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Introducción a la Selección del LJM-1
La correcta selección de un transformador de corriente (TC), como el modelo LJM-1 para sistemas de 10 kV (con tensión máxima del sistema de 11 kV), no es un mero trámite técnico, sino una decisión crítica que impacta directamente en la seguridad operativa, la confiabilidad del sistema eléctrico y la precisión de las mediciones o protecciones asociadas. Un TC mal dimensionado puede provocar errores significativos en los equipos de medición, fallas en la operación de relés de protección ante fallas reales, o incluso poner en riesgo la integridad del personal y los equipos por sobretensiones o saturación magnética.
El LJM-1 es un transformador de corriente tipo poste, diseñado para instalación exterior en redes de distribución media tensión. Su construcción robusta, con núcleo toroidal encapsulado en resina epoxi y terminales adecuados para conexiones aéreas, lo hace ideal para aplicaciones en subestaciones compactas, celdas de anillo o postes de distribución. Sin embargo, su idoneidad depende de múltiples factores técnicos que deben evaluarse cuidadosamente antes de su especificación.
Los factores clave que todo ingeniero debe considerar al seleccionar un LJM-1 incluyen:
- Tensión nominal del sistema y nivel de aislamiento: El TC debe soportar tanto la tensión continua como los sobrevoltajes transitorios y de maniobra sin fallar.
- Corriente primaria nominal y relación de transformación: Debe cubrir la corriente de carga normal, permitir margen para sobrecargas previsibles y garantizar precisión en el rango de operación.
- Clase de precisión requerida: Depende de la aplicación: medición de energía, facturación, protección diferencial, sobrecorriente, etc.
- Carga secundaria conectada: La impedancia total del circuito secundario (cables, relés, medidores) afecta directamente la exactitud y el comportamiento bajo falla.
- Factor de sobrecorriente térmico y dinámico: Capacidad del TC para soportar corrientes de cortocircuito sin daño mecánico o térmico.
- Condiciones ambientales: Temperatura ambiente, humedad, contaminación, altitud, que influyen en el diseño del aislamiento y la disipación térmica.
Ignorar cualquiera de estos aspectos puede llevar a consecuencias graves: desde multas por errores en facturación energética hasta apagones no selectivos o daños catastróficos en equipos. Por ello, esta guía se enfoca en proporcionar criterios prácticos, basados en normas internacionales (IEC 61869-2, IEC 60044-1) y experiencia de campo, para seleccionar correctamente el LJM-1 en aplicaciones reales de 10 kV.
Selección según la Tensión del Sistema
El sistema eléctrico opera a 10 kV (valor eficaz entre fases), pero el transformador de corriente debe diseñarse para la tensión máxima del sistema, que en este caso es 11 kV. Esta distinción es fundamental: la tensión máxima del sistema (Um) es el valor más alto de tensión que puede aparecer en condiciones normales de operación, y define los requisitos de aislamiento del equipo.
El LJM-1 está clasificado para Um = 12 kV (valor típico en muchos fabricantes para cubrir sistemas de 10/11 kV), lo que implica que su aislamiento debe cumplir con los niveles de ensayo especificados en la norma IEC 61869-2 para esa tensión. Los parámetros clave son:
- Tensión soportada a frecuencia industrial (50/60 Hz): Normalmente 28 kV durante 1 minuto entre bornes y tierra.
- Tensión soportada de impulso tipo rayo (LI): Generalmente 75 kV (onda 1.2/50 µs).
Estos valores no son arbitrarios. Responden a la necesidad de coordinar el aislamiento del TC con el resto del sistema (interruptores, seccionadores, pararrayos). Por ejemplo, si el pararrayos del sistema tiene una tensión residual de 45 kV ante una descarga de 10 kA, el nivel de aislamiento del TC debe ser suficiente para que, bajo ese sobrevoltaje, no ocurra una descarga disruptiva. En la práctica, esto significa que el LJM-1 debe tener un nivel de aislamiento LI ≥ 75 kV para sistemas de 10 kV con pararrayos estándar.
A continuación se presenta una tabla orientativa para la selección del LJM-1 según el nivel de tensión del sistema:
| Tensión Nominal del Sistema (kV) | Tensión Máxima del Sistema Um (kV) | Nivel de Aislamiento Requerido (LI / Frec. Ind.) | Compatibilidad con LJM-1 |
|---|---|---|---|
| 6 | 7.2 | 60 kV / 20 kV | Sí (sobredimensionado, pero funcional) |
| 10 | 11 | 75 kV / 28 kV | Sí – Aplicación típica |
| 15 | 17.5 | 95 kV / 38 kV | No – Requiere modelo de mayor aislamiento |
| 20 | 24 | 125 kV / 50 kV | No – Fuera de rango del LJM-1 |
Advertencia práctica: Nunca instale un LJM-1 en un sistema cuya tensión máxima exceda 12 kV. Aunque el sistema opere normalmente a 10 kV, eventos como pérdida de carga o resonancias pueden elevar temporalmente la tensión por encima de 11 kV. Si el aislamiento del TC no está dimensionado para ello, se producirá una falla dieléctrica con posibles arcos eléctricos y explosión del equipo.
Selección de la Relación de Transformación
La relación de transformación (RT) de un TC se expresa como Ip/Is, donde Ip es la corriente primaria nominal e Is es la corriente secundaria nominal (generalmente 1 A o 5 A). Para el LJM-1, las relaciones comunes incluyen 50/5, 100/5, 200/5, 400/5, 600/5, etc.
La selección de la RT óptima requiere equilibrar tres aspectos:
- Precisión en condiciones normales: El TC debe operar en su rango lineal durante la corriente de carga típica (normalmente entre 20% y 100% de Ip).
- Capacidad ante sobrecargas: Debe soportar corrientes superiores a Ip (por ejemplo, 120–150%) sin saturación excesiva si se usa para medición.
- Sensibilidad en protecciones: Para relés de sobrecorriente, la RT debe permitir que corrientes de falla mínimas generen suficiente señal secundaria para operar el relé.
Ejemplo práctico: Considere un alimentador de 10 kV que alimenta un transformador de 1 MVA. La corriente nominal del primario es:
In = S / (√3 × V) = 1,000,000 / (1.732 × 10,000) ≈ 57.7 A
La corriente máxima esperada (incluyendo sobrecarga del 25%) sería ≈ 72 A.
Opciones de RT:
- 50/5: Operaría permanentemente por encima del 100% (72/50 = 144%), lo que causa error sistemático y posible calentamiento.
- 75/5: No es estándar en muchos fabricantes del LJM-1.
- 100/5: Corriente de carga normal ≈ 58% de Ip → dentro del rango óptimo (20–100%). Sobrecarga del 25% → 72% de Ip. Adecuado para medición y protección.
Si el mismo alimentador tuviera picos ocasionales de 150 A (por arranque de motores), aún con RT 100/5, el TC podría saturar si se usa para medición clase 0.5. En ese caso, se evaluaría RT 150/5 o 200/5, aunque con pérdida de resolución en baja carga.
La siguiente tabla muestra relaciones típicas del LJM-1 y sus aplicaciones recomendadas:
| Relación (Primario/Secundario) | Corriente de Carga Óptima (A) | Aplicación Típica |
|---|---|---|
| 50/5 | 10 – 50 | Alimentadores ligeros, medición en pequeñas subestaciones |
| 100/5 | 20 – 100 | Transformadores ≤ 1.6 MVA, circuitos industriales medianos |
| 200/5 | 40 – 200 | Alimentadores principales, transformadores 1.6–3.15 MVA |
| 400/5 | 80 – 400 | Subestaciones de entrada, centros de transformación grandes |
| 600/5 | 120 – 600 | Redes de distribución urbana densa, plantas industriales |
Consejo de campo: Siempre verifique la corriente mínima de operación del relé o medidor. Por ejemplo, un relé digital puede requerir al menos 0.1 A secundarios para operar. Con RT 600/5, eso equivale a 12 A primarios. Si la falla mínima en el extremo del alimentador es 10 A, el relé no verá la falla. En esos casos, se prefiere RT menor o relés más sensibles.
Selección de la Clase de Precisión
La clase de precisión define el error máximo permisible en la relación de transformación y el ángulo de fase, bajo condiciones específicas de carga secundaria. Las clases no son intercambiables: usar una clase de protección para medición dará errores inaceptables, y viceversa.
Clases comunes en el LJM-1:
- 0.2S y 0.5S: Diseñadas para medición de energía en rangos amplios (desde 1% hasta 120% de Ip). La «S» indica alta precisión en baja carga. Obligatorias para facturación según muchas regulaciones (ej. CREG en Colombia, CENACE en México).
- 0.5 y 1.0: Para medición general, válidas entre 10% y 120% de Ip. No recomendadas para facturación.
- 5P10, 5P20, 10P10, 10P20: Clases de protección. El número indica el error compuesto máximo (%) bajo corriente de falla especificada (ej. 5P20 = ≤5% de error a 20×Ip). La «P» significa protección.
Criterio práctico:
- Para facturación o contabilidad energética, use siempre 0.2S (si el cliente o la norma lo exige) o 0.5S como mínimo.
- Para medición interna de planta (sin fines comerciales), 0.5 es suficiente.
- Para protección de sobrecorriente, 5P20 es el estándar en redes de 10 kV, ya que cubre la mayoría de las corrientes de cortocircuito (típicamente 10–20×Ip).
- Para protección diferencial, se requieren clases especiales (ej. 5P20 o PX), pero el LJM-1 no suele usarse en esas aplicaciones por su diseño monofásico y falta de compensación de fase.
La siguiente tabla resume la selección por aplicación:
| Aplicación | Clase de Precisión Recomendada | Justificación |
|---|---|---|
| Facturación comercial | 0.2S | Alta precisión desde 1% de carga; exigido por entes reguladores |
| Medición de energía interna | 0.5S o 0.5 | Buena precisión en rango normal de operación; costo-beneficio óptimo |
| Protección de sobrecorriente | 5P20 | Garantiza error ≤5% bajo fallas hasta 20×Ip |
| Protección de tierra (neutro) | 10P10 o 5P20 | Depende de la sensibilidad requerida; 10P10 aceptable si corrientes de falla son bajas |
| Monitoreo SCADA / Telemetría | 0.5 o 1.0 | Precisión moderada suficiente para tendencias y alarmas |
Impacto en costo: Un LJM-1 con clase 0
Cálculo de la Carga Secundaria
El cálculo preciso de la carga secundaria es fundamental para garantizar que el transformador de corriente LJM-1, diseñado para sistemas de 10 kV (con aislamiento nominal de 11 kV), opere dentro de su clase de precisión declarada. La carga secundaria total (Burden) se expresa en voltamperios (VA) o en impedancia (Ω) y representa la suma de todas las cargas conectadas al devanado secundario: relés de protección, medidores, dispositivos de monitoreo y la impedancia del cableado.
La norma IEC 61869-2 establece que la carga asignada debe coincidir con la clase de precisión especificada. Para el LJM-1, comúnmente disponible en clases 0.5 (medición) y 5P10 o 5P20 (protección), cualquier exceso de carga más allá del valor nominal provoca una caída de tensión adicional en el secundario, lo que incrementa los errores de relación y de fase, comprometiendo tanto la exactitud de la medición como la correcta operación de los relés.
La carga total se calcula mediante:
Ztotal = Zcable + Zrelés + Zotros
Donde:
- Zcable = (2 × L × ρ) / A
– L: longitud del circuito secundario (ida y vuelta) en metros.
– ρ: resistividad del cobre (≈ 0.0178 Ω·mm²/m a 20 °C).
– A: sección del conductor en mm². - Zrelés: impedancia de entrada de los dispositivos conectados (generalmente proporcionada por el fabricante en VA o Ω).
- Zotros: incluye contactos, terminales, fusibles, etc., aunque suele ser despreciable si se usan conexiones adecuadas.
Alternativamente, si se trabaja en VA:
VAtotal = I² × Ztotal, con I = 1 A o 5 A según la relación nominal del TC.
Ejemplo práctico para un LJM-1 100/5 A, clase 5P10, 15 VA
Supongamos un sistema con:
- Longitud de cable (ida y vuelta): 60 m
- Sección del cable: 4 mm²
- Relé de sobrecorriente con consumo: 2 VA
- Medidor de energía con consumo: 3 VA
Paso 1: Calcular Zcable
Zcable = (2 × 60 × 0.0178) / 4 = 0.534 Ω
Paso 2: Convertir consumos a impedancia
Para corriente secundaria de 5 A:
Zrelé = 2 VA / (5 A)² = 0.08 Ω
Zmedidor = 3 VA / (5 A)² = 0.12 Ω
Paso 3: Sumar impedancias
Ztotal = 0.534 + 0.08 + 0.12 = 0.734 Ω
Paso 4: Calcular VA total
VAtotal = (5)² × 0.734 = 18.35 VA
Este valor excede la carga nominal de 15 VA del LJM-1. Consecuentemente, el TC no cumplirá su clase 5P10 bajo estas condiciones. Soluciones incluyen aumentar la sección del cable a 6 mm² (reduciendo Zcable a ~0.356 Ω) o seleccionar un modelo con mayor carga asignada (ej. 20 VA).
Una carga excesiva no solo distorsiona la señal secundaria, sino que puede saturar prematuramente el núcleo durante fallas, impidiendo que los relés detecten correctamente la corriente de cortocircuito.
Verificación de Estabilidad de Cortocircuito
El transformador de corriente LJM-1 debe soportar mecánica y térmicamente las corrientes de cortocircuito del sistema de 10 kV. Esta verificación involucra dos parámetros clave definidos en la IEC 61869-2: la corriente térmica nominal de corta duración (Ith) y la corriente dinámica nominal (Idyn).
Corriente térmica nominal (Ith): Es la corriente simétrica de cortocircuito que el TC puede soportar durante un tiempo específico (típicamente 1 s o 3 s) sin sufrir daño por calentamiento excesivo. Se verifica comparando con la corriente de cortocircuito térmica equivalente del sistema:
Ith, sistema = Ik» × √(tf / tn)
Donde:
– Ik»: corriente inicial de cortocircuito simétrica (kA)
– tf: tiempo de actuación de la protección principal (s)
– tn: tiempo base del TC (normalmente 1 s)
El LJM-1 típico tiene valores estándar como Ith = 20 kA/1s o 25 kA/1s. Si Ith, sistema ≤ Ith, TC, se cumple el requisito térmico.
Corriente dinámica nominal (Idyn): Representa la máxima corriente de pico asimétrica que el TC puede soportar sin deformación mecánica debido a las fuerzas electrodinámicas. Se relaciona con Ith mediante:
Idyn ≈ κ × √2 × Ith
Donde κ es el factor de asimetría (usualmente entre 1.4 y 2.0, dependiendo de la constante de tiempo del sistema X/R). Para sistemas de distribución de 10 kV, κ ≈ 1.6 es común, lo que da:
Idyn ≈ 1.6 × 1.414 × Ith ≈ 2.26 × Ith
Por ejemplo, si el LJM-1 tiene Ith = 20 kA/1s, entonces Idyn ≈ 45 kA.
La corriente de pico esperada en el sistema es:
ip = κ × √2 × Ik»
Si ip ≤ Idyn del TC, se cumple el requisito dinámico.
Es crítico verificar ambos valores. Un LJM-1 mal dimensionado en estabilidad de cortocircuito puede sufrir rotura del aislamiento, deformación de bobinas o incluso explosión en caso extremo. Los fabricantes chinos de este modelo suelen certificar estos valores en sus hojas técnicas; siempre solicite el informe de pruebas de tipo.
Selección según Condiciones Ambientales
El LJM-1 es un transformador de corriente de tipo seco, encapsulado en resina epoxi, comúnmente instalado en celdas de media tensión o subestaciones interiores. Sin embargo, su rendimiento puede verse afectado por condiciones ambientales fuera del rango estándar (IEC 60060-1: temperatura ambiente de -5 °C a +40 °C, altitud ≤ 1000 msnm, humedad relativa ≤ 95%, contaminación medioambiental clase II).
Temperatura ambiente
Si la temperatura supera +40 °C, la capacidad térmica del TC disminuye. Aunque el LJM-1 no tiene pérdidas significativas en servicio normal, durante cortocircuitos prolongados el calor acumulado puede degradar la resina. No existe un factor de corrección formal para TCs, pero se recomienda:
- Evitar instalación en gabinetes sin ventilación forzada si T > 45 °C.
- Verificar con el fabricante la curva de envejecimiento térmico del aislamiento (clase térmica típica: F, 155 °C).
Altitud
Por encima de 1000 msnm, la densidad del aire disminuye, reduciendo la rigidez dieléctrica. La norma IEC 60071-2 exige factores de corrección para tensiones de ensayo. Para el LJM-1 (aislamiento 11 kV), si se instala a 2000 msnm:
- El nivel de aislamiento debe incrementarse proporcionalmente (~1.13× a 2000 m).
- Algunos fabricantes ofrecen versiones “alta altitud” con mayor distancia de fuga y refuerzo en el moldeo.
Humedad y condensación
Aunque el encapsulado epoxi protege contra la humedad, en ambientes con ciclos térmicos severos puede formarse condensación en los terminales. Esto incrementa el riesgo de descargas parciales. Recomendaciones:
- Instalar en recintos con control de humedad o usar calefactores anti-condensación.
- Verificar que el TC tenga clasificación IP54 o superior si hay exposición directa a salpicaduras.
Contaminación ambiental
En zonas industriales, costeras o polvorientas, la acumulación de contaminantes sobre la carcasa reduce la distancia de fuga efectiva. El LJM-1 estándar tiene una distancia de fuga mínima de 240 mm/kV (para 11 kV → ~2640 mm). En ambientes clase III o IV (IEC 60815), se requiere:
- Mayor perfil de aislamiento (ranuras o nervaduras).
- Tratamiento hidrofóbico de la superficie.
- Distancia de fuga ≥ 31 mm/kV (≈ 341 mm para 11 kV fase-tierra).
Siempre consulte con el fabricante si el modelo LJM-1 propuesto está certificado para las condiciones específicas del sitio.
Checklist de Selección
Antes de aprobar la selección del transformador de corriente LJM-1 para un sistema de 10 kV, verifique exhaustivamente los siguientes parámetros técnicos:
| Parámetro | Valor Requerido | Verificación |
|---|---|---|
| Tensión máxima del sistema (Um) | 12 kV (compatible con 11 kV LJM-1) | Confirmar que Um ≤ 12 kV |
| Corriente primaria nominal (Ipn) | Según carga del sistema (ej. 100 A, 200 A, 400 A) | Debe cubrir 1.2–1.5× la corriente de plena carga |
| Corriente secundaria nominal | 1 A o 5 A | Preferir 1 A para largas distancias |
| Clase de precisión | 0.5 / 1 para medición; 5P10 / 5P20 para protección | Asignar según función del circuito |
| Carga asignada (Burden) | Ej. 5 VA, 10 VA, 15 VA, 30 VA | VAcalculado ≤ VAasignado |
| Factor de límite de precisión (FLP) | 10 o 20 (para 5P10/5P20) | Verificar que Ifalla ≤ FLP × Ipn |
| Corriente térmica Ith | Ej. 20 kA/1s, 25 kA/1s | Ith,sistema ≤ Ith,TC |
| Corriente dinámica Idyn | Ej. 50 kA | ip,sistema ≤ Idyn,TC |
| Nivel de aislamiento (BIL) | 75 kV (para 11 kV) | Confirmar en ficha técnica |
| Distancia de fuga | ≥ 240 mm/kV (estándar); ≥ 310 mm/kV (contaminación severa) | Evaluar según zona de instalación |
| Condiciones ambientales | Temperatura, altitud, humedad, contaminación | Aplicar factores de corrección si aplica |
| Certificaciones | IEC 61869-2, CCC, CE (según mercado) | Solicitar reporte de pruebas de tipo |
Este checklist asegura que el LJM-1 no solo cumpla con los requisitos eléctricos básicos, sino que también opere de forma segura y confiable durante su vida útil en las condiciones reales de la instalación. Nunca omita la validación de la carga secundaria ni la estabilidad de cortocircuito: son las causas más frecuentes de fallos en campo.