Guía de cálculo de la carga del transformador de medida para sistemas de protección de MT

Introducción

El cálculo de la carga es una de las tareas de ingeniería que con más frecuencia se malinterpreta (y que tiene más consecuencias) en el diseño de sistemas de protección de media tensión. Cada dispositivo conectado a un circuito secundario de TC o TT añade impedancia, y cuando la carga total supera la VA nominal del transformador, la precisión se degrada, los núcleos se saturan y los relés de protección reciben señales distorsionadas que pueden provocar fallos peligrosos.

La respuesta directa: la carga del transformador de medida es la carga total de voltios-amperios impuesta en el circuito secundario, y siempre debe permanecer dentro de la carga nominal del transformador para garantizar el cumplimiento de la clase de precisión y la detección fiable de fallos.

Para los ingenieros eléctricos y los contratistas de EPC que especifican aparamenta de MT, equivocarse con la carga no es un problema menor de calibración, sino un fallo de fiabilidad del sistema a punto de producirse. Esta guía explica la metodología completa de cálculo de la carga, los errores más comunes y los criterios de selección para garantizar que sus instalaciones de TC y TT funcionen exactamente como se diseñaron.

Índice

• ¿Qué es la carga del transformador de medida y cómo se define?
• ¿Cómo calcular paso a paso la carga CT y VT?
• ¿Cómo afecta la carga a la clase de precisión del TC y al rendimiento de la protección?
• ¿Cuáles son los errores más comunes en el cálculo de la carga de los sistemas de MT?

¿Qué es la carga del transformador de medida y cómo se define?

La carga es la impedancia externa total, expresada en Voltios-Amperios (VA) o Ohmios (Ω) - conectado a los terminales secundarios de un transformador de medida. Representa la suma de todas las cargas que el transformador debe accionar manteniendo su precisión nominal. Para un TI, incluye todos los dispositivos y conductores del bucle secundario. Para un TT, incluye todos los equipos de medida y protección conectados en paralelo.

La comprensión de la carga empieza por entender las dos formas en que se expresa:

• Carga de VA: Potencia aparente total consumida por el circuito secundario a la corriente o tensión nominal del secundario
• Impedancia Carga (Ω): Resistencia y reactancia totales del circuito secundario, utilizadas en los cálculos detallados

Parámetros técnicos clave que rigen la carga de TC por IEC 61869-2¹:

• Carga nominal: La VA máxima que puede suministrar el TC manteniendo la clase de precisión indicada (por ejemplo, 15VA, 30VA).
• Rated corriente secundaria²: Valores estándar de 1A o 5A - la impedancia de carga escala con el cuadrado de este valor
• Clase de precisión: 0,2, 0,5 para medición; 5P, 10P para protección - cada uno tiene un rango de carga definido
• Factor de potencia de carga: Normalmente 0,8 de retraso para la clase de protección; 1,0 para cargas resistivas
• Precisión nominal Factor límite (ALF³): Inversamente proporcional a la carga real: aumenta a medida que disminuye la carga.
• Nivel de aislamiento: Clase 12kV / 24kV / 36kV para aplicaciones de MT
• Corriente continua térmica nominal: ≥1,2× corriente primaria nominal
• Distancia de fuga: ≥25mm/kV para entornos interiores estándar (IEC 60815)

Un punto crítico pero a menudo pasado por alto: la carga no se fija sólo con el relé. A ello contribuyen la resistencia del cable secundario, la resistencia de los contactos de los terminales y la impedancia combinada de todos los dispositivos conectados en serie. Ignorar la carga del cable es la causa más común de violaciones de la clase de precisión en instalaciones de campo.

¿Cómo calcular paso a paso la carga CT y VT?

El cálculo de la carga sigue un proceso estructurado. Esta es la metodología completa utilizada para la protección de MT y los circuitos de TC de medida.

Paso 1: Enumerar todos los dispositivos del circuito secundario

Identifique cada dispositivo conectado en el bucle secundario del TC:

• Relé de protección (distancia, sobreintensidad, diferencial)
• Medidor de energía o analizador de calidad eléctrica
• Transductor o transmisor
• Amperímetro (si procede)
• TC de interposición (si procede)

Paso 2: Obtención del valor nominal en VA o impedancia de cada dispositivo

Cada fabricante de dispositivos proporciona un valor nominal de carga a la corriente secundaria nominal. Convierta todos los valores a impedancia (Ω) usando:

$Z = \frac{VA}{I_s^2}$

Dónde $I_s$ es la corriente nominal secundaria (1A o 5A).

Ejemplo: circuito secundario de 5 A:

Dispositivo	Carga nominal (VA)	Impedancia (Ω)
Relé de protección de distancia	1,0 VA	0.040 Ω
Relé de sobreintensidad	0,5 VA	0.020 Ω
Contador de energía	1,5 VA	0.060 Ω
Cable secundario (2× 30 m, 2,5 mm²)	—	0.432 Ω
Resistencia de contacto del terminal	—	0.010 Ω
Carga total	—	0.562 Ω

Vuelve a convertir la impedancia total en VA: $VA_{total} = Z_{total} \times I_s^2 = 0.562 \times 25 = 14.05\\ VA$

Paso 3: Calcular la carga de cables

La resistencia del cable se calcula como:

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

Dónde:

• $L$ = longitud del cable unidireccional (metros)
• $rho$= resistividad del cobre =$0.0172\ \Omega \cdot mm^2/m$
• $A$ = sección del cable (mm²)

Para trayecto unidireccional de 30 m con cobre de 2,5 mm²: $R_{cable} = \frac{2 \times 30 \times 0.0172}{2.5} = 0.413 \Omega$

Paso 4: Comprobar la carga nominal

La carga total calculada debe satisfacer: $VA_{actual} \leq VA_{rated}$

Si la carga real supera la carga nominal, las opciones incluyen:

• Aumentar la sección del cable (reduce la carga de resistencia)
• Especificar TC de carga nominal superior
• Reducir el número de dispositivos conectados en serie
• Cambio del secundario de 5A a 1A (reduce la carga del cable en un factor de 25)

Paso 5: Verificar el ALF efectivo

El ALF real cambia con la carga. La relación según IEC 61869-2 es:

$ALF_{actual} = ALF_{rated} \veces \frac {VA_{rated} + VA_{internal}} {VA_{actual}} + VA_{internal}} + VA_{interna}}$

Dónde $VA_{internal}$ es la carga del devanado interno del TC (de la hoja de datos). Este paso es fundamental para protección a distancia⁴ y aplicaciones de protección diferencial.

Comparación del cálculo de la carga de CT frente a VT

Parámetro	Cálculo de la carga CT	Cálculo de la carga VT
Topología de circuitos	Bucle de serie	Conexión en paralelo
Expresión de la carga	VA o Ω (impedancia en serie)	VA o Ω (impedancia en paralelo)
Impacto del cable	Alta - la resistencia en serie añade directamente	Baja - dominan las cargas paralelas
Norma secundaria	1A o 5A	100 V o 110 V
Riesgo clave	Saturación del núcleo por exceso de carga	Caída de tensión y pérdida de precisión
Norma reguladora	IEC 61869-2	IEC 61869-3

Caso de cliente - Error de cálculo de carga en un cuadro de protección de un alimentador de 33 kV:
Un responsable de compras de una empresa de EPC del norte de África se puso en contacto con ellos después de que su sistema de protección de alimentadores de 33 kV recién puesto en servicio mostrara errores de precisión persistentes en la medición de energía: las lecturas eran sistemáticamente 3-4% bajas. La investigación reveló que el tramo de cable secundario era de 45 metros (más largo que los 20 metros previstos en el diseño original), lo que añadía 0,62Ω de carga de resistencia no contabilizada. El TC instalado tenía un valor nominal de 15VA, pero la carga real alcanzó los 22VA, lo que hizo que el TC quedara fuera de su rango de clase de precisión de 0,5. Bepto suministró TC de repuesto de 30VA con las mismas especificaciones, y la precisión de la medición volvió a estar dentro de 0,2%, muy por debajo de los requisitos de facturación.

¿Cómo afecta la carga a la clase de precisión del TC y al rendimiento de la protección?

La relación entre la carga y el rendimiento del TC no es lineal: es un efecto de umbral. Dentro de la carga nominal, el TC mantiene su clase de precisión declarada. Por encima de la carga nominal, los errores se agravan rápidamente y en condiciones de fallo, saturación del núcleo⁵ ocurre antes de lo que supone la especificación ALF.

En el caso concreto de la protección a distancia, esto tiene consecuencias operativas directas:

• Debajo de la carga: El ALF efectivo aumenta - generalmente beneficioso, pero la impedancia de entrada del relé debe seguir cumpliéndose
• Con carga nominal: El TC funciona exactamente según la especificación de la clase de precisión
• Sobrecarga (clasificación 110-150%): El error compuesto supera el límite de clase; la medición se lee incorrectamente
• Sobrecarga grave (clasificación >150%): El núcleo se satura durante las condiciones de fallo; el relé de protección recibe una forma de onda recortada; falla el cálculo de la impedancia; el relé de distancia puede no disparar Zona 1

Impacto en la fiabilidad de la protección por nivel de carga

Nivel de carga	Precisión de medición	Protección Comportamiento CT	Respuesta del relé de distancia
<80% Clasificado	Dentro de la clase	ALF efectivamente superior	Viaje fiable Zona 1
80-100% Clasificado	Dentro de la clase	Según especificación	Viaje fiable Zona 1
100-130% Clasificado	Error marginal	Reducción del ALF efectivo	Posible retardo de la Zona 1
Índice >150%	Error significativo	Saturación precoz	Riesgo de mal funcionamiento

La recomendación práctica para aplicaciones críticas de protección: diseño a 75-80% de carga nominal máxima, Ello permite preservar el margen para futuras adiciones de relés o desvíos de cables que aumenten la resistencia.

Caso de un cliente - El mal funcionamiento de la protección se debe a un exceso de carga:
Un contratista de una empresa de suministro eléctrico del sudeste asiático informó de que un relé de distancia de una línea aérea de 22 kV no conseguía constantemente despejar las faltas cercanas en el tiempo de la zona 1, pasando por defecto a la zona 2 (retardo de 400 ms). Un análisis detallado de la puesta en servicio reveló que el circuito secundario del TC incluía tres relés, un transductor y un tramo de cable de 38 metros, lo que suponía una carga total de 28 VA para un TC de 15 VA. El TC se saturaba a aproximadamente 8 veces la corriente nominal, muy por debajo de la capacidad implícita de 20 veces la carga nominal de la especificación 5P20. La sustitución por TC Bepto 5P20 de 30VA resolvió por completo el problema de temporización de la Zona 1.

¿Cuáles son los errores más comunes en el cálculo de la carga de los sistemas de MT?

Lista de comprobación para la instalación y puesta en marcha

1. Medir la longitud real del cable - no utilizar nunca las estimaciones de los planos de diseño para calcular la carga
2. Medir la resistencia del conductor con un óhmetro de baja resistencia antes de la energización
3. Verifique la carga de entrada real de cada relé de la ficha técnica del fabricante, no de resúmenes de catálogos
4. Calcular la carga total a la corriente nominal del secundario antes de especificar la clasificación CT VA
5. Realizar la prueba de inyección secundaria verificar la relación, polaridad y precisión del TC en la puesta en servicio
6. Documentar la carga as-built para futuras referencias de mantenimiento

Errores comunes que comprometen la fiabilidad

• Ignorar la carga del cable: En circuitos secundarios de 5 A, un tramo de cable de 30 m puede aportar entre 8 y 15 VA, lo que a menudo supera la carga del relé.
• Mezcla de dispositivos 1A y 5A: La conexión de un relé de 5 A a un secundario de TC de 1 A provoca una sobrecarga grave y posibles daños en el relé.
• Suponiendo que la carga del relé sea igual a la carga total: Olvidar los contadores, los transductores y la resistencia de los terminales es algo extremadamente común
• No recalcular el ALF tras los cambios de carga: Añadir un relé durante una actualización del sistema sin volver a comprobar el ALF efectivo es un riesgo de protección oculto
• Utilización del método de cálculo de la carga VT para los CT: Topología en serie frente a topología en paralelo: el enfoque de cálculo es fundamentalmente diferente
• Sin tener en cuenta los efectos de la temperatura: La resistencia del cobre aumenta aproximadamente 0,4% por °C - en instalaciones a alta temperatura, la carga del cable a 60°C es sensiblemente mayor que a 20°C

Conclusión

El cálculo preciso de la carga no es un refinamiento opcional de ingeniería, sino un requisito fundamental para el cumplimiento de la clase de precisión del transformador de medida y la fiabilidad del sistema de protección en la distribución de energía de media tensión. Lo más importante: calcule siempre la carga secundaria total, incluida la resistencia del cable, verifique el ALF efectivo para las aplicaciones de protección y diseñe a un máximo de 75-80% de la carga nominal del TC para mantener una detección de fallos fiable. En Bepto Electric, todos los TC que suministramos incluyen especificaciones de carga completas en la hoja de datos y valores de resistencia del bobinado interno, lo que proporciona a su equipo de ingeniería todo lo necesario para realizar cálculos de carga precisos desde el primer día.

Preguntas frecuentes sobre el cálculo de la carga del transformador de medida

1. Más información sobre la norma internacional que regula los requisitos de los transformadores de corriente ↩

2. Comprender cómo afecta la selección de niveles de salida secundarios a la carga del sistema ↩

3. Identificar cómo afectan los límites de saturación a la precisión de los transformadores de protección. ↩

4. Explore cómo la impedancia calculada identifica la localización de averías en las líneas de distribución ↩

5. Evita la distorsión de la señal causada por las limitaciones magnéticas del núcleo del transformador ↩