Explicación de la saturación de CT: causas, efectos y soluciones para una protección confiable

Un alimentador de 10 kV alimentaba un transformador de distribución de 1600 kVA. Se produjo una falla externa atornillada en la caja de cables y el relé de protección del alimentador no emitió un comando de disparo durante casi cinco segundos. Posteriormente se descubrió que el tanque del transformador, aunque no sufrió daños externos, tenía un desplazamiento de devanado severo. El técnico de relés que investigó el registro de perturbaciones vio un segundo contenido armónico que apareció casi inmediatamente después de que comenzó la falla. El transformador de corriente en el punto estrella se había saturado en el primer ciclo.

Ese evento no es inusual. La saturación de CT sigue siendo una de las razones más comunes por las que los sistemas de protección se comportan de manera impredecible. La conclusión clave es que la saturación no es un problema de configuración de relés que pueda resolverse completamente mediante software. Está influenciado por la especificación del CT, la carga conectada y la condición física del núcleo magnético. Si participa en la especificación de transformadores o aparamenta, vale la pena comprender cómo comienza la saturación y qué puede hacer para evitarla.

¿Qué es la saturación de TC y por qué ocurre?

Un TC ideal reproduciría la corriente primaria en el lado secundario con exacta proporcionalidad en cada instante. En la práctica, el núcleo magnético tiene una capacidad de flujo finita. Cuando la densidad de flujo alcanza el punto de inflexión, la corriente magnetizante aumenta rápidamente y el núcleo no puede entregar el voltaje secundario requerido. La corriente secundaria ya no es una imagen escalada de la corriente primaria.

La condición ocurre siempre que el voltaje secundario requerido excede el voltaje del punto de inflexión. Esto suele ocurrir cuando la corriente primaria es muchas veces mayor que el valor nominal, especialmente durante fallas asimétricas. El componente de CC de una falla asimétrica desplaza el flujo en el núcleo de modo que la saturación comienza antes y es más profunda. Un CT que funciona bien con carga nominal puede saturarse en menos de medio ciclo bajo una corriente de falla alta.

En términos de protección, la cifra importante es el factor límite de precisión. Un CT clase 5P20 garantiza un error compuesto inferior al 5% a veinte veces la corriente primaria nominal, siempre que la carga no exceda la carga nominal. Si la corriente de falla máxima en la instalación es cuarenta veces la corriente nominal, es probable que el CT se sature aunque esté marcado como 5P20.

Cómo afecta la saturación del CT al rendimiento de la protección

El efecto inmediato es que el relé de protección recibe una versión distorsionada de la corriente de falla. Un TC saturado produce una corriente secundaria con un pico aplanado reconocible y un contenido armónico significativo. El resultado es uno de los siguientes:

• Los relés de sobrecorriente funcionan más lentamente porque el valor RMS de la corriente distorsionada es menor que el valor real.
• Los relés diferenciales pueden ver la distorsión de la forma de onda como una falla interna y emitir un disparo falso.
• Los relés de distancia no alcanzan la protección de línea porque la impedancia medida está distorsionada.
• Es posible que la protección contra fallas del interruptor no reciba una señal creíble de la segunda etapa, lo que extiende el tiempo de resolución de fallas.

La consecuencia práctica no se limita al esquema de protección. Un disparo retrasado aumenta la energía que pasa a los transformadores, cables y barras colectoras. En el caso de un transformador, el desplazamiento del devanado puede ocurrir antes de que se aísle la falla. El costo de reparación o reemplazo es entonces mucho más alto que el costo de seleccionar correctamente los CT con grado de protección.

La saturación también puede provocar viajes molestos no deseados. En un alimentador con carga ligera, un evento de saturación del CT causado por una corriente de irrupción puede malinterpretarse como una falla. Los relés modernos utilizan bloqueo armónico o identificación de forma de onda, pero el CT físico aún debe tener suficiente cobre y área de núcleo para manejar la irrupción sin perder proporcionalidad.

Cómo identificar y prevenir la saturación de CT durante el diseño

No existe ningún atajo para el cálculo de la saturación. El relé de protección puede utilizar algoritmos que detectan la saturación y bloquean temporalmente el elemento diferencial, pero esa es una técnica de mitigación, no un sustituto del dimensionamiento adecuado del CT. Un relé puede detectar la saturación después de que ocurre; no puede evitar que el núcleo se sature.

El enfoque de ingeniería consiste en especificar el TC mediante la corriente de falla en el peor de los casos y la carga externa:

1. Determine la corriente de falla máxima simétrica y asimétrica en la ubicación del CT.
2. Calcule el voltaje del punto de inflexión requerido utilizando la resistencia secundaria del CT, la resistencia del cable conectado y la carga del relé.
3. Elija una clase de CT con un factor límite de precisión que proporcione suficiente margen de voltaje en estas condiciones.
4. Verifique el rendimiento del CT con la carga real, no con la clasificación de la placa de identificación.

También es importante comprobar el flujo residual en el núcleo antes de que se produzca una falla. La remagnetización puede reducir el rango de flujo utilizable y provocar una saturación más temprana. Algunos esquemas de relés insertan deliberadamente un pequeño retardo de tiempo para evitar el disparo por saturación transitoria, pero el retardo sólo funciona si el CT regresa rápidamente a la región lineal.

La verificación de campo más simple es aplicar un voltaje de frecuencia industrial variable al devanado secundario y trazar la corriente magnetizante. El punto de inflexión aparece cuando la corriente comienza a aumentar bruscamente. Si el voltaje del punto de inflexión medido está por debajo del valor calculado para la corriente de falla, el CT se saturará bajo esa falla. Esta prueba debe ser parte de la puesta en servicio, no algo que se deje para una sesión posterior de resolución de problemas.

Donde la saturación del TC se encuentra con las decisiones de compra de transformadores

Cuando se compra un transformador para un proyecto, la atención se centra naturalmente en la eficiencia, las dimensiones y el precio. Los CT asociados suelen estar en las especificaciones del cuadro de distribución y pueden tratarse como una ocurrencia de último momento. Sin embargo, la protección del transformador es tan confiable como los CT que alimentan el relé. En nuestro trabajo con transformadores de distribución, hemos visto consistentemente que un sitio con estudios de saturación de TI correctos tiene un riesgo mucho menor de disparos inesperados. Por ejemplo, el transformador de distribución de aleación amorfa que fabricamos tiene pérdidas sin carga extremadamente bajas, pero aún necesita un CT de protección con suficiente margen de saturación para una falla terminal.

Transformador sin distribución de aleación amorfa para distribución de energía industrial Este transformador ofrece pérdidas sin carga extremadamente bajas y un diseño completamente sellado en baño de aceite. Su protección se basa en TI del tamaño correcto con suficiente margen de saturación para evitar disparos inesperados durante fallas terminales. Ver producto →

Los transformadores de tipo seco son un caso aparte. Su ubicación dentro o cerca de un edificio a menudo requiere una protección más sensible para minimizar el riesgo de incendio. El entorno sensible al fuego significa que el tiempo de disparo debe ser corto, pero un CT que se satura rápidamente puede evitar que el relé detecte el nivel de corriente real. Nuestra gama de transformadores de distribución de tipo seco está diseñada con márgenes térmicos conservadores para que, en condiciones de sobrecarga, la protección tenga tiempo de funcionar, mientras que el CT aún puede reproducir una corriente fiel durante los primeros ciclos de una falla.

Transformador de distribución tipo seco con aislamiento fundido de resina epoxi Diseñado para ambientes interiores sensibles al fuego, este transformador presenta una construcción retardante de llama y libre de mantenimiento. Su protección requiere tiempos de disparo cortos, pero los márgenes térmicos conservadores permiten que los CT reproduzcan la corriente de falla de manera confiable. Ver producto →

Las instalaciones marinas introducen una capa adicional de complejidad porque las corrientes de falla suelen ser altas y la red de suministro está aislada. Un transformador marino refrigerado por agua en la sala de máquinas de un barco puede ser alimentado desde un generador cuya relación X/R sea alta, produciendo una fuerte compensación de CC que puede saturar los CT incluso durante fallas moderadas. Hemos entregado transformadores marinos donde el ingeniero del proyecto requirió explícitamente una verificación de saturación del CT para el transformador de corriente de punto estrella. El transformador está construido para un ambiente cargado de sal; el diseño de la protección aún depende de las mismas reglas de dimensionamiento del CT.

Transformador marino refrigerado por agua para barcos y plataformas marinas Construido para condiciones marinas duras con resistencia a la niebla salina, al moho y a la humedad. En redes de barcos aisladas con relaciones X/R altas, las comprobaciones adecuadas de saturación de CT son esenciales para una protección confiable. Ver producto →

A nivel del cuadro de distribución, los TC se montan dentro del cuadro de media tensión y su rendimiento no se puede separar de la clasificación del alimentador. Una aparamenta KYN28, por ejemplo, puede tener un comportamiento de saturación de TI muy diferente según el material del núcleo y el devanado secundario. El proveedor del tablero debe proporcionar la clase del CT y el voltaje del punto de inflexión, no solo la relación de corriente.

Si necesita un ejemplo más práctico de dimensionamiento de CT en equipos marinos, nuestro artículo sobre Estándares de diseño de transformadores marinos y consejos de selección. cubre los parámetros clave. Para preguntas más amplias sobre el sistema, el sección de soluciones de nuestro sitio explica cómo la selección de transformadores y aparamenta encaja con la coordinación de protección.

La lección es sencilla. La saturación del CT es un problema de especificación que cruza el límite entre transformadores, aparamenta y configuraciones de relés. Unos minutos adicionales dedicados al análisis de saturación en la etapa de diseño pueden evitar un mal funcionamiento de la protección que provoque meses de tiempo de inactividad. Si está reemplazando equipos o construyendo una nueva subestación, solicite al proveedor del tablero que le proporcione el voltaje del punto de inflexión del CT para la falla en el peor de los casos y no acepte una clase genérica 5P20 sin un cálculo.

En última instancia, una protección confiable depende de toda la cadena: el transformador, el interruptor, los TI y el relé. Un fabricante de transformadores puede ofrecer una unidad eficiente y robusta, pero el rendimiento de la protección aún depende de los TI instalados a su alrededor. Asegúrese de que la verificación de saturación del CT sea parte de su próxima conversación sobre adquisiciones.