Evaluación experimental y análisis de precisión de transformadores de corriente inductivos bajo condiciones realistas con carga no lineal y rica en armónicos

Por qué los medidores de energía pueden desviarse silenciosamente

Detrás de cada factura de electricidad, relé de protección o contador inteligente hay un dispositivo modesto llamado transformador de corriente. Su trabajo es reducir corrientes grandes a niveles seguros y medibles. Este artículo plantea una pregunta oportuna: a medida que hogares y fábricas se llenan de electrónicos que deforman la forma de onda de la corriente, ¿se puede seguir confiando en estos transformadores de larga trayectoria para decir la verdad? Al recrear en el laboratorio condiciones reales con alta distorsión, los autores muestran en detalle cuándo y cómo los transformadores de corriente empiezan a inducir errores.

De ondas ordenadas a la realidad desordenada

En un libro de texto, la corriente eléctrica se dibuja como una onda sinusoidal suave. En los edificios reales, sin embargo, dispositivos como variadores de motor, televisores, lámparas de descarga y fuentes de alimentación consumen corriente en pulsos cortos e irregulares. Estas cargas “no lineales” llenan la corriente de componentes de frecuencia adicionales, llamados armónicos, y empujan los núcleos de los transformadores fuera de su región de funcionamiento cómoda. El estudio se centra en dos transformadores de corriente de baja tensión muy usados, nominales 50/5 A y 100/5 A, y pregunta con qué fidelidad pueden reproducir tanto corrientes casi sinusoidales como estas formas de onda mucho más desordenadas.

Un banco de pruebas realista en el laboratorio

Para investigar esta cuestión, los investigadores construyeron un montaje de laboratorio que refleja la práctica industrial. Una fuente de CA de 230 V alimenta aparatos reales dispuestos para crear siete condiciones de carga diferentes, desde operación lineal simple hasta corrientes fuertemente pulsadas y asimétricas. Una resistencia de precisión en la línea principal registra la corriente “verdadera”, mientras que los dos transformadores de corriente, conectados en serie, proporcionan sus versiones escaladas. Un osciloscopio digital captura formas de onda sincronizadas y calcula varios indicadores clave: la corriente eficaz (RMS), que sustenta la facturación energética; la distorsión armónica total (THD), que mide cuánto se aparta una forma de onda de una senoide pura; el error de razón entre la corriente real y la medida; y el error de fase, o desplazamiento temporal entre las corrientes primaria y secundaria.

Qué ocurre cuando aumentan la distorsión y la corriente

Bajo condiciones suaves y casi sinusoidales, ambos transformadores se comportan como prometen sus hojas de datos. Reproducen la corriente con errores de razón muy pequeños, por debajo del 1%, y desplazamientos de fase muy reducidos, y su distorsión armónica es solo ligeramente peor que la de la fuente. En cuanto aparecen cargas no lineales, la historia cambia. Corrientes pulsadas y muy distorsionadas llevan los núcleos magnéticos hacia la saturación. Entonces los transformadores infravaloran o sobrevaloran la corriente real, muestran errores de razón grandes que pueden superar el 40% y añaden distorsión extra sustancial. Al mismo tiempo, la fase de la corriente secundaria se retrasa o adelanta respecto a la primaria varios grados, lo que puede ser crítico para relés de protección que deben reaccionar en milisegundos.

La corriente alta por sí sola puede ser un problema

Los experimentos también revelan que incluso cuando la forma de onda parece casi ideal, simplemente elevar la corriente a niveles altos puede romper las suposiciones habituales. En una prueba con una corriente limpia pero de alta magnitud, el transformador 50/5 subestimó gravemente la corriente RMS real, con errores de razón por encima del 60% y THD que se disparó más allá del 100%, huellas claras de saturación profunda del núcleo. El transformador de mayor potencia 100/5 se comportó mejor pero aún mostró errores considerables. En los siete casos se observó el mismo patrón: al aumentar el nivel de corriente o el contenido armónico, los errores de amplitud y de fase crecieron conjuntamente, lo que demuestra que las clases de precisión convencionales definidas solo para ensayo sinusoidal no describen lo que realmente sucede en las redes distorsionadas de hoy.

Qué significa esto para las redes y posibles soluciones

Para un lector no técnico, la conclusión es sencilla: cuando la forma de onda de la corriente está fuertemente distorsionada, los transformadores de corriente ordinarios pueden hacer que las corrientes parezcan menores o diferentes de lo que son en realidad, y su sincronización puede desviarse. Esa combinación socava la facturación precisa, engaña la planificación de la red y puede retrasar o disparar incorrectamente los sistemas de protección. Al cartografiar cuidadosamente cómo crecen los errores con la distorsión y la carga, este estudio aporta la “verdad de referencia” necesaria para mejorar normas y diseñar métodos de corrección más inteligentes. Señala soluciones futuras como la monitorización de error en tiempo real, la compensación de armónicos y modelos de inteligencia artificial que predigan cuándo un transformador está saliéndose de su zona segura de operación. En conjunto, estos avances podrían mantener honestos a los dispositivos de medida, incluso cuando nuestras redes eléctricas se llenen cada vez más de electrónica no lineal.

Cita: Daouli, B.H.L., Mana, H., Labiod, C. et al. Experimental evaluation and accuracy analysis of inductive current transformers under realistic nonlinear and harmonic-rich load conditions. Sci Rep 16, 8933 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41709-7

Palabras clave: transformadores de corriente, distorsión armónica, cargas no lineales, precisión de la medida, calidad de la energía