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Introducción a la Selección del JLS-20K
La selección adecuada de un transformador de tensión (VT, por sus siglas en inglés) como el modelo JLS-20K no es simplemente un paso técnico en el diseño de una subestación o red de distribución; es una decisión crítica que impacta directamente en la seguridad operativa, la precisión de las mediciones y la confiabilidad del sistema de protección. Un VT mal seleccionado puede provocar errores sistemáticos en la facturación de energía, fallas en los relés de protección ante condiciones de sobretensión o cortocircuito, e incluso riesgos para el personal debido a fallos dieléctricos.
El JLS-20K es un transformador de tensión inductivo diseñado específicamente para sistemas con tensión nominal de 20 kV (con tensión máxima de sistema de 21 kV según normativa IEC). Su función principal es reducir la tensión primaria del sistema a un valor estandarizado —generalmente 100 V o 110 V— para alimentar instrumentos de medición, relés de protección, registradores de eventos y otros dispositivos secundarios. La exactitud de esta reducción depende de múltiples factores técnicos que deben evaluarse cuidadosamente durante la etapa de especificación.
Los factores clave que todo ingeniero debe considerar al seleccionar un VT como el JLS-20K incluyen:
- Tensión del sistema: Debe coincidir con la tensión nominal y la tensión máxima de operación continua del sistema eléctrico.
- Nivel de aislamiento: Determinado por la tensión soportada a frecuencia industrial y por impulso tipo rayo, según normas IEC 61869-3 o IEEE C57.13.
- Relación de transformación: Define la tensión secundaria disponible y debe ajustarse a los rangos de operación de los equipos conectados.
- Clase de precisión: Varía según la aplicación: medición precisa (clases 0.2, 0.5), protección (5P, 10P) o monitoreo general.
- Potencia térmica asignada (burden): Capacidad del VT para alimentar cargas sin exceder límites de error ni calentamiento.
- Condiciones ambientales: Altitud, contaminación, temperatura ambiente y humedad afectan el diseño del aislamiento externo.
Ignorar cualquiera de estos aspectos puede llevar a subdimensionamiento (riesgo de saturación, errores de medición) o sobredimensionamiento (costos innecesarios, tamaño excesivo). En sistemas de distribución media tensión como los de 20 kV, donde la calidad del suministro y la protección contra fallas son prioritarias, la correcta especificación del JLS-20K se convierte en un pilar fundamental del diseño eléctrico.
Selección según la Tensión del Sistema
El sistema eléctrico de 20 kV es común en redes de distribución urbana e industrial en Europa, Latinoamérica y partes de Asia. Aunque se denomina «sistema de 20 kV», su tensión máxima de operación continua es de 21 kV, según la norma IEC 60038. Por lo tanto, cualquier equipo conectado —incluido el transformador de tensión— debe estar diseñado para soportar esta tensión máxima sin degradación del aislamiento ni pérdida de precisión.
El JLS-20K está clasificado para una tensión más elevada para el material (Um) de 24 kV, lo que proporciona un margen de seguridad frente a sobretensiones temporales. Sin embargo, el ingeniero debe verificar tres parámetros críticos relacionados con la tensión:
- Tensión primaria nominal (Un): Debe ser 20/√3 kV (≈11.55 kV) en conexión fase-tierra, o 20 kV en conexión fase-fase. El JLS-20K suele configurarse para medición fase-tierra, por lo que su tensión primaria nominal es 20/√3 kV.
- Nivel de aislamiento: Se define mediante dos pruebas:
- Tensión soportada a frecuencia industrial (50/60 Hz): típicamente 50 kV durante 1 minuto.
- Tensión soportada por impulso tipo rayo (BIL): normalmente 125 kV o 170 kV, dependiendo del nivel de exposición del sistema.
- Coordinación del aislamiento: El nivel BIL del VT debe ser compatible con el del resto del equipo en la subestación (interruptores, seccionadores, pararrayos). Si los pararrayos tienen un nivel de protección de 95 kV, el VT debe tener un BIL ≥ 125 kV para garantizar que la onda de impulso se descargue por el pararrayos antes de dañar al VT.
A continuación se presenta una tabla orientativa para seleccionar el VT según el nivel de tensión del sistema:
| Tensión Nominal del Sistema (kV) | Tensión Máxima del Sistema Um (kV) | Tensión Primaria Nominal del VT (kV) | BIL Mínimo Recomendado (kV) | Tensión Industrial Soportada (kV, 1 min) |
|---|---|---|---|---|
| 15 | 17.5 | 15/√3 ≈ 8.66 | 95 | 36 |
| 20 | 21 | 20/√3 ≈ 11.55 | 125 | 50 |
| 24 | 25.2 | 24/√3 ≈ 13.86 | 150 | 60 |
| 33 | 36 | 33/√3 ≈ 19.05 | 170 | 70 |
En un proyecto real en Santiago de Chile, un ingeniero especificó un VT con BIL de 95 kV para un sistema de 20 kV en zona montañosa con alta actividad atmosférica. Tras varias fallas por descargas, se determinó que el BIL era insuficiente frente a los picos inducidos por rayos cercanos. La solución fue reemplazar los VT por unidades JLS-20K con BIL de 125 kV, alineadas con los pararrayos de 90 kV de nivel de protección. Este caso ilustra la importancia de no solo mirar la tensión nominal, sino también el entorno operativo.
Selección de la Relación de Transformación
A diferencia de los transformadores de corriente, en los VT la relación de transformación (RT) se define como la relación entre la tensión primaria nominal y la tensión secundaria nominal. Para el JLS-20K, las relaciones más comunes son:
- 20/√3 kV / 100/√3 V → RT = 200
- 20/√3 kV / 100 V → RT = 115.5
- 20 kV / 100 V → RT = 200 (para conexión fase-fase)
La elección depende de la configuración del sistema (estrella con neutro accesible o delta) y del tipo de instrumentos conectados. Por ejemplo, los medidores de energía trifásicos en sistemas con neutro suelen requerir tensiones fase-tierra de 100/√3 V (≈57.7 V), mientras que los relés de protección pueden aceptar 100 V fase-fase.
Es crucial entender que la relación de transformación no depende de la corriente, ya que el VT opera prácticamente en vacío (corriente secundaria muy baja). Sin embargo, sí influye en el rango de medición y en la capacidad de detectar sobretensiones. Por ejemplo, si el sistema opera normalmente a 20 kV pero puede alcanzar 22 kV durante picos de carga, el VT debe mantener su precisión hasta al menos 1.1 × Un (22 kV).
Ejemplo de cálculo: Se requiere medir tensión en un alimentador de 20 kV con neutro sólidamente aterrizado. El medidor de energía necesita 57.7 V fase-tierra. La relación de transformación requerida es:
RT = (20 000 / √3) / (100 / √3) = 20 000 / 100 = 200.
Por lo tanto, se selecciona un JLS-20K con relación 20/√3 kV / 100/√3 V.
Si, en cambio, se usara un relé de protección que requiere 100 V fase-fase, la relación sería:
RT = 20 000 V / 100 V = 200 → mismo valor numérico, pero distinta conexión interna.
La siguiente tabla resume las relaciones típicas para sistemas de 20 kV:
| Aplicación | Conexión del Sistema | Tensión Secundaria Requerida | Relación de Transformación (Primario/Secundario) |
|---|---|---|---|
| Medición de energía (trifásica) | Estrella con neutro | 100/√3 V (fase-tierra) | (20/√3) kV / (100/√3) V |
| Protección diferencial de barra | Estrella con neutro | 100 V (fase-fase) | 20 kV / 100 V |
| Monitoreo de tensión simple | Fase-tierra | 110 V | (20/√3) kV / 110 V |
| Sistemas sin neutro (delta) | Delta | 100 V (fase-fase) | 20 kV / 100 V |
Un error común es asumir que cualquier relación «200:1» sirve para todos los casos. Pero la configuración interna del devanado secundario (estrella o delta) y la presencia de devanados auxiliares (para detección de falla a tierra) también influyen. El JLS-20K puede incluir un tercer devanado (terciario) con relación 20/√3 kV / 100 V para relés de secuencia cero, lo que debe especificarse explícitamente.
Selección de la Clase de Precisión
La clase de precisión define el error máximo permisible en tensión y ángulo de fase bajo condiciones definidas de carga (burden) y rango de tensión. En los VT, las clases se dividen en dos categorías principales: medición y protección.
Clases para medición:
- Clase 0.2: Error de tensión ≤ ±0.2%, error de fase ≤ ±10 minutos. Usada en facturación y centros de transformación comerciales.
- Clase 0.5: Error ≤ ±0.5%, fase ≤ ±20 minutos. Aplicaciones generales de medición industrial.
- Clase 1: Menos precisa, usada en monitoreo no crítico.
Clases para protección:
- 5P: Error compuesto ≤ 5% a tensión nominal y burden asignado.
- 10P: Error compuesto ≤ 10% bajo las mismas condiciones.
A diferencia de los TC, los VT para protección no se definen por factor de límite de precisión (FLP), ya que su comportamiento no se ve afectado por corrientes de cortocircuito, sino por sobretensiones. Por ello, las clases 5P y 10P indican precisión en condiciones de sobretensión (hasta 1.2–1.9 × Un, según norma).
La selección depende de la aplicación:
| Aplicación | Clase de Precisión Recomendada | Razón |
|---|---|---|
| Facturación comercial (energía activa/reactiva) | 0.2 o 0.2S | Requisitos legales de metrología; errores >0.5% generan disputas económicas. |
| Medición técnica en planta industrial | 0.5 | Balances energéticos internos; tolerancia moderada. |
| Relés de sobretensión o infratensión | 5P20 o 10P | Debe mantener precisión hasta 1.9×Un para evitar disparos falsos. |
| Relés de distancia (impedancia) | 5P | Requiere alta linealidad en todo el rango de operación. |
| Monitoreo SCADA general | 1 o 3 | No crítico; solo tendencias operativas. |
En un caso real en una planta siderúrgica en México, se instaló un JLS-20K con clase 1 para alimentar un relé de sobretensión. Durante una maniobra de reconexión, el sistema alcanzó 23 kV (1.15×Un), pero el VT saturó y entregó solo 95 V en vez de 115 V. El relé no actuó, y un motor de 2 MW sufrió daños por sobretensión. La solución fue reemplazar el VT por uno de clase 5P20, capaz de mantener precisión hasta 1.9×Un.
Finalmente, la clase de precisión impacta directamente en el costo y tamaño del VT. Un JLS-20K clase 0.2 puede costar un 30–40% más que uno clase 0.5, debido a núcleos de mayor calidad y mayor número de espiras. Por ello, el ingeniero debe equilibrar requisitos técnicos,
Cálculo de la Carga Secundaria
El transformador de tensión JLS-20K, diseñado para sistemas de 20 kV con tensión nominal primaria de 21 kV (valor eficaz), opera típicamente con una tensión secundaria estandarizada de 100 V o 100/√3 V en conexiones fase-tierra. La precisión de este equipo está directamente ligada a la carga conectada en su devanado secundario. El fabricante especifica clases de precisión (por ejemplo, 0.5, 1, 3P, 6P) junto con una carga nominal expresada en voltamperios (VA), como 30 VA, 50 VA o 100 VA. Esta carga nominal representa el valor máximo que puede conectarse sin que el error de relación y el error de fase excedan los límites establecidos por la norma IEC 61869-3.
La carga total efectiva (Stotal) se compone de tres elementos principales:
- Impedancia de los dispositivos conectados: medidores de energía, relés de protección, registradores de perturbaciones, etc.
- Resistencia de los cables secundarios: especialmente relevante en instalaciones con largas distancias entre el transformador y los equipos.
- Pérdidas por conexión: normalmente despreciables si se usan terminales adecuados, pero deben considerarse en diseños críticos.
La fórmula general para calcular la carga aparente total es:
Stotal = Vn² / Zeq
Donde:
- Vn = tensión nominal secundaria (100 V o 57.7 V)
- Zeq = impedancia equivalente total vista desde el secundario del transformador (en ohmios)
Alternativamente, si se conocen las cargas individuales en VA y sus factores de potencia, se puede usar la suma vectorial:
Stotal = √[(ΣP)2 + (ΣQ)2]
Donde P es la potencia activa y Q la potencia reactiva de cada dispositivo.
Ejemplo práctico: Supongamos un JLS-20K con secundario de 100 V, clase de precisión 0.5 y carga nominal de 50 VA. Se conectan:
- Un medidor de energía trifásico: 3 × 1.5 VA (factor de potencia = 0.8 inductivo)
- Un relé de sobretensión: 2 VA (factor de potencia = 0.6 inductivo)
- Cables de cobre de 4 mm², longitud total ida y vuelta = 60 m
Paso 1: Calcular resistencia de los cables.
Resistividad del cobre (ρ) ≈ 0.0178 Ω·mm²/m
Rcable = ρ × L / A = 0.0178 × 60 / 4 = 0.267 Ω
Paso 2: Calcular carga en VA debida a los cables.
Inom estimada ≈ Stotal_estimado / Vn ≈ 10 VA / 100 V = 0.1 A (valor inicial aproximado)
Pérdidas en cables ≈ I² × R = (0.1)² × 0.267 ≈ 0.0027 W → despreciable en primera iteración.
Sin embargo, para mayor precisión, se calcula la impedancia equivalente requerida para no exceder 50 VA:
Zmin = Vn² / Snom = 100² / 50 = 200 Ω
Paso 3: Sumar cargas de dispositivos.
Medidor: P = 3 × 1.5 × 0.8 = 3.6 W; Q = 3 × 1.5 × 0.6 = 2.7 var
Relé: P = 2 × 0.6 = 1.2 W; Q = 2 × 0.8 = 1.6 var
ΣP = 4.8 W; ΣQ = 4.3 var
Sdispositivos = √(4.8² + 4.3²) ≈ 6.45 VA
Paso 4: Verificar margen para cables.
Carga restante disponible = 50 – 6.45 ≈ 43.55 VA
Corriente máxima admisible = 50 VA / 100 V = 0.5 A
Caída de tensión máxima admisible en cables ≈ 0.5 A × 0.267 Ω ≈ 0.133 V (0.13% de 100 V)
Esta caída es aceptable y no afecta significativamente la precisión.
Impacto de sobrecarga: Si Stotal > carga nominal, el transformador entra en saturación parcial, aumentando drásticamente los errores de relación y fase. En aplicaciones de protección (clase 3P o 6P), esto puede causar operación incorrecta de relés. En medición, genera errores sistemáticos en facturación energética.
Verificación de Estabilidad de Cortocircuito
Aunque los transformadores de tensión (TV) no están expuestos a corrientes de cortocircuito del sistema como los transformadores de potencia, sí pueden verse afectados por fallas en su propio secundario (cortocircuito accidental en bornes secundarios) o por tensiones transitorias durante fallas en el primario. El JLS-20K debe cumplir con requisitos de estabilidad térmica y dinámica según IEC 61869-3.
Estabilidad térmica (Ith): Se refiere a la capacidad del TV para soportar, sin daño, el calentamiento producido por una corriente de cortocircuito durante un tiempo especificado (típicamente 1 s). Para un TV, el cortocircuito relevante ocurre en el secundario. La corriente térmica nominal Ith se define como:
Ith = k × In
Donde:
- In = corriente nominal secundaria (normalmente no definida explícitamente, pero derivada de la carga nominal: In = Snom / Vn)
- k = factor de sobrecarga térmica (típicamente 50–100 para TV de media tensión)
Por ejemplo, para un JLS-20K de 50 VA / 100 V:
In = 50 / 100 = 0.5 A
Si el fabricante declara Ith = 25 A durante 1 s, entonces k = 50.
La verificación consiste en asegurar que cualquier protección secundaria (fusibles o interruptores automáticos) desconecte la falla antes de que se supere el tiempo térmico admisible. El fusible secundario debe tener una curva de actuación más rápida que la curva térmica del TV.
Estabilidad dinámica (Idyn): Hace referencia a la capacidad mecánica de los devanados para resistir las fuerzas electrodinámicas generadas por picos de corriente durante el cortocircuito. La corriente dinámica nominal Idyn suele ser 2.5 veces Ith:
Idyn = 2.5 × Ith
En el ejemplo anterior: Idyn = 2.5 × 25 = 62.5 A pico.
Estas corrientes inducen fuerzas radiales y axiales en los devanados. El diseño del JLS-20K, con bobinado encapsulado en resina epoxi (tecnología cast resin), ofrece alta rigidez mecánica, lo que garantiza estabilidad dinámica incluso bajo condiciones severas. No obstante, es responsabilidad del ingeniero verificar que:
- Los fusibles secundarios limiten la corriente de falla por debajo de Idyn.
- No existan capacitores o circuitos resonantes que puedan generar sobretensiones peligrosas durante fallas.
Además, en sistemas con alta potencia de cortocircuito, se recomienda instalar fusibles primarios (por ejemplo, 0.5 A o 1 A en 21 kV) para proteger el TV contra fallas internas o sobretensiones externas.
Selección según Condiciones Ambientales
El JLS-20K es un transformador de tensión monofásico para interior (indoor), comúnmente instalado en celdas de media tensión. Su diseño estándar asume condiciones ambientales normativas según IEC 60060-1:
- Temperatura ambiente: –5 °C a +40 °C
- Altitud: ≤ 1000 m sobre el nivel del mar
- Humedad relativa: ≤ 95% (sin condensación)
- Grado de contaminación: II (ambientes industriales moderados)
Cuando las condiciones reales se desvían de estos valores, se requieren factores de corrección o modificaciones de diseño.
Temperatura ambiente: Si la temperatura supera +40 °C (por ejemplo, en subestaciones sin ventilación adecuada), la capacidad térmica del aislamiento se reduce. Para temperaturas hasta +50 °C, se recomienda reducir la carga secundaria en un 10–15%. Por debajo de –5 °C, el riesgo principal es la condensación al encender el sistema; se sugiere precalentamiento o uso de calefactores anti-condensación.
Altitud: Por encima de 1000 m, la densidad del aire disminuye, reduciendo la rigidez dieléctrica. Según IEC 60071-2, se aplica un factor de corrección a la tensión de ensayo:
Ucorrecta = Uestándar / (1.1 – 0.0001 × (H – 1000))
Donde H es la altitud en metros. Por ejemplo, a 2000 m:
Factor = 1 / (1.1 – 0.0001×1000) = 1 / 1.0 = 1.0 → sin corrección.
A 3000 m: Factor = 1 / (1.1 – 0.2) = 1 / 0.9 ≈ 1.11 → se requiere un TV con nivel de aislamiento superior (por ejemplo, 24 kV en lugar de 21 kV).
Humedad y contaminación: En ambientes costeros o químicos (grado de contaminación III o IV), el JLS-20K estándar puede no ser suficiente. Se recomienda:
- Mayor distancia de fuga en los bushings (≥ 25 mm/kV para grado III)
- Recubrimiento hidrofóbico en aisladores
- Instalación en gabinete sellado con presión positiva de aire seco
El fabricante puede ofrecer versiones especiales del JLS-20K con estas características. Nunca se debe instalar un TV para interior en exterior sin protección adicional, ya que la radiación UV y la lluvia aceleran el envejecimiento del aislamiento epoxi.
Checklist de Selección
Antes de aprobar la selección del transformador JLS-20K, verifique los siguientes parámetros técnicos y ambientales: