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Transformadores de corriente

Los transformadores de corriente son equipos eléctricos que permiten alterar la tensión en un circuito de corriente alterna, conservando la potencia. A continuación encontrara una amplia variedad de transformadores con propiedades particulares que se ajustaran a las necesidades de su proyecto. Los transformadores de medida de núcleo abierto tienen la facultad de poder colocarse sin tener que desmontar el ensamblaje que se haya realizado, los transformadores de medida de perfil estrecho tienen formas más pequeñas que son más prácticas al ocupar menos espacio en los tableros, los transformadores de protección  mantienen la proporcionalidad entre la intensidad primaria y secundaria garantizando la rápida actuación de los relés a los que están conectados. Los diversos transformadores de corriente que encontrará en nuestro portafolio están disponibles en cubierta de plástico y/o resina.

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Transformadores de corriente de núcleo abierto

Los transformadores de corriente de núcleo partido o núcleo abierto son transformadores de ventana que permiten al usuario un fácil cambio de transformador sin desmontar la instalación. Se caracterizan por tener una ventana amplia, lo que los hace fáciles de instalar y manejar permitiendo un recambio simple y rápido. Al no desmontar la instalación el tiempo de desenergización se reduce, lo que puede ahorrar costes de tiempo y dinero a los proyectos. Puede ordenarlos en resina o plástico.    

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Transformadores de corriente de perfil estrecho

Ahorre en espacio y materiales utilizando estos transformadores de medida, especiales por su relación de tamaño entre ventana y borde. 
Transformador de corriente adapatado para pequeños espacios entre barras. Cuenta con una ventana más amplia y secciones laterales más pequeñas. Al reducir la distancia entre barras o cables, el fabricante puede ahorrar en materiales utilizados para construir el tablero. Sólo disponibles en plástico.

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Transformadores de corriente tipo ventana

Disponibles en resina o plástico, los transformadores de ventana o transformadores primario pasante son los más comunes y utilizados en el sector eléctrico. Sirven para pasar cables o barras a través de la ventana para medir la totalidad de sumas de corriente de estos sin abrir el circuito eléctrico. Se caracterizan por su gran precisión y ser económicos.   

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Transformadores de corriente primario bobinado

Los transformadores de medida de corriente primario bobinado, al igual que los transformadores de ventana permiten la medición de suma de corrientes pero se diferencian al no tener ventana, lo que les permite tener relaciones más bajas. Entre más cerrada es la ventana del transformadores, el núcleo es más grande y se puede llegar a una mayor precisión en relaciones las cuales un transformador de corriente normal no puede alcanzar. Puede encontrarlo también en resina o plástico.

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Transformadores de corriente de protección

Los transformadores de protección se utilizan para la protección contra sobreintensidades y fallas a tierra en sistemas de protección equilibrados. También mantienen la proporcionalidad entre la intensidad primaria y secundaria garantizando la rápida actuación de los relés a los que están conectados.

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Transformadores de corriente de efecto hall

​A diferencia de los transformadores de medida tradicionales, los transformadores de efecto hall se caracterizan porque permite hacer mediciones en corriente continuas. basado en el principio de medida de efecto hall y el método de balance nulo, con aislamiento galvánico entre precisión. Aplica mediciones de precisión para corriente AC, DC y de pulso.  Existen los sensores de lazo cerrado que tienen por lo general un precio más alto, pero son más precisos en la medición. Estos sensores de efecto Hall responden de manera más rápida frente a los sensores de lazo abierto. Estos últimos, en cambio, tienen la capacidad de recibir altas cargas de corriente para su medición y responden a frecuencia de una manera bastante efectiva. 

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Transformador de Corriente: Principios teóricos y funcionales

1. Introducción: La necesidad del transformador y la importancia de la precisión

Siempre que los valores de voltaje o corriente en un circuito de potencia son demasiado altos para una adecuada conexión directa a instrumentos de medición o relés, el acoplamiento se realiza a través de transformadores. Estos transformadores de medición deben producir, con la precisión esperada para cada medición, una réplica reducida a escala de la correspondiente cantidad de entrada de corriente. Y esto es posible a través de una alta eficiencia del transformador. El rendimiento de los transformadores de medición durante y después de grandes cambios inmediatos en la cantidad de entrada de corriente es importante en la medida en que esta cantidad puede apartarse de la forma de onda sinusoidal. Esta desviación puede ser un cambio súbito en la magnitud o un componente transitorio que persiste durante un considerable período de tiempo o ambos. El efecto resultante en el rendimiento del instrumento suele ser insignificante, aunque un cambio persistente en la precisión del transformador puede ser significativo si se quiere una medición precisa.
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Figura 1. Circuito equivalente del transformador

​Sin embargo, se requiere que operen muchos sistemas de protección en la salida de corriente de los transformadores de medición durante el período de perturbación transitoria que sigue a una falla del sistema. Los errores en la salida de corriente del transformador pueden retrasar anormalmente el funcionamiento de la protección o causar operaciones innecesarias. El funcionamiento de tales transformadores debe, por lo tanto, ser examinado analíticamente. El transformador puede representarse en el circuito de la figura 1, en la cual todas las cantidades de corriente están referidas en el lado secundario. Cuando el transformador no tiene una relación de 1:1, es posible representar esta condición energizando el circuito equivalente con un transformador ideal para la relación dada, pero sin pérdidas.

1.2. ¿Cómo elegir un transformador de corriente?

Para la correcta elección de un transformador de medida de corriente deberemos conocer:
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(1) la aplicación a la que va destinado (si es de medida o protección)
(2) las características del entorno de trabajo, o condiciones de uso (interior o exterior, temperatura máxima de trabajo, entre otros)
(3) la características de la línea donde se vaya a instalar el transformador
(4) las dimensiones del cable o pletina
(5) margen de medida de la corriente a medir (corriente máxima y mínima)
(6) sobrecarga (rango y tiempo) 
(7) tensión de la red (baja, media o alta)
(8) corriente de cortocircuito
(9) frecuencia de red
(10) características del instrumento o relé asociado (precisión, corriente nominal, consumo, etc).
(11) Distancia entre el transformador y el instrumento, así como la sección de cable utilizado en la conexión.
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1.3. Transformadores de medida

Los transformadores de voltaje y corriente para valores primarios bajos no son fácilmente distinguibles. Para valores más altos, son normales las diferencias de construcción. Sin embargo, las diferencias entre estos dispositivos se encuentran principalmente en la forma como están conectados al circuito de alimentación. Los transformadores de voltaje son muy parecidos a los transformadores de potencia pequeños. Su diferencia radica solo en detalles de diseño que controlan la precisión de ratio sobre rangos específicos de salida de corriente. Los transformadores de corriente tienen sus principales bovinas conectadas en series con el circuito de alimentación y también el sistema de impedancia (resistencia). La respuesta del transformador es radicalmente diferente en estos dos modos de operación.
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1.4. Transformadores de protección

Mientras que los transformadores de intensidad para medida se caracterizan por saturarse con sobreintensidades moderadas, la forma de proteger los aparatos de medida de los efectos que estas podrían tener sobre ellos es a través de los transformadores de protección, que se caracterizan por mantener la proporcionalidad entre la intensidad primaria y la secundaria, incluso en condiciones de sobrecarga. De esta forma se garantiza la rápida actuación de los relés a los que está conectados.
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Los transformadores son un componente crítico y costoso en un sistema de potencia. Debido al largo tiempo de espera para la reparación y reemplazo de transformadores, un gran objetivo de la protección es limitar el daño a un transformador defectuoso. Algunas funciones de protección, como la protección de sobreexcitación y la protección basada en la temperatura puede ayudar a este objetivo Identificación de condiciones de operación que pueden causar fallas en el transformador. La protección integral del transformador provista por los relés de protección de múltiples funciones es apropiado para transformadores de todas las aplicaciones.

Las clases de precisión son 5P y 10P, donde P significa protección. El exceso del factor de limitación de intensidad (en%) se escribe detrás de la clase de precisión. Esto significa, por ejemplo, 10P5, si la intensidad primaria es cinco veces mayor que la intensidad nominal, el error de la intensidad secundaria no es superior al 10%.
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2. Transformadores de voltaje electromagnéticos

En el modo shunt, la tensión del sistema se aplica a través de los terminales de entrada de un circuito como el que aparece representado en la Figura 1. El diagrama vectorial para este circuito se muestra en la Figura 2. El voltaje de salida secundario Vs debe ser una exacta réplica a escala del voltaje de entrada Vp sobre un rango de salida específico. Para este fin, las caídas de voltaje de la bovina son disminuidas y la densidad de flujo normal en el núcleo se ajusta a fin de estar muy por debajo de la densidad de saturación. Esto con el objetivo de que la corriente de excitación pueda estar en un nivel bajo y la impedancia de excitación sea sustancialmente constante con una variación de la tensión aplicada a lo largo del rango de operación deseado, incluyendo cierto grado de sobretensión.

​Estas limitaciones en el diseño dan como resultado un transformador de voltaje para una carga dada que resulta siendo mucho más grande que un transformador de potencia común y corriente de clasificación similar. La corriente de excitación, en consecuencia, no será tan pequeña en relación con la carga nominal, como lo sería para un transformador de potencia común y corriente.

Figura 2. Diagrama vectorial de transformador de voltaje

2.1. Errores en transformadores de voltaje

Los errores de fase y ratio del transformador se pueden calcular utilizando el diagrama vectorial de la figura 2. El error de ratio se define como:

​[(Kn*Vs ) / Vp  ] x 100%

dónde:
Kn es la ratio nominal
Vp es el voltaje primario
Vs es el voltaje secundario

Si el error es positivo, la tensión secundaria excede el valor nominal. El rango de vueltas del transformador no necesita ser igual a la rango nominal; normalmente habrá una pequeña compensación de vueltas para que el error sea positivo para cargas bajas y negativo para cargas altas.
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El error de fase es la diferencia de fase entre el vector de voltaje secundario invertido y el vector de voltaje primario. Cuando el voltaje secundario invertido conduce al vector primario la diferencia es positiva. Los requisitos en relación a este aspecto están señalados en IEC 60044-2. Todos los transformadores de voltaje deben cumplir con una de las clases referidas en la Tabla 1.

Para fines de protección, la precisión de la medición de voltaje es crucial durante condiciones de falla, ya que la falla puede reducir el voltaje del sistema a un valor bajo. Los transformadores de voltaje para tales tipos de servicio deben cumplir con el rango extendido de requisitos establecidos en la Tabla 2.
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​2.2. Factores de voltaje

El valor Vf en la Tabla 2 es un límite superior de voltaje de operación, expresado en unidad de voltaje nominal (rated voltage). Esto es importante para una correcta operación de relé y para una operación bajo condiciones de falla desbalanceadas sobre sistemas de impedancia de puesta a tierra o sistemas que no tienen puesta a tierra. El resultado es un aumento en la tensión de las fases saludables. Factores de tensión, con su adecuada duración del voltaje máximo, se dan en la tabla 3.
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​2.3. Derivaciones secundarias

Los transformadores de voltaje están diseñados para mantener la precisión en el voltaje de salida en sus terminales secundarios. Para mantener esto, en el caso en que se requieren largos cables secundarios, es posible instalar una caja de distribución cerca del transformador de voltaje para proporcionar cargas de relé y medición sobre cables separados. En caso de ser necesario, también es posible permitir la resistencia de los cables a cargas individuales cuando el equipo en cuestión es calibrado.
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2.4. Protección de transformadores de voltaje

Los transformadores de voltaje pueden ser protegidos por fusibles HRC (High Rupturing Capacity) en el lado primario para voltajes de hasta 66kV. Los fusibles no suelen tener una capacidad de interrupción suficiente para usarlos con voltajes más altos. Los usos son muy diversos y, en algunos casos, se omite la protección en la primaria.

​El secundario de un transformador de voltaje debe estar siempre protegido por fusibles o por un interruptor automático en miniatura (Miniature Circuit Breaker). El dispositivo debe estar ubicado lo más cerca posible del transformador. Un cortocircuito en el cableado del circuito secundario producirá una corriente con un valor excesivo (varias veces el de la salida nominal) causará un calentamiento excesivo. Incluso cuando es posible instalar fusibles primarios, estos generalmente no logran eliminar un cortocircuito del lado secundario debido al bajo valor de la corriente primaria y a la potencia mínima practicable del fusil.
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3. Transformadores de corriente

El transformador es un dispositivo convertidor que permite modificar potencia eléctrica de corriente alterna con un determinado valor de voltaje y corriente en otra potencia de casi el mismo valor pero, generalmente con distintos valores de voltaje y corriente. Un transformador de corriente es diseñado para producir una intensidad diferente en el devanado secundario la cual es proporcional a la corriente que se está midiendo en su devanado primario. Los transformadores se utilizan generalmente cuando son de ventana para medir la corriente sin interrumpir las líneas de corriente. Es una máquina estática de bajas pérdidas y tiene un uso muy extendido en los sistemas eléctricos de transmisión y distribución de energía eléctrica. Existe una gran diversidad de tamaños y tipos de transformadores que se emplean según la necesidad del proyecto, la compañía o industria que los requieran.
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Clásicos transformadores de ventana

​En términos generales, transformadores de corriente y amperímetros se emplean de manera conjunta como un solo equipo de medición en el cual el diseño del transformador es tal que provee una corriente máxima secundaria correspondiente una escala completa del amperímetro. En la mayoría de los transformadores de corriente existe una relación de vueltas inversa aproximada entre las dos corrientes, la del devanado primario y la del secundario. Esta es la razón por la que la calibración de un transformador es generalmente para un tipo específico de amperímetro.
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3.1. Componentes y funcionamiento de un transformador de corriente

Un transformador de corriente es una máquina estática que consta de un bobinado o devanado primario y uno secundario, acoplados alrededor de un núcleo de lámina magnética de acero o hierro (dependiendo de la calidad del transformador) que puede ser cerrado o tener un pequeño entrehierro. ​
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Los devanados son bobinas de cobre o aluminio cubiertas de un barniz aislante y son a través de los cuales se genera o se recibe el flujo de corriente que atraviesa el núcleo. El primario es el devanado por donde entra la corriente y es conectado con un circuito de potencia; puede estar constituido por una espira o múltiples espiras las cuales pueden dividirse en partes iguales y conectarse en serie o paralelo para cambiar la relación del transformador. Generalmente en la práctica el devanado primario no consiste en las espiras sino en el cable o la barra a medir.  Por el otro lado, el devanado secundario es por donde sale la energía hacía las cargas y se conecta a los instrumentos de medida o a los relés de protección; siempre consta de múltiples espiras cuyas derivaciones varían de acuerdo a la relación que se requiera. ​
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Figura 3. Diagrama básico de un transformador de corriente

Al aplicar una fuerza electromotriz (fem) en el devanado primario o inductor, producida por la corriente eléctrica que lo atraviesa, se produce la inducción de un flujo magnético en el núcleo de hierro. Según la ley de Faraday, si dicho flujo magnético es variable, aparece una fuerza electromotriz en el devanado secundario o inducido. De este modo, el circuito eléctrico primario y el circuito eléctrico secundario quedan acoplados mediante un campo magnético.
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La tensión inducida en el devanado secundario depende directamente de la relación entre el número de espiras del devanado primario y secundario y de la tensión del devanado primario. Dicha relación se denomina relación de transformación.
Al conectar una tensión alterna V1 al bobinado primario, circula una corriente por él que genera un flujo de corriente alterna en el núcleo magnético. Este flujo magnético induce en el bobinado secundario una fuerza electromotriz (fem) E2 que da lugar a una tensión V2 en sus respectivos bornes. Así se transforma una tensión alterna de valor eficaz V1 en otra de valor eficaz V2 y de la misma frecuencia. Hay que destacar que los transformadores comunes solo sirven en corrientes alternas; si el usuario desea aplicar cambios de tensiones en corriente continuas tendría que utilizar otros instrumentos especializados como un shunt eléctrico o un transformador de efecto hall, debido a la no existencia del fenómeno de inducción magnética en corriente continua. ​

​La bovina primaria de un transformador de corriente está conectada en serie con el circuito de alimentación y la impedancia es insignificante en comparación con la del circuito de alimentación. La impedancia del sistema de alimentación controla la corriente que pasa a través de la bovina primaria del transformador de corriente. La introducción de la impedancia de carga, referida a través de la ratio de giros, en la conexión de entrada de la Figura 1 es una representación de esta condición. Este enfoque puede verse ilustrado en la Figura 4, donde se toma el ejemplo numérico de un CT 300 / 5A aplicado a un sistema de potencia de 11kV. El sistema se concibe transportando una corriente nominal (300A) y el CT alimentando una carga de 10VA.

Figura 4. Derivación de circuito equivalente de un transformador de corriente

​Un estudio del circuito equivalente final de la Figura 4(c), siguiendo los valores de los componentes típicos, revela todas las propiedades de un transformador de corriente. Se verá que:
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a. la corriente secundaria no se verá afectada por el cambio de la impedancia de carga en un rango considerable
b. el circuito secundario no debe interrumpirse mientras la bovina primaria tenga corriente. Bajo estas circunstancias, la f.e.m secundaria inducida será lo suficientemente alta para considerarse un peligro para la vida y el aislamiento del circuito
c. los errores de ratio y ángulo de fase se pueden calcular fácilmente si se conocen las características de magnetización y la impedancia de carga

3.2. Errores en transformadores de corriente

El diagrama vectorial general (Figura 2) se puede simplificar mediante la omisión de detalles que no son de interés en la medición actual (ver Figura 5). Los errores surgen debido a la derivación de la carga por la impedancia. En esta situación hay un uso de una pequeña porción de la corriente de entrada para estimular el núcleo, reduciendo así la cantidad que se pasa a la carga. De esta forma Is = Ip - Ie, donde Ie depende de Ze, la impedancia de excitación y la f.e.m secundaria Es. Es está dada por la ecuación Es = Is (Zs + Zb), donde Zs es la auto-impedancia de la bovina secundaria, que generalmente puede tomarse como el componente resistivo Rs  solo Zb = la impedancia de la carga. 
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​3.2.1 Error de corriente o de ratio
Esta es la diferencia de magnitud entre Ip e Is y es igual a Ir, el componente de Ie que está en fase con Is.

3.2.2 Error de fase
Este error está representado por Iq, el componente de Ie en cuadratura con Is. Los valores de error actual y error de fase dependen del desplazamiento de fase entre Is e Ie, pero ni el error actual ni el error de fase pueden exceder el error vectorial Ie. 

Figura 5. Diagrama vectorial de transformador de corriente (referido a secundario)

Con una carga moderadamente inductiva, que resulta en una fase aproximada de Is e Ie, habrá un reducido error de fase y el componente de excitación se convertirá casi totalmente en un error de ratio. Una reducción de la bovina secundaria en una o dos vueltas es usada a menudo como compensación de esta situación. Por ejemplo, en el CT correspondiente a la Figura 6.9, el peor error posible a causa del uso de una carga inductiva de valor nominal sería aproximadamente 1.2%. Si la ratio nominal de giros es 2:120, la eliminación de un giro secundario elevaría la salida en un 0,83%, dejando el error de corriente general en -0,37%. Para una carga de valor más bajo o un factor de potencia de carga diferente, el error cambiaría en la dirección positiva a un máximo de +0.7% a carga cero (asumiendo que la reactancia de fuga de la bovina secundaria es insignificante). No se puede hacer la corrección correspondiente para el error de fase, pero se debe tener en cuenta que el error de fase es pequeño para cargas moderadamente reactivas.
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3.3. Errores compuestos

Este error se define en IEC 60044-1 como el valor r.m.s. de la diferencia entre la corriente secundaria ideal y la corriente secundaria real. Incluye los errores de corriente y de fase y los efectos de los armónicos en la corriente de excitación. La clase de precisión de medición de transformadores de corriente se muestra en la Tabla 4.

​3.4. Precisión límite de corriente de transformadores de protección de corriente

El equipo de protección está diseñado para responder a condiciones de falla, y por esta razón se requiere que funcione a valores de corriente por encima de la clasificación normal. Los transformadores de corriente de clase de protección deben conservar una razonable precisión hasta la corriente relevante más grande. Este valor se conoce como "corriente límite de precisión" y puede expresarse en términos primarios o en términos secundarios equivalentes. La ratio entre la corriente de precisión límite y la corriente nominal se conoce como 'factor límite de precisión'. La clase de precisión de los transformadores de corriente de protección se muestra en la Tabla 5.

Aunque la carga de un CT de protección es solo de unos pocos VA en corriente nominal, la salida requerida del CT puede ser considerable si el factor límite de precisión es alto. Por ejemplo, con un factor de límite de precisión de 30 y una carga de 10VA, el CT puede tener que suministrar 9000VA al circuito secundario. Alternativamente, el mismo CT puede ser sometido a una carga alta. Para protección contra sobrecorriente y fallas a tierra, con elementos de consumo de VA similares en la configuración, el elemento de falla a tierra de un relé electromecánico configurado al 10% tendría 100 veces la impedancia de los elementos de sobrecorriente establecidos al 100%. Aunque la saturación de los elementos de relé modifica un poco este aspecto de la materia, el elemento de falla a tierra es una carga grave y es probable que el CT tenga un error de ratio considerable en este caso. Por lo tanto, no es de mucha utilidad aplicar la compensación de turnos a tales transformadores de corriente. Por lo general, es más simple enrollar el CT con giros correspondientes a la ratio nominal. Los transformadores de corriente se usan a menudo para el doble trabajo de medición y protección. Deberán entonces ser calificados de acuerdo a una de las clases presentadas en las Tablas 6.4 y 6.5. La carga aplicada es el total de cargas de instrumentos y relés. La compensación de giros puede ser necesaria para lograr el rendimiento de medición. Las clasificaciones de medición se expresan en términos de carga nominal y clase (por ejemplo, 15VA Clase 0.5). Las clasificaciones de protección se expresan en términos de carga nominal, clase y factor límite de precisión (por ejemplo, 10VA Clase 10P10).
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3.5 Transformadores de corriente clase PX
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La clasificación de la Tabla 5 solo se utiliza para protección contra sobrecorriente. En IEC 60044-1 la Clase PX es la definición para los transformadores de corriente cuasi-transitorios, anteriormente cubiertos por la Clase X de BS 3938, los cuales son comúnmente utilizados con esquemas de protección de unidades. Se ha proporcionado una guía respecto a las especificaciones en la aplicación de transformadores de corriente para protección de fallas a tierra, pero para estos casos y para la mayoría de las otras aplicaciones de protección es mejor referirse directamente al máximo f.e.m. útil que se puede obtener a partir del TC. En este contexto, el 'punto de inflexión' de la curva de excitación se define como 'aquel punto en el que un aumento adicional del 10% de la f.e.m secundaria requeriría un incremento de corriente de excitación del 50%’ (ver Figura 6). Los requisitos de diseño para los transformadores de corriente con fines de protección general se presentan con frecuencia en términos de punto de inflexión de la f.e.m., de la corriente de excitación en el punto de inflexión (o algún otro punto especificado) y de la resistencia de la bovina secundaria. Dichos transformadores de corriente están designados como Clase PX.

Figura 6. Definición de umbral de curva de excitación

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​Referencias:

Artículo traducido y editado de: Alstom Grid. Network Protection & Automation Guide. 2011. Chapter 6: Current and Voltage Transformers. Pg: 79-96.