Flujo residual en transformadores de corriente - Comprender la remanencia

Introducción

Un transformador de corriente que funcionó a la perfección durante la puesta en servicio puede dejar de funcionar correctamente durante una avería meses después, sin daños visibles, sin cambios en los ajustes ni modificaciones en el cableado. El núcleo parece idéntico. La placa de características no ha cambiado. Pero algo en el interior del núcleo se ha desplazado de forma permanente, y lo ha hecho silenciosamente durante la última avería u operación de conmutación. Ese algo es el flujo residual, y es una de las amenazas más subestimadas para la fiabilidad del sistema de protección en servicio hoy en día.

El flujo residual, también denominado remanencia, es la densidad de flujo magnético que permanece bloqueada en el interior del núcleo de un TC una vez eliminada la fuerza de magnetización, ocupando permanentemente una parte de la capacidad de flujo total del núcleo y reduciendo el margen disponible antes de la saturación, lo que acorta directamente el tiempo hasta la saturación durante el siguiente evento de fallo y degrada la precisión de las señales de salida secundarias.

He revisado informes de protección posteriores a incidentes en subestaciones de instalaciones industriales del Reino Unido, Australia y la región del Golfo, y la saturación relacionada con la remanencia aparece con mucha más frecuencia de lo que la industria reconoce. La razón es sencilla: la remanencia es invisible, se acumula silenciosamente y casi nunca se mide durante el mantenimiento rutinario. Este artículo le ofrece una visión completa de la ingeniería: qué causa la remanencia, cómo afecta al rendimiento del TC, cómo cuantificarla y cómo eliminarla antes de que ponga en peligro su esquema de protección. 🔍

Índice

• ¿Qué es el flujo residual en un núcleo de TC y cómo se forma?
• ¿Cómo reduce la remanencia el margen de flujo disponible y acelera la saturación?
• ¿Cómo se especifican y seleccionan los TC en función de los requisitos de remanencia?
• ¿Cómo medir, eliminar y controlar el flujo residual en servicio?
• Preguntas frecuentes sobre el flujo residual en los transformadores de corriente

¿Qué es el flujo residual en un núcleo de TC y cómo se forma?

El flujo residual no es un defecto ni un signo de daños en el núcleo, sino una propiedad fundamental de la tecnología. materiales ferromagnéticos¹. Todo núcleo de TC fabricado con acero al silicio, aleación de níquel-hierro o cualquier otro material ferromagnético conservará cierto grado de magnetismo residual tras la excitación. La cuestión de ingeniería nunca es si existe remanencia, sino cuánta existe y si su esquema de protección puede tolerarla. ⚙️

El bucle de histéresis y la formación de remanencia

El origen del flujo residual está en la bucle de histéresis - la curva cerrada trazada en el diagrama B-H cuando un núcleo ferromagnético es llevado a través de un ciclo completo de magnetización. Cuando se aumenta la intensidad del campo magnético aplicado H para llevar el núcleo a la saturación, la dominios magnéticos² dentro del material del núcleo se alinean con el campo aplicado. Cuando H se reduce de nuevo a cero, estos dominios no vuelven completamente a su orientación aleatoria original. Se mantiene una alineación neta y, por tanto, una densidad de flujo neta.

Esta densidad de flujo retenida en $H = 0$ se define como densidad de flujo remanente ($B_r$). La intensidad de campo necesaria para que B vuelva a cero es la fuerza coercitiva ($H_c$). Juntos, $B_r$ y $H_c$ caracterizar el comportamiento de histéresis del material del núcleo.

Causas principales de remanencia en los testigos de TC

El flujo residual se acumula a través de varios mecanismos distintos, cada uno de los cuales produce una magnitud diferente de remanencia:

1. Corriente de defecto asimétrica con DC Offset:
Es la fuente más importante de remanencia en los TC de protección. Cuando una corriente de defecto con desplazamiento de CC lleva al núcleo a la saturación, éste atraviesa un bucle de histéresis parcial que no vuelve al origen cuando desaparece el defecto. El flujo residual que queda puede alcanzar 60-80% de la densidad de flujo de saturación en núcleos estándar de acero al silicio.

2. Interrupción del disyuntor:
Cuando un disyuntor interrumpe la corriente de defecto cerca de un cero de corriente, el cese brusco de la corriente primaria deja el núcleo en un punto del bucle de histéresis que no es el origen. La remanencia resultante depende del nivel de flujo instantáneo en el momento de la interrupción.

3. 3. Energización e irrupción del transformador:
La alimentación de un transformador de potencia a través de un TC somete al núcleo del TC a la corriente de irrupción del transformador, una forma de onda fuertemente distorsionada y con un sesgo de CC que conduce al núcleo del TC a lo largo de una trayectoria de magnetización no simétrica, dejando un flujo residual significativo.

4. Pruebas e inyección de CC:
Las pruebas de inyección secundaria que utilizan fuentes de corriente continua -incluidas las pruebas de resistencia de aislamiento aplicadas incorrectamente- pueden magnetizar el núcleo a lo largo de una trayectoria unidireccional, dejando niveles de remanencia comparables a los de un evento de fallo.

5. Corrientes inducidas geomagnéticamente³:
En las instalaciones situadas a gran latitud, las perturbaciones geomagnéticas pueden magnetizar lentamente los núcleos de los TC durante períodos prolongados, produciendo remanencia sin que se produzca ningún evento de fallo identificable.

Características de remanencia por material del núcleo

Material del núcleo	Factor de remanencia $K_r$	Fuerza coercitiva $H_c$	Flujo de saturación $B_{sat}$	Nivel de riesgo de permanencia
Orientado a los cereales Acero al silicio4 (GOES)	60 - 80%	Bajo-Medio	1.8 - 2.0 T	Alta
Acero laminado en frío no orientado	50 - 70%	Medio	1.6 - 1.8 T	Alta
Aleación de níquel-hierro (Permalloy 50)	40 - 60%	Muy bajo	0.75 - 1.0 T	Medio
Aleación de metal amorfo	20 - 40%	Bajo	1.2 - 1.5 T	Bajo-Medio
Aleación nanocristalina	5 - 15%	Muy bajo	1.2 - 1.3 T	Muy bajo
Núcleo con cámara de aire (clase TPZ)	<1%	N/A (la brecha domina)	Eficaz 0,3-0,5 T	Insignificante

En Factor de remanencia $K_r$ es la métrica normalizada definida en la norma IEC 61869-2:

$K_r = \frac{B_r}{B_{sat}} \veces 100$

A $K_r$ de 75% significa que, tras un evento de saturación, 75% de la capacidad total de flujo del núcleo ya está ocupada antes de que se inicie el siguiente fallo. Sólo quedan disponibles 25% del margen del núcleo.

¿Cómo reduce la remanencia el margen de flujo disponible y acelera la saturación?

La consecuencia técnica de la remanencia es brutalmente simple: reduce la distancia entre el punto de funcionamiento actual del núcleo y el punto de saturación. Cada Weber de flujo residual es un Weber menos disponible para acomodar el siguiente transitorio de fallo. Pero el impacto total va más allá de esta reducción estática: la remanencia interactúa con el desplazamiento de CC de un modo que puede hacer que un TC que de otro modo sería adecuado resulte completamente inadecuado. 🔬

Ecuación del espacio libre de flujo

La demanda total de flujo durante un fallo con desplazamiento de CC debe acomodarse dentro de la capacidad del núcleo. margen de flujo disponible:

$\text{Headroom} disponible = \Phi_{sat} - \Phi_{residual} = B_{sat} \veces A_c veces (1 - K_r)$

Dónde $A_c$ es la sección transversal del núcleo. El flujo requerido durante un fallo es:

$\Phi_{requerida} = frac{K_{td} \veces I_f_secundario} \veces (R_{ct} + R_b)} {4.44 veces f veces N}$

Para que el TC no se sature:

$\...requerido... \leq \Phi_{sat} \veces (1 - K_r)$

Esta desigualdad revela la relación directa y multiplicativa entre la remanencia y la tensión necesaria en el punto de inflexión. Un núcleo con $K_r = 75$ requiere un punto de inflexión de tensión 4× superior que el mismo núcleo con remanencia cero para lograr una inmunidad a la saturación equivalente.

Tiempo hasta la saturación en función de la remanencia

El impacto más crítico desde el punto de vista operativo de la remanencia es su efecto sobre tiempo hasta la saturación ($T_{sat}$) - el tiempo transcurrido desde el inicio del fallo hasta que la salida secundaria del TC se distorsiona significativamente. Para los relés de protección de alta velocidad que funcionan en 1-3 ciclos, incluso una modesta reducción del $T_{sat}$ puede significar la diferencia entre un funcionamiento correcto y un fracaso.

Nivel de remanencia ($K_r$)	Altura libre disponible	Tiempo hasta saturación (típico, X/R=20)	Protección Impacto
0% (desmagnetizado)	100% de $B_{sat}$	3 - 5 ciclos	El relé funciona correctamente
30%	70% de $B_{sat}$	2 - 3 ciclos	Marginal - el relé puede funcionar
60%	40% de $B_{sat}$	1 - 2 ciclos	Alto riesgo: el relé puede fallar
75%	25% de $B_{sat}$	<1 ciclo	Crítico - saturación antes de que el relé pueda responder
90%	10% de $B_{sat}$	<0,5 ciclo	Catastrófico - CT inútil para la protección

Remanencia en los sistemas de autocierre

Los sistemas de autocierre plantean el problema de remanencia más grave de la ingeniería de protección. La secuencia de eventos crea un problema de remanencia agravado:

1. Primera falta: El desplazamiento de CC lleva al núcleo hacia la saturación → el fallo desaparece → remanencia $B_{r1}$ sigue siendo
2. Tiempo muerto (0,3-1,0 segundos): Tiempo insuficiente para la desmagnetización espontánea
3. Energización de cierre automático: La corriente de irrupción añade más flujo además de $B_{r1}$
4. Segundo fallo (si persiste): La compensación de CC actúa ahora sobre un núcleo que ya lleva $B_{r1} + \text{inrush remanence}$

La remanencia acumulada tras dos ciclos de cierre de fallas en un núcleo estándar de GOES puede aproximarse a 85-90% de $B_{sat}$ - dejando el TC funcionalmente saturado antes incluso de que la segunda corriente de defecto alcance su pico.

Historia de un cliente: Un ingeniero de protección llamado James, que trabajaba en una subestación de transmisión de 132 kV en Queensland, Australia, informó de fallos repetidos de la protección diferencial de barras durante las operaciones de reenganche automático en un alimentador con un historial de faltas transitorias. El análisis posterior al incidente reveló que los TC de clase P -especificados correctamente para el nivel de falta simétrica- entraban en saturación en medio ciclo en el segundo intento de reenganche debido a la remanencia acumulada. Bepto suministró TC de repuesto de clase TPY con núcleos nanocristalinos ($K_r < 8$), lo que eliminó por completo el problema de acumulación de remanencia. El esquema de protección ha funcionado correctamente durante seis eventos de autocierre posteriores sin una sola operación falsa. ✅

¿Cómo se especifican y seleccionan los TC en función de los requisitos de remanencia?

La especificación de la remanencia no es un número único que pueda copiarse de un proyecto anterior: es un requisito específico de la función de protección que debe derivarse de las condiciones de funcionamiento de cada aplicación individual de TC. He aquí el marco estructurado para hacerlo bien. 📐

Paso 1: Identificar la función de protección y su sensibilidad a la remanencia

Las diferentes funciones de protección tienen tolerancias fundamentalmente diferentes para la saturación inducida por remanencia:

Función de protección	Sensibilidad de remanencia	Clase CT mínima	Máximo $K_r$
Relé de sobreintensidad (50/51) - temporizado	Bajo	Clase P	No especificado
Relé de sobreintensidad (50/51) - instantáneo	Medio	Clase P o PX	<60%
Relé de fallo a tierra (51N)	Bajo-Medio	Clase P	No especificado
Transformador diferencial (87T)	Alta	Clase PX o TPY	<30%
Diferencial de barras (87B)	Muy alta	Clase TPZ	<1%
Relevo de distancia (21)	Alta	Clase TPY	<10%
Cierre automático	Muy alta	Clase PR o TPY	<10%
Diferencial del generador (87G)	Muy alta	Clase TPY	<10%

Paso 2: Calcular la tensión del punto de inflexión ajustada a la remanencia

La norma $V_k$ debe modificarse para tener en cuenta la remanencia:

$V_{k_ajustado} = \frac{V_{k_base}{1 - K_r}$

Dónde $V_{k_base}$ es la tensión del punto de inflexión calculada sin remanencia. Para un núcleo con $K_r = 0,75$:

$V_{k_ajustado} = \frac{V_{k_base}} {0,25} = 4 veces V_{k_base}$

Esta cuadruplicación de la tensión requerida en el punto de inflexión ilustra por qué la especificación de remanencia no puede tratarse como una preocupación secundaria.

Paso 3: Seleccionar el material del núcleo para cumplir los requisitos de permanencia

• $K_r$ no especificado (sobreintensidad temporizada): Núcleo GOES estándar, Clase P - rentable y adecuado
• $K_r < 30$ (transformador diferencial): Aleación de níquel-hierro o núcleo de metal amorfo, Clase PX o TPY
• $K_r < 10$ (distancia, cierre automático, diferencial del generador): Núcleo de aleación nanocristalina, Clase TPY
• $K_r < 1$ (protección de barras, ultra-alta velocidad): Núcleo con tapón de aire, Clase TPZ

Paso 4: Verificar la idoneidad medioambiental

• Instalaciones tropicales (>35°C ambiente): Verificar la estabilidad térmica del material del núcleo: los núcleos nanocristalinos mantienen $K_r$ rendimiento hasta 120°C; los núcleos GOES estándar se degradan por encima de 80°C
• Entornos con vibraciones (maquinaria industrial, tracción): La vibración mecánica puede desmagnetizar parcialmente los núcleos con el tiempo, reduciendo la remanencia - beneficioso para el rendimiento, pero debe verificarse que no afecte a la calibración.
• Lugares muy contaminados o costeros: Confirme la caja IP65 con cajas de terminales selladas para evitar la entrada de humedad que acelera la degradación del aislamiento

Historia de un cliente: Maria, directora de compras de un fabricante de aparamenta de Milán (Italia), estaba preparando un lote de aparamenta interior de 24 kV para un proyecto de conexión a la red de un parque eólico. El ingeniero de protección especificó TC de clase TPY con $K_r < 10$ para la protección diferencial del alimentador. Tres proveedores de la competencia ofrecían TC de clase PX estándar con núcleos GOES ($K_r \approx 70$), alegando que cumplían el requisito del “equivalente TPY”. Bepto suministró TC de clase TPY con núcleo nanocristalino y certificado de fábrica. $K_r = 6,5$, junto con los informes completos de las pruebas de rendimiento de transitorios IEC 61869-2. La autoridad de pruebas independiente del cliente aceptó únicamente la documentación Bepto como conforme. Se protegió el calendario de entregas de Maria, y el proyecto superó las pruebas de conformidad con el código de red en el primer intento. 💡

¿Cómo medir, eliminar y controlar el flujo residual en servicio?

La gestión de la remanencia es una disciplina de ingeniería activa y continua, no una tarea de puesta en servicio puntual. Los procedimientos que aquí se describen deberían incorporarse al programa de mantenimiento de su subestación como práctica habitual, especialmente en el caso de los TC de los esquemas de protección de alta velocidad.

Medición del flujo residual sobre el terreno

La medición directa del flujo residual requiere un equipo especializado, pero se puede realizar una evaluación indirecta práctica mediante el método de comparación de curvas de magnetización:

1. Aplicar una tensión alterna creciente en los bornes secundarios (primario abierto).
2. Registrar la curva de excitación V-I desde cero hasta por encima del punto de inflexión
3. Comparar la curva medida con la línea de base original de la puesta en servicio.
4. Un desplazamiento del punto de inflexión aparente hacia una tensión más baja, o un aumento de la corriente de excitación a una tensión dada, indica la presencia de un flujo residual significativo.

Un método más directo utiliza un fluxómetro conectado a una bobina de búsqueda enrollada en el núcleo del TC, pero esto requiere un acceso al núcleo que no está disponible en la mayoría de los TC instalados.

Procedimientos de desmagnetización

Desmagnetización AC (Método preferido):

1. Conectar una variable autotransformador⁵ a los terminales secundarios del TC (primario en circuito abierto)
2. Aumentar gradualmente la tensión alterna hasta aproximadamente $1,2 veces V_k$ para garantizar la saturación total del núcleo
3. Reduzca lenta y continuamente la tensión a cero durante un mínimo de 30 segundos.
4. La reducción gradual fuerza al núcleo a través de bucles de histéresis progresivamente más pequeños, convergiendo en el origen
5. Verificar volviendo a medir la curva de magnetización y confirmando que coincide con la línea de base original.

Desmagnetización DC (alternativa):
Aplicar una serie de impulsos de corriente continua de polaridad alterna con amplitud progresivamente decreciente, terminando en cero. Este método es menos fiable que la desmagnetización por corriente alterna y requiere un control cuidadoso para evitar la introducción de nueva remanencia.

Lista de comprobación para la instalación y el mantenimiento

1. Desmagnetización previa a la puesta en servicio - desmagnetizar siempre antes de la energización para eliminar la remanencia del transporte y de las pruebas en fábrica
2. Desmagnetización posterior al fallo - obligatorio después de cualquier fallo cercano con un desplazamiento de CC significativo; no lo aplace hasta la siguiente interrupción programada.
3. Desmagnetización posterior al cierre automático - después de cualquier secuencia de autocierre que implique un fallo persistente, desmagnetizar todos los TI de la zona de protección antes de volver al servicio.
4. Verificación anual de la curva de magnetización - comparación con la base de referencia de la puesta en servicio para todos los TC de los sistemas de protección de alta velocidad
5. Desmagnetización posterior al ensayo DC - desmagnetizar siempre después de cualquier prueba de inyección de CC, prueba de resistencia del aislamiento o prueba de inyección primaria.

Errores comunes de mantenimiento

• Asumiendo que la remanencia se disipa naturalmente - No es así; el flujo residual en un núcleo de TC fabricado correctamente puede persistir indefinidamente sin desmagnetización activa.
• Desmagnetización sólo con corriente continua - La desmagnetización por corriente continua es poco fiable y puede dejar el núcleo en un estado parcialmente magnetizado; la desmagnetización por corriente alterna es el único método que garantiza el retorno al origen del bucle de histéresis.
• Omisión de la desmagnetización tras fallos “menores - cualquier defecto con desplazamiento de CC medible deja remanencia; la magnitud de la corriente de defecto no determina si es necesaria la desmagnetización
• No volver a verificar la curva de magnetización tras la desmagnetización. - la desmagnetización sin la posterior verificación de la curva no ofrece ninguna garantía técnica de que el procedimiento haya sido eficaz
• Utilizando el mismo procedimiento de desmagnetización para todas las clases de TC - Los núcleos con boquilla de aire de clase TPZ requieren procedimientos diferentes a los de las unidades de núcleo sólido de clase TPY; siga siempre las instrucciones de desmagnetización específicas del fabricante.

Programa de mantenimiento recomendado

Actividad	Disparador	Intervalo recomendado
Desmagnetización completa + verificación de curvas	Puesta en servicio	Una vez, antes de la primera energización
Desmagnetización posterior al fallo	Cualquier fallo cercano	Inmediatamente en la siguiente interrupción
Desmagnetización posterior al cierre	Autocierre por fallo persistente	Antes de volver al servicio
Comprobación rutinaria de la curva de magnetización	Mantenimiento programado	Cada 3-5 años
Inyección secundaria completa + medición de la carga	Corte grave de la subestación	Cada 10 años

Conclusión

El flujo residual es una amenaza silenciosa, invisible y acumulativa para el rendimiento de los TC, que aumenta con cada fallo, cada operación de conmutación y cada prueba de CC, sin dejar ningún indicio externo de que el margen disponible del núcleo se ha visto comprometido. Comprender la formación de remanencia, especificar el $K_r$ para cada función de protección, la selección de materiales de núcleo que se ajusten a las demandas transitorias de su aplicación y el mantenimiento de un programa de desmagnetización activo son las cuatro disciplinas que hacen que su sistema de protección funcione según lo previsto durante toda su vida útil. Gestione la remanencia de forma proactiva y sus TC emitirán señales secundarias precisas precisamente cuando su esquema de protección más las necesite. 🔒

Preguntas frecuentes sobre el flujo residual en los transformadores de corriente

1. Comprender las propiedades magnéticas fundamentales de los materiales del núcleo utilizados en los componentes de los sistemas de potencia. ↩

2. Explorar cómo las alineaciones a nivel atómico dentro de los materiales magnéticos contribuyen a la histéresis y la remanencia. ↩

3. Conozca los fenómenos atmosféricos y solares que provocan corrientes cuasi-CC en las líneas de transmisión. ↩

4. Repasar las características técnicas y los límites de saturación de los aceros eléctricos de grano orientado. ↩

5. Detallar el funcionamiento y las consideraciones de seguridad de la utilización de transformadores de tensión variable para las pruebas. ↩