Dimensionamiento de transformadores de instrumento: relación del TC, clase de exactitud, carga y soportabilidad

Qué es el dimensionamiento de TC/TP

Un transformador de instrumento no mide potencia — escala la corriente o la tensión primaria a un secundario seguro y normalizado (5 A, 1 A o 115 V) que medidores y relés pueden leer. Dimensionarlo es, por tanto, una decisión triple: la relación de transformación adecuada a la magnitud primaria, la clase de exactitud que limita el error para la función y la carga que impone el circuito secundario. Errar en cualquiera de las tres hace que el equipo que depende de él — un medidor de facturación, un relé de sobrecorriente, un relé de distancia — lea un número que ya no es la verdad.

La división entre núcleos de medición y de protección atraviesa todo lo que sigue. Un núcleo de medición debe ser exacto en torno a la corriente de servicio y debe dejar de transmitir corriente en una falla, para proteger sus instrumentos. Un núcleo de protección necesita lo opuesto: permanecer lineal muy por encima de la corriente nominal, hasta la falla, para que el relé vea la perturbación real. La misma ventana física no sirve a ambas funciones, y por eso los TC traen núcleos separados.

El transformador de corriente (TC)

Relación y primaria normalizada

La corriente primaria nominal no puede ser un número cualquiera — sale de la serie normalizada (5, 10, 15, 20, 25, … 5000 A). El método toma la corriente cargada en el punto, aplica un margen de dimensionamiento (holgura sobre la corriente nominal) y redondea hacia arriba al siguiente valor normalizado:

Ipn = próximo_normalizado(max(margen · In, 1))

La relación de transformación es entonces RTC = Ipn / Isn, con Isn igual a 5 A o 1 A. Un alimentador de 200 A con margen 1,25 exige al menos 250 A, que ya es valor normalizado, dando relación 250/5.

Carga y el factor efectivo

El circuito secundario — medidores, relés, el recorrido de cable de vuelta al tablero — carga el núcleo. Esa carga es el burden, dado en VA a la corriente nominal o como impedancia:

Zb = VA_nom / Isn²

Un núcleo de 15 VA a 5 A presenta 0,6 Ω. El punto sutil es lo que ocurre cuando se conecta menos carga que la nominal. La clase de exactitud se garantiza a la carga nominal; con una carga más ligera, la misma corriente secundaria produce una tensión secundaria menor, así que el núcleo permanece lineal hasta una corriente mayor. El factor efectivo de seguridad o de exactitud escala:

factor_ef = factor · (VA_nom / VA_real)

Para un núcleo de protección esto es holgura gratis contra la saturación. Para uno de medición es una alerta: la subcarga empuja el FS real por encima del de placa, así que los instrumentos solo quedan protegidos a un múltiplo de falla mayor que el especificado.

Medición vs. protección

Un TC de medición se especifica como, por ejemplo, 0,5 — 15 VA — FS5: clase 0,5, carga nominal de 15 VA y factor de seguridad 5 que limita la corriente secundaria para proteger los medidores. Un TC de protección se especifica como 15 VA 5P20: 15 VA, clase 5P (5 % de error compuesto) en un factor límite de exactitud de 20. El núcleo 5P20 permanece fiel hasta 20 veces su primaria nominal — lo que debe bastar para cubrir la falla.

¿El núcleo de protección se saturará?

La verificación decisiva de la protección expresa la falla como múltiplo de la primaria nominal:

factor_req = (Ik · 1000) / Ipn

y la compara con el factor límite efectivo:

satura OK ⇔ factor_ef ≥ factor_req

Si el ALF efectivo alcanza el múltiplo de la falla, el error compuesto queda en clase durante toda la falla y el relé mide una corriente fiel. Si se queda corto, el núcleo se satura: la corriente secundaria colapsa en una forma de onda distorsionada y subdimensionada y la protección puede subalcanzar o actuar tarde.

Soportabilidad térmica y dinámica

Independientemente de la función de exactitud, el TC debe sobrevivir físicamente al cortocircuito:

Ith = Ik (durante la duración especificada t) ; Idyn = 2,5 · Ith

Ith es la corriente térmica nominal de corta duración — la falla eficaz que los devanados conducen durante el tiempo especificado (en general 1 s) sin sobrecalentarse. Idyn es la corriente dinámica nominal, el pico mecánico que los devanados soportan frente a los esfuerzos electromagnéticos, tomado como 2,5×Ith según IEC 61869-2. Ambas deben superar el cortocircuito presunto en la ubicación del TC.

El transformador de tensión (TP)

Un TP escala la tensión del sistema a un secundario normalizado, típicamente 115 V (o 115/√3 en una conexión fase-tierra). La primaria nominal depende de la conexión:

Vpn = U (fase-fase) o Vpn = U/√3 (fase-tierra)

y la relación es RTP = Vpn / Vsn. La carga, como en el TC, es una impedancia:

Zb = Vsn² / VA

El factor de tensión

El parámetro distintivo del TP es el factor de tensión Fv, la sobretensión por unidad que el equipo debe tolerar. Es 1,2 continuamente en todos los sistemas. Para la sobretensión de corta duración durante una falla a tierra, depende del tratamiento del neutro:

• Sistema efectivamente (sólidamente) puesto a tierra: Fv = 1,5 durante 30 s.
• Sistema aislado o puesto a tierra por impedancia: Fv = 1,9 durante hasta 8 h.

La razón es física: en una red de neutro aislado, una falla a tierra en una fase eleva las dos fases sanas hacia la tensión de línea — un aumento de √3 — y el TP no puede saturarse mientras sostiene eso durante el tiempo que la falla pueda persistir. Elegir el factor 1,5 en un sistema aislado es un error clásico de especificación.

Cómo leer el resultado

• Relación: confirma que Ipn (o Vpn) es un valor normalizado y que el margen deja holgura para el crecimiento de carga previsible sin sacar el medidor de la escala.
• Carga: el VA conectado debe estar igual o por debajo del VA nominal; si está muy por debajo, recalcula el factor efectivo antes de confiar en la clase.
• Factor efectivo vs. requerido (protección): factor_ef ≥ factor_req es la puerta de saturación — la verificación de protección más importante.
• FS (medición): verifica que el factor de seguridad sea suficientemente bajo para proteger los instrumentos en la carga real, no solo en la nominal.
• Térmica/dinámica: Ith e Idyn deben superar el cortocircuito presunto y su pico.
• Factor de tensión (TP): ajusta Fv a la puesta a tierra real del sistema.

Notas prácticas de especificación

• Nunca compartas un núcleo entre medición y protección — sus ventanas de exactitud son opuestas. Especifica núcleos separados en el mismo TC.
• Atiende al recorrido de cable. En secundarios largos la carga del cable domina; un secundario de 1 A la reduce en 25 veces respecto a 5 A y puede dejar que un núcleo de VA menor mantenga la clase.
• Dimensiona para la falla que calculaste. La verificación del ALF de protección vale tanto como el estudio de cortocircuito que alimenta Ik.
• Alinea norma y función. IEC 61869-2 / NBR 6856 rigen los transformadores de corriente; IEC 61869-3 / NBR 6855 rigen los transformadores de tensión inductivos; la IEEE C57.13 es la contraparte ANSI.

Resuelto de extremo a extremo — relación, carga, factor efectivo, verificación de saturación y soportabilidades de cortocircuito para el TC, y relación más factor de tensión para el TP — este método transforma un punto unifilar en un dato de placa completo y comprable de transformador de instrumento.