.
• Un punto de inflexión que aparece a una corriente más alta que la línea de base de fábrica sugiere cortocircuitos en el devanado de vuelta a vuelta.

Región 3 - La región de saturación (por encima de la rodilla) Por encima del punto de inflexión, la curva se curva bruscamente hacia arriba a medida que el núcleo se satura y la corriente magnetizante aumenta bruscamente para pequeños incrementos de tensión. La forma de esta región de saturación revela:

• Curva de saturación gradual: Núcleo sano con el comportamiento esperado del acero al silicio
• Saturación abrupta, casi vertical: Posibles daños en el núcleo o estado de flujo residual grave
• Jorobas irregulares o puntos de inflexión: Fuerte indicador de fallos de bobinado de vuelta a vuelta o cortocircuitos de interlaminación.

Comparación de curvas de excitación de TC sanas y degradadas

Curva	TAC saludable	Flujo residual presente	Fallo de giro a giro	Degradación del núcleo
Pendiente de la región lineal	Consistente, empinada	Pendiente reducida	Irregular, desplazado	Poco profundo, inconsistente
Tensión en el punto de inflexión	Fábrica de cerillas Vk	Desplazado hacia abajo	Mayor corriente a Vk	Reducción significativa
Inicio de la saturación	Gradual por encima de Vk	Saturación prematura	Transición brusca	Temprano, irregular
Corriente de magnetización a Vk	Coincide con la fábrica Imag	Similar a la fábrica	Superior al de fábrica	Significativamente superior

Caso de cliente - Ingeniero de servicios públicos centrado en la calidad, subestación de 110 kV, Norte de África: Un ingeniero de una empresa de servicios públicos de Marruecos, responsable de la puesta en servicio de una nueva ampliación de una subestación de 110 kV, recibió un lote de doce TC de protección de un proveedor anterior. Durante las pruebas de aceptación en fábrica, tres unidades mostraron tensiones de punto de inflexión 22-35% por debajo del mínimo especificado, un defecto invisible sin pruebas de curva de excitación. El ingeniero se puso en contacto con Bepto Electric, y nuestras unidades de sustitución se enviaron con documentación completa de la curva de excitación que cumplía las especificaciones IEC 61869-2 Clase 5P20. La puesta en servicio posterior a la instalación confirmó que las doce posiciones cumplían los requisitos de dimensionamiento del esquema de protección, evitando lo que podría haber sido una situación sistemática de falta de alcance de la protección en toda una sección de la subestación.

¿Cómo se realiza una prueba de excitación de TC sobre el terreno para aplicaciones de media tensión?

La prueba de excitación se realiza desde los terminales secundarios del TC con el circuito primario abierto, lo que permite ejecutarla durante interrupciones planificadas sin acceso al circuito primario. El procedimiento está normalizado según IEC 61869-2 e IEEE C57.13.1, con pequeñas variaciones de procedimiento entre las dos normas.

Paso 1: Aislar y preparar el TC

• Confirme que el circuito primario está desenergizado y aislado: verifíquelo con un comprobador de tensión homologado.
• Abrir todas las conexiones de carga secundarias (desconectar relés, contadores y cableado) - la prueba debe realizarse sólo en el devanado secundario desnudo.
• Cortocircuite los núcleos secundarios no utilizados de los TC multinúcleo para evitar riesgos de tensión inducida.
• Registre los datos de la placa de características del TC: relación, clase de precisión, Vk nominal, Imag nominal, Rct y ALF.

Paso 2: Seleccionar el equipo de ensayo

• Preferido: Analizador de TC dedicado (por ejemplo, Megger MRCT, Omicron CT Analyzer): traza automáticamente la curva de excitación completa y calcula Vk según la definición IEC 61869-2.
• Alternativa: Fuente de tensión alterna variable (Variac) + voltímetro verdadero valor eficaz + amperímetro verdadero valor eficaz - trazado manual de curvas punto por punto
• Asegúrese de que el rango de tensión del equipo de prueba cubre al menos 120% del valor Vk esperado
• Confirme que el rango del amperímetro abarca desde 1 mA (región lineal de baja corriente) hasta al menos 5× Imag nominal.

Paso 3: Ejecutar la prueba de excitación

1. Conecte la fuente de tensión de prueba a través de los terminales secundarios S1-S2
2. Empezar de cero, aumentar la tensión aplicada en pequeños incrementos - pasos sugeridos: 10% de Vk esperado hasta 50% Vk, luego 5% pasos de 50% a 110% Vk, luego 2% pasos alrededor de la región del punto de rodilla.
3. Registre tanto la tensión aplicada (V) como la corriente magnetizante (I) en cada paso - permita una estabilización de 3-5 segundos por punto
4. Continúe aumentando la tensión hasta que se observe un claro comportamiento de saturación (la corriente aumenta bruscamente con un aumento mínimo de la tensión).
5. Reducir la tensión lentamente hasta cero - esto también sirve como un paso de desmagnetización parcial
6. Represente V en el eje Y e I en el eje X en una escala logarítmica

Paso 4: Determinar la tensión del punto de inflexión

• Utilizando la curva trazada, localiza el punto en el que el ángulo tangente es igual a 45° en el diagrama logarítmico
• Para los analizadores de TC automatizados, el instrumento calcula Vk directamente según IEC 61869-2 Cláusula 5.6.201
• Compare el Vk medido con: el valor de referencia de fábrica, la especificación de la placa de características y el requisito de Vk mínimo del esquema de protección.

Paso 5: Documentar y comparar los resultados

• Registro: Vk medido, Imag a Vk, Rct (medida de resistencia CC), y tabla de datos V-I completa.
• Comparar con la curva de excitación de fábrica: las desviaciones >10% en Vk o >20% en Imag justifican una investigación más profunda.
• Para los TC de protección, verificar: Vk ≥ If(max) × (Rct + Rburden) según el dimensionamiento IEC 61869-2.

Consideraciones sobre las pruebas de excitación específicas de la aplicación

• Cuadros de distribución industrial: Pruebas durante los periodos de mantenimiento programado; documentar las curvas de referencia en la puesta en servicio para futuras comparaciones.
• TC de protección de la red eléctrica: Prueba de excitación obligatoria después de cualquier corriente de defecto superior a 10× corriente primaria nominal
• Zonas de protección diferencial de subestaciones: Pruebe todos los TC de la zona diferencial simultáneamente; compare las curvas para comprobar la simetría; las curvas asimétricas indican características de TC desajustadas que pueden causar una falsa corriente diferencial.
• TC de conexión a red de huertas solares: Verificar la adecuación de Vk para la contribución de la corriente de fallo del inversor, que puede tener componentes de desplazamiento de CC significativos.

¿Qué revelan los patrones anormales de la curva de excitación sobre el estado y la fiabilidad del TC?

Los patrones de curva de excitación anómalos son la forma que tiene el TC de comunicar modos de fallo internos específicos. Cada tipo de defecto produce una firma de curva característica que un ingeniero experimentado puede identificar y diagnosticar sin desmontar la unidad.

Guía de reconocimiento de patrones de diagnóstico

Patrón 1 - Tensión del punto de inflexión desplazada hacia abajo (Vk reducido frente a fábrica)

• Causa principal: Flujo residual de un fallo anterior o de un evento de circuito abierto.
• Causa secundaria: Daños en la laminación del núcleo por golpes mecánicos o manipulación inadecuada.
• Acción: Realice el procedimiento de desmagnetización completa; vuelva a probar la curva de excitación; si Vk sigue siendo baja después de la desmagnetización, el TC requiere sustitución.

Patrón 2 - Corriente magnetizante superior a la de fábrica a la misma tensión

• Causa principal: Cortocircuito entre espiras en el devanado secundario: las espiras cortocircuitadas reducen el número de espiras efectivas, lo que aumenta la necesidad de corriente magnetizante.
• Causa secundaria: pérdidas por corrientes parásitas⁴ en el núcleo aumentando las pérdidas por corrientes de Foucault
• Acción: Medir la resistencia de CC (Rct) del devanado secundario: una Rct reducida confirma un cortocircuito en las espiras; es necesario sustituir el TC.

Patrón 3 - Puntos de inflexión irregulares o protuberancias en la región lineal

• Causa principal: Múltiples fallos de giro a giro que crean múltiples rutas de circuitos magnéticos con diferentes características de saturación.
• Causa secundaria: Daños mecánicos en el núcleo que crean una distribución no uniforme del flujo
• Acción: El TC no es fiable para tareas de protección - retírelo del servicio inmediatamente.

Patrón 4 - Curva desplazada uniformemente más alta (se requiere mayor tensión para la misma corriente)

• Causa principal: Aumento de la resistencia del devanado debido a la corrosión de la conexión o al fallo parcial del conductor.
• Causa secundaria: Error de medición: compruebe la resistencia del cable de prueba y la calidad de la conexión antes de concluir.
• Acción: Medir Rct; inspeccionar las conexiones de los terminales secundarios; limpiar o sustituir los terminales corroídos.

Errores de campo comunes en las pruebas de curvas de excitación

• Utilizar un voltímetro de respuesta media en lugar de uno de verdadero valor eficaz: El contenido armónico en la forma de onda de la corriente magnetizante cerca de la saturación provoca errores de lectura significativos con instrumentos de respuesta media - utilice siempre true-RMS⁵ metros
• Pruebas con la carga secundaria aún conectada: La impedancia conectada se suma a la tensión medida, desplazando el punto de inflexión aparente hacia arriba y ocultando la degradación real del núcleo.
• Rango de tensión insuficiente: Detener la prueba antes de alcanzar una saturación clara impide la identificación precisa del punto de inflexión: pruebe siempre hasta al menos 120% de la Vk esperada
• Comparación de un solo punto en lugar de una curva completa: Al comparar sólo el valor del punto de inflexión se pierde la información de diagnóstico codificada en la forma de la curva: compare siempre la característica V-I completa con la línea de base de fábrica.

Conclusión

La curva de excitación del TC es el diagnóstico de prueba única más completo disponible para la evaluación del estado de los transformadores de corriente en sistemas de distribución de energía de media tensión. Desde la integridad de la tensión en el punto de inflexión hasta la detección de fallos entre espiras, la identificación del flujo residual y la supervisión de la degradación del núcleo, todos los indicadores críticos de fiabilidad están codificados en la forma característica V-I. Para los ingenieros de protección y los equipos de mantenimiento responsables de la fiabilidad de las subestaciones, establecer curvas de excitación de referencia de fábrica en el momento de la puesta en servicio y compararlas sistemáticamente después de cada evento de falta significativo no es la mejor práctica: es el estándar mínimo para un sistema de protección en el que se pueda confiar. En Bepto Electric, todos los TC se entregan con un certificado completo de curva de excitación de fábrica según IEC 61869-2, lo que proporciona a su equipo la línea base de diagnóstico que hace que la evaluación del estado del campo sea significativa desde el primer día.

Preguntas frecuentes sobre la interpretación de la curva de excitación de la TC

1. Explicación técnica del comportamiento del núcleo magnético y la pérdida de energía durante los ciclos. ↩

2. Principios científicos que explican cómo se induce la tensión en los devanados de los transformadores. ↩

3. Propiedades de la ciencia de los materiales que determinan la eficiencia y la permeabilidad de los núcleos de los transformadores. ↩

4. Comprender las corrientes circulantes que provocan pérdidas de calor y eficiencia en los núcleos de hierro. ↩

5. Comparación de métodos de medición de formas de onda eléctricas no lineales o distorsionadas. ↩