Prueba de excitación y saturación de TC: punto de rodilla y método

Qué es

La prueba de excitación de un transformador de corriente, llamada también prueba de saturación o de punto de rodilla, consiste en aplicar un voltaje alterno variable al devanado secundario con el primario abierto y medir la corriente de excitación que se consume en cada escalón de voltaje. Al graficar juntos los puntos de voltaje y de corriente se obtiene la curva de excitación del núcleo. La curva tiene una parte inferior de ascenso suave, un codo conocido como rodilla y una parte superior muy empinada, donde un pequeño aumento de voltaje exige una corriente enorme porque el hierro está saturado. Se aplica a los transformadores de corriente de clase de protección, entre ellos las unidades tipo boquilla dentro de transformadores e interruptores, los tipos ventana y barra de los tableros y las unidades de relación múltiple con varias derivaciones. Cuando una unidad lleva un núcleo de medición y otro de protección, este último es el que se prueba. Es una verificación del núcleo en sí, independiente de la carga conectada, y complementa las mediciones de relación, polaridad y carga hechas sobre el mismo equipo.

Por qué se realiza

Un relé de protección depende del transformador de corriente para recibir una copia fiel de la corriente de falla, y debe recibirla justo cuando la corriente primaria es mayor y el núcleo soporta el máximo esfuerzo. Si el núcleo se satura demasiado pronto, la onda secundaria se recorta, el relé percibe menos corriente de la que circula en realidad y el disparo puede retrasarse o no ocurrir. Los esquemas diferenciales son especialmente sensibles, porque la saturación desigual de dos transformadores de corriente crea una corriente de operación falsa. Entre los problemas que revela la curva de excitación están las espiras en cortocircuito del devanado secundario, un núcleo dañado o contaminado durante la fabricación, un entrehierro o una junta defectuosa, el magnetismo residual dejado por una prueba de corriente directa, la selección errónea de la derivación en una unidad de relación múltiple y una unidad cuyo diseño no es el especificado. Encontrar estos defectos durante la puesta en servicio cuesta mucho menos que descubrirlos durante una falla del sistema, cuando una operación incorrecta del relé puede convertir un evento local en una interrupción amplia y causar daños a los equipos.

El principio

Un transformador de corriente funciona porque los amperios-vuelta del primario quedan equilibrados por los del secundario, salvo una pequeña parte que magnetiza el núcleo. Esa parte es la corriente de excitación. En la región inferior de la curva el hierro se magnetiza con facilidad, por lo que basta una corriente pequeña y el voltaje sube casi en proporción. Cuando la densidad de flujo se acerca al límite del material, el núcleo ya no admite más flujo, la permeabilidad se desploma y la corriente de excitación se dispara con muy poco voltaje adicional. La transición entre ambas regiones es el punto de rodilla, y las normas lo definen mediante una pendiente determinada de la curva en ejes logarítmicos. El voltaje en la rodilla es una medida aproximada de cuánto voltaje secundario puede sostener el núcleo antes de distorsionar la salida, que es justo la magnitud que necesita el ingeniero de protecciones para compararla con la carga y con la corriente de falla. La curva cambia con el número de espiras en uso, de modo que cada derivación de una unidad de relación múltiple tiene la suya. Como el hierro conserva memoria de la magnetización previa, el flujo residual de una medición anterior en corriente directa o de una corriente pasante puede adelantar la saturación, y por eso la unidad se desmagnetiza antes y después de la prueba.

Cómo se realiza

El circuito se desenergiza, se aísla y se pone a tierra conforme a los procedimientos de seguridad del propietario, y el primario se deja abierto. Los conductores del secundario se desconectan de los relés y medidores, y se abren los puentes de cortocircuito, de modo que solo se pruebe el devanado del transformador de corriente. Como el voltaje de prueba se aplica en el secundario, el lado primario puede desarrollar un voltaje alto; el personal se mantiene alejado de los terminales primarios y toma las mismas precauciones que con un equipo energizado. Se conecta al devanado secundario completo, o a la derivación que se va a probar, una fuente alterna variable de capacidad adecuada, por ejemplo un transformador variable con voltímetro y amperímetro de verdadero valor eficaz, o un analizador de transformadores de corriente diseñado para este fin. El voltaje se eleva por escalones mientras se registra la corriente de excitación, y el barrido se detiene en cuanto se ha rebasado con claridad la rodilla, para no sobreesforzar el devanado ni el instrumento. Luego el voltaje se reduce suavemente hasta cero, sin cortarlo de golpe, a fin de no dejar flujo residual. Después de la prueba se realiza una rutina de desmagnetización, ya sea con la función del propio analizador o bajando lentamente el voltaje en ciclos. Se prueba cada fase y cada derivación que vaya a usarse, y el instrumento debe estar calibrado y trabajar a una frecuencia acorde con el sistema.

Qué se registra

El registro contiene los puntos de voltaje y corriente de excitación que forman la curva de cada fase y de cada derivación medida, el devanado o núcleo secundario sometido a prueba y el voltaje en que se identificó la rodilla. También anota el instrumento y su estado de calibración, la frecuencia de la fuente, la fecha y las condiciones ambientales. Se describe además el estado en que se encontró el equipo, por ejemplo si estaba recién instalado, si había recibido antes una prueba de corriente directa y si se hizo la desmagnetización al terminar. Contar con todos los puntos y no solo con la cifra de la rodilla permite que un revisor posterior superponga curvas y vea dónde y con qué nitidez ocurrió un cambio.

Cómo se juzgan los resultados

Aquí no existe un único valor de aprobación o rechazo, y esta página no ofrece ninguno. La comparación principal se hace entre la curva medida y la curva típica que publica el fabricante para esa unidad y esa relación. Se espera que el voltaje de rodilla medido sea coherente con esa curva y con la clase de exactitud de la unidad, y que la forma sea suave, sin escalones bruscos. Se comparan entre sí las curvas de las tres fases de una misma instalación, con igual relación y diseño, porque un valor atípico sugiere espiras en cortocircuito o un núcleo dañado. La comparación con resultados anteriores del mismo equipo muestra si la característica se ha desplazado. La rodilla además debe ser adecuada para la carga y la corriente de falla del esquema de protección, lo cual es una cuestión de diseño que resuelve el ingeniero de protecciones. El método para definir el punto de rodilla y las clases de exactitud se tratan en IEEE C57.13-2016 e IEEE C57.13.1-2017, mientras que ANSI/NETA ATS-2025 y ANSI/NETA MTS-2023 exigen la prueba de excitación en las aplicaciones de protección; consulte sus copias con licencia para conocer los requisitos aplicables.

Variaciones

La prueba de excitación forma parte de la secuencia de aceptación de los transformadores de corriente usados en protección, y se repite en mantenimiento cuando se revisa el esquema de protección o cuando un resultado anterior resultó dudoso. Los núcleos de clase de medición por lo general no se prueban de esta manera. En una unidad con varios devanados secundarios, cada núcleo de protección se prueba por separado, con los demás abiertos o en cortocircuito según indique el procedimiento. Los transformadores de corriente tipo boquilla instalados dentro de un transformador o de un interruptor se prueban desde la regleta de bornes, con el equipo aislado. Las unidades de relación múltiple se prueban en la derivación en servicio y, de ser posible, también en la más alta, porque la curva depende de las espiras. Los núcleos con entrehierro y las unidades de alta exactitud tienen una rodilla mucho más gradual y requieren criterio, pues la definición normal de rodilla solo conviene a los núcleos sin entrehierro. En todos los casos, la curva publicada por el fabricante es la referencia principal.