Cálculo de Carga para Transformadores Potenciales: Paso a Paso

Los Transformadores Potenciales (PTs) son componentes críticos en los sistemas de energía, diseñados para reducir las altas tensiones del sistema a niveles manejables para dispositivos de medición, protección y control. Su precisión y rendimiento dependen en gran medida de la carga—la carga eléctrica total impuesta en su devanado secundario por los dispositivos conectados (por ejemplo, medidores, relés, transductores) y los conductores de conexión. Superar la carga nominal de un PT puede causar errores de medición significativos, comprometiendo la fiabilidad del sistema.

Esta guía desglosa el proceso de cálculo de la carga en pasos claros y accionables, con explicaciones de conceptos clave, fórmulas y consideraciones prácticas.

Carga (medida en volt-amperios, VA) se refiere a la potencia aparente total consumida por todos los dispositivos conectados al devanado secundario del PT, incluyendo:

Los PT se clasifican para una carga específica (por ejemplo, 50 VA, 100 VA) a un factor de potencia especificado (típicamente 0.8 desfase). Calcular la carga real asegura que se mantenga dentro de esta clasificación para mantener la precisión.

El primer paso es enumerar cada dispositivo conectado al devanado secundario del PT. Estos pueden incluir:

: Medidores de energía, voltímetros, medidores de factor de potencia.

: Relés de sobrevoltaje, relés de subvoltaje, relés de distancia.

: Lámparas indicadoras, transductores para sistemas SCADA.

: Fusibles, bloques de terminales, interruptores.

Nota: Incluso los dispositivos pequeños (por ejemplo, lámparas indicadoras) contribuyen a la carga y deben ser incluidos.

Para cada dispositivo, obtenga su carga nominal (en VA) de las hojas de datos del fabricante o de las placas de identificación. Este valor representa la potencia aparente que consume el dispositivo a su voltaje nominal (típicamente 110 V o 220 V para secundarios de PT).

Detalles clave para registrar:

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La carga de cada dispositivo es su VA nominal en el voltaje secundario del PT. Para la mayoría de los dispositivos, esto es proporcionado directamente por el fabricante (por ejemplo, "10 VA a 110 V").

Si la calificación de un dispositivo se da a un voltaje diferente, conviértalo utilizando la fórmula: VAPT secundario=VArated×(Vdispositivo voltaje calificadoVPT secundario)2

Ejemplo: Un relé con una potencia nominal de 15 VA a 220 V, conectado a un secundario de PT de 110 V: VA110V=15×(220110)2=15×0.25=3.75VA

Los cables de conexión (conductores) entre los terminales secundarios del PT y los dispositivos introducen resistencia (R) y reactancia (X), que consumen VA adicionales. Esta "carga de los conductores" debe sumarse al total.

La resistencia depende del material del cable (cobre/aluminio), la longitud (L, en metros) y el área de la sección transversal (A, en mm²):R=ρ×AL

= resistividad (cobre: 1.72 × 10⁻⁸ Ω·m; aluminio: 2.82 × 10⁻⁸ Ω·m).

Para circuitos secundarios de baja tensión (secundarios de PT: 110–220 V), la reactancia a menudo es negligible a 50/60 Hz, pero para cables largos, usa: X=2πfL×10−3

 = frecuencia del sistema (50 Hz o 60 Hz).

= inductancia por metro (≈ 0.5 μH/m para cables de un solo núcleo en aire).

Simplificación: Para tramos cortos (< 50 m), la reactancia a menudo se ignora y solo se considera la resistencia.

La corriente total (I) en el circuito secundario se determina por la carga total del dispositivo (de la Paso 3): I=PT Voltaje Secundario (V)Total Dispositivo VA

La pérdida de potencia de liderazgo (VA) es: Lead VA=I2×(R+X)

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I=35/110≈0.318A.

=1.72×10−8×(30/1.5×10−6)≈0.344Ω.

La carga total es la suma de:

Nota sobre la Suma de Vectores: Para aplicaciones de alta precisión (por ejemplo, medición de ingresos), las cargas de los dispositivos deben sumarse como vectores (considerando los ángulos de fase de los factores de potencia). Para protección o propósitos generales, la suma aritmética es aceptable (conservadora, ya que sobreestima ligeramente).

Los PT se especifican con una carga nominal (p. ej., 50 VA, 100 VA) y una carga máxima (a menudo 125% de la nominal). La carga total calculada debe ser ≤ carga nominal para precisión, o ≤ carga máxima para operación a corto plazo.

Si la carga total excede la carga nominal:

Incluya un margen de seguridad (típicamente 10–20%) para tener en cuenta:

Vamos a recorrer un ejemplo práctico:

: 10 + 20 + 5 = 35 VA (suma aritmética).

:R=1.72×10−8×(40/2.5×10−6)≈0.275Ω.

: I=35/110≈0.318A.

: I2×R=(0.318)2×0.275≈0.028VA.

: 35 + 0.028 ≈ 35.028 VA.

: 50 VA (asumido).

: 35.028 VA ≤ 50 VA → Aceptable.

: Para aplicaciones críticas, suma las cargas utilizando la adición vectorial (Stotal=(Ptotal)2+(Qtotal)2, donde P=VA×pf, Q=VA×1−pf2).

: La resistencia del plomo aumenta con la temperatura (utilice la resistividad a 20°C para los cálculos, luego ajuste si se conoce la temperatura de funcionamiento).

: Si PT secundario alimenta múltiples circuitos paralelos, calcule la carga de cada circuito y súmelos.

El cálculo de carga asegura que los PTs operen dentro de sus límites nominales, manteniendo la precisión en la medición, protección y control. Al contabilizar sistemáticamente las cargas de los dispositivos, las pérdidas de los conductores y los márgenes de seguridad, los ingenieros pueden optimizar la selección de PT y el rendimiento del sistema. Siempre verifique con las especificaciones del fabricante y las normas relevantes (por ejemplo, IEC 61869-3, ANSI C57.13).