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Importancia del sistema de puesta a tierra en transformadores de medida.

En un sistema de energía eléctrica, ya sea de transmisión, distribución o industrial, los defectos monopolares ocurren con más frecuencia que los defectos bifásicos que involucran o no a la tierra.

Cuando se produce un defecto monopolar, las fases no afectadas pueden sufrir altos niveles de sobretensión de fase a tierra, sometiendo los equipos, en particular los transformadores de potencia, a condiciones de operación severas.
El valor de la sobretensión es una función de la configuración del sistema y del tipo de conexión a tierra implementado y se debe al desplazamiento del neutro del sistema.

En este tipo de fallas mencionadas podemos encontrar dos tipos:

  • Transitorias
  • Permanentes

Para profundizar en este tipo de fenómenos que se presentan en las redes, iniciaremos explicando las fallas transitorias, las cuales ocurren en poco tiempo pero con una mayor duración.

“La falla transitoria es una falla en la que se pueden restaurar las condiciones de operación normales del sistema, es decir, se puede eliminar el defecto en algún componente del sistema que causó la falla”

Los ejemplos incluyen: una rama golpeando el cable de red o el choque de dos cables. Es importante señalar que una falla transitoria puede evolucionar hacia una falla permanente en el transformador de medida.

Una falla permanente es aquella donde el defecto permanece sin la posibilidad de que el sistema restaure la condición de operación normal, es decir, que el sistema afectado debe ser apagado, por lo cual se requiere desconectar la extensión o el equipo del resto del sistema para evitar daños adicionales debido a la presencia del defecto. En este caso, se produce un error debido a que el reconectador detecta el cortocircuito y evita que se vuelva a cerrar el mismo.

Luego de reconocer los diferentes tipos de fallas que pueden ocurrir en una red y en consecuencia a los transformadores de medida, podemos ver a profundidad los distintos tipos de sistemas de puestas a tierra y sus respectivas clases, de acuerdo a sus características.

Puesta a tierra para transformadores de medida

El sistema de conexión a tierra es muy importante, especialmente porque la mayoría de los cortocircuitos que ocurren en el sistema eléctrico son dirigidos a tierra, lo que tiene un efecto significativo en el sistema de protección de todos los equipos.

El método de tierra neutral tiene poca o ninguna influencia durante el funcionamiento normal del sistema eléctrico, pero tiene una importancia fundamental cuando se produce un cortocircuito.

Propósito de los sistemas de puesta a tierra para transformadores de medida:

  • Brindar seguridad a los seres vivos mediante el control de los potenciales y la conexión al circuito de conexión a tierra de todas las partes metálicas no energizadas.
  • Permitir que la tierra fluya, desde las corrientes resultantes de la ruptura del aislamiento, los cortocircuitos a tierra, las descargas atmosféricas, las maniobras y las sobretensiones temporales.
  • Permitir el perfecto funcionamiento del sistema de protección.

Clasificación de los sistemas de puesta a tierra:

El sistema de puesta a tierra se puede clasificar en cuatro tipos:

  • Sistema de puesta a tierra no aterrizado
  • Sistema aterrizado a través de alta impedancia.
  • Sistema de puesta a tierra por baja impedancia.
  • Sistema aterrizado.

Sistema de puesta a tierra no aterrizado:

El sistema de puesta a tierra no aterrizado es aquel sistema neutral, que no tiene conexión conductora con la tierra.

Sistema de puesta a tierra aterrizada a través de alta impedancia:

El sistema de alta impedancia consiste en la conexión del punto neutro del sistema a través de una resistencia establecida para limitar las fallas o corrientes de fuga.

En determinados casos, si la corriente de cortocircuito es de baja intensidad, se autoextingue sin causar interrupciones en el suministro, por lo que se reduce la posibilidad de causar daños a las instalaciones eléctricas; es necesario tener en cuenta que para magnitudes mayores de la corriente de cortocircuito, la probabilidad de auto extinción es menor debido a la alta tensión de restauración transitoria.

Clasificación de los sistemas de alta impedancia:

Los sistemas de alta impedancia se pueden clasificar en dos clases, la primera, la tierra resonante, la cual está conectada a un neutro, y la segunda, de alta resistencia, que se caracteriza por estar conectada a través de una resistencia de alto valor; a continuación explicaremos cada una en detalle:

Sistema de puesta a tierra resonante, en este sistema el neutro se conecta a tierra a través de un reactor variable de alta reactancia sintonizable, esto con el fin de alcanzar una capacidad eléctrica equivalente a la fase de la tierra del sistema, para éste tipo de sistemas, el reactor es llamado “bobina de Petersen” y es conocido como el reactor de supresión de arco; además la bobina generalmente está conectada al neutro del transformador de la subestación o a un transformador de tierra en zig-zag.

Nota: Los sistemas con este tipo de puestas a tierra se denominan sistemas de tierra compensada o resonante.

La característica principal de este método de conexión a tierra es el hecho de que el reactor sintonizado proporciona una corriente inductiva de magnitud igual a la corriente capacitiva del sistema, pero con un retraso de 180º, lo que hace que la corriente que fluye a través de la falla sea aproximadamente cero.

También se puede ver en la Figura 2 que en el caso de una falla a tierra, el triángulo de tensión no cambia, lo que sucede en este caso es un aumento de la tensión desde el punto neutro a un nivel de tensión de fase neutro, por lo que el potencial neutro no es más igual al potencial de tierra, como sucedió en el funcionamiento normal del sistema.

Figura 2 – Comportamiento del sistema en condiciones normales y faltantes en tierra resonante.

En el sistema de puesta de alta resistencia, la conexión a tierra se conecta a través de una resistencia de alto valor, que sea igual o ligeramente menor que la reactancia a la tierra capacitiva total del sistema. Este sistema se asemeja mucho al neutral aislado, con la diferencia de que hay una corriente que fluye a través de una resistencia de valor pequeño pero de magnitud mayor o igual a la del componente capacitivo de la corriente de falla.

Este criterio Rg≤Xc o Ir ≥ 3 *Ico debe obedecerse para que no se produzcan sobretensiones muy altas, así como arcos intermitentes, porque el componente resistivo modifica la fase de la corriente de falla, de modo que el momento en que la corriente pasa a través de cero no coincide con el momento de máxima tensión. La corriente de falla está limitada entre 1.0 y 25.0 A.

Este tipo de sistema limita las sobretensiones transitorias en valores seguros durante una falla a tierra, pero durante una falla, como se muestra en la Figura 3, el punto B, y las fases A y C, puede tener una sobretensión temporal de 1.732 *pu, dependiendo del valor de la resistencia utilizada.

diagrama puestas a tierra para transofrmadores de medida
Figura 3 – Resistencia a tierra de alto valor durante la falla de fase a tierra

Sistema de puesta a tierra por baja impedancia.

El sistema conectado a tierra a través de baja impedancia, es el sistema realizado por un reactor o una resistencia de baja impedancia, como se puede observar en la Figura 4, donde se limita la corriente de fase de cortocircuito entre 50 y 600 A en el primario.

Figura 4 – Puesta a tierra por resistencia

En este caso, al limitar la corriente de cortocircuito se reducen las demandas térmicas del equipo, lo que permite evitar altas sobretensiones que pueden dañar el aislamiento del sistema. Esto en otros aspectos es equivalente al sistema efectivamente conectado a tierra, con niveles de sobretensión de alrededor de 1.5 *pu

La figura 5 a continuación muestra una falla de fase a tierra en un sistema de baja impedancia:

diagrama puestas a tierra para transofrmadores de medida
Figura 5 – Falla en un sistema de fase-tierra por baja impedancia.

Sistema de puesta a tierra aterrizado.

El sistema con conexión a tierra es aquel que tiene todos los neutros del sistema eléctrico conectados directamente a tierra. La relación de la reactancia de secuencia cero a la reactancia de la secuencia positiva es menor o igual a tres (X0 / X1) ≤ 3 y la relación de resistencia de secuencia cero y reactancia de secuencia positiva es menor o igual a la unidad (R0 / X1) ≤ 1, para cualquier configuración del sistema, donde X0 y R0 son reactancia y resistencia de secuencia cero y X1 es la reactancia de secuencia positiva del sistema.

diagrama puestas a tierra para transofrmadores de medida
 Figura 6 – No hay cambio de tensión para la falla de fase a tierra del sistema con conexión a tierra

En este sistema, la corriente de cortocircuito puede alcanzar valores altos, lo que hace fundamental la rápida reacción a tierra de la parte afectada del sistema eléctrico.

Este tipo de conexión a tierra no permite el desplazamiento del neutro durante un cortocircuito de fase a tierra, como se muestra en la figura 6, lo que reduce el riesgo de sobretensiones de fase, por lo que el equipo conectado entre la fase y el neutro no requiere altos niveles de aislamiento como en el sistema.

Nota: El uso de los transformadores de medida con conexiones a tierra indebidos, pueden generar daños y pérdidas de garantía, por eso lo invitamos a tener en cuenta la información suministrada para tener en cuenta de acuerdo a los equipos y tensiones empleados.

La información contenida en el blog es solo para fines de información general. La Compañía no asume ninguna responsabilidad por errores u omisiones en el contenido del mismo. En ningún caso, la Compañía será responsable de daños especiales, directos, indirectos, consecuentes o incidentales o de ningún tipo generado por el contenido del respectivo blog. La Compañía se reserva el derecho de realizar adiciones, eliminaciones o modificaciones a los contenidos del blog en cualquier momento, sin previo aviso.

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Transformadores de medida
  • Corriente
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  • Combinados
  • Fabricamos de acuerdo a las necesidades de los proyectos de  nuestros clientes.

    Subestaciones de energía 

    Redes de energía 

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    Transformador de medida combinado

    ¿Qué es un transformador de medida combinado?

    Los transformadores de medida combinados son equipos que como su nombre lo dice combinan las funciones de un equipo potencial y un equipo de corriente en su interior, su aplicación es, por lo tanto, la misma que la de los equipos que lo conforman, tales como separar del circuito los instrumentos de medida, contadores, relés, etc… y reducir las intensidades y tensiones a valores manejables y proporcionales a los primarios originales.

    Los transformadores combinados están especialmente diseñados para ser instalados en obras que, por espacio o costo, no permiten utilizar los equipos por separado.

    Tipos de transformadores de medida combinados

    Los transformadores de medida combinados se clasifican en dos categorías de uso, la primera para uso en exteriores, los cuales se caracterizan por su color gris que les permite repeler los rayos UV para conservar su temperatura interna y los transformadores combinados para uso interior diseñados con un color marrón y un tamaño compacto para ocupar el menor espacio posible.

    Diseño de transformadores de medida combinado

    La construcción interna de un transformador de medida combinado es similar a la construcción de los transformadores de corriente y tensión; esté tipo de transformador de medida está diseñado con resina epóxica cicloalifática lo que permite aislar cada una de las partes del transformador formando una sola pieza que conserva las propiedades eléctricas y mecánicas de los equipos para tener una operación extendida y de alta precisión.

    Los diseños de un solo cuerpo con resina cicloalifatica, le permite al transformador combinado resistir condiciones climáticas adversas como las descargas atmosféricas que pueden interrumpir la operación de los equipos, así como el deterioro exterior e interior por los rayos UV conservando su temperatura interna y su vida útil.

    Aplicaciones de transformadores de medida combinados

    • Ideal para instalación en puntos de medida por su muy alta clase de precisión tanto en corriente como en tensión.
    • Apto para descarga de líneas y cables de alta tensión y bancos condensadores.
    • Excelente respuesta frecuencial, ideal para monitorización de la calidad de onda y medida de armónicos.
    • Son ideales para su aplicación en puntos de medida para facturación o medición y están diseñados tanto para exteriores e interiores

    Ventajas de los transformadores de medida combinados

    Dentro de las múltiples ventajas de los transformadores de medida combinados podemos encontrar otros tales como:

    • Reducción del espacio necesario en la subestación, transporte y almacén. 
    • Ahorro en estructuras, soportes, conectores y tiempo de instalación.
    • Ahorro en revisión y posible mantenimiento. 
    • Reducción de número de repuestos.
    • Ideal para instalación en puntos de medida por su muy alta clase de precisión tanto en corriente como en tensión. 
    • Apto para descarga de líneas y cables de alta tensión y bancos condensadores.
    • Excelente respuesta frecuencial, ideal para monitorización de la calidad de onda y medida de armónicos.
    • Resistencia a altas condiciones climáticas extremas.
    • Partes metálicas y tornillería inoxidable de alta resistencia a la corrosión (En transformadores como los fabricados por Bransformer Braspel).

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    transformadores potencial

    Transformador de potencial

    ¿Qué es un transformador de potencial?

    Un transformador de potencial, también conocido como transformador de tensión, es un tipo de transformador de medida que permite reducir el voltaje a un nivel bajo y seguro para su respectiva medición. Además de proporcionar un aislamiento entre el circuito de alimentación de alto voltaje y el circuito de medición de bajo voltaje. El voltaje de salida del transformador de potencial se puede medir conectando un voltímetro ordinario o un medidor de energía.

    ¿Cómo están diseñados los transformadores de potencial?

    El transformador de potencial está fabricado con un núcleo de alta calidad que funciona con una densidad de flujo baja, por lo que la corriente de magnetización es pequeña. Estos transformadores deben diseñarse de forma tal que la variación entre la carga y el voltaje sea muy pequeña y la diferencia de fase entre el voltaje de salida y entrada sea muy reducido. 

    Tipos de transformadores de potencial

    Los transformadores de potencial se clasifican en dos categorías, los transformadores de potencial para exteriores e interiores.

    •  Transformadores de potencial para exteriores

    Estos transformadores de potencial pueden ser transformadores de voltaje monofásicos o trifásicos disponibles para diferentes rangos de voltajes operativos que se utilizan para aplicaciones de medición y relés en exteriores y se caracterizan normalmente por su color gris claro, lo cual le permite repeler los rayos UV para conservar su temperatura interna y extender su vida útil.

    Algunas marcas o empresas fabricantes, como Bransformer, han empleado en la fabricación de sus transformadores de potencia características en su fabricación, como lo es la resina epoxica cicloalifática hidrofóbica que brinda un  mayor desempeño del equipo, así como accesorios en acero inoxidable y alta resistencia a la salinidad y corrosión, estás características de diseño le permiten a los equipos expuestos a zonas cercanas al mar o con otras condiciones, tener un mayor desempeño y una vida útil más prolongada. 

    •  Transformadores de potencial para interiores

    Los transformadores potencial tipo interior se caracterizan por su mecanismo de montaje, el cual puede ser de tipo fijo o extraíble. En este tipo de TP, todas las partes del devanado primario están aisladas a tierra a su capacidad nominal de aislamiento. Estos están diseñados para operar relés, instrumentos de medición y otros dispositivos de control en servicio interior con alta precisión. Además, se pueden clasificar según la función, dado que se clasifican en transformadores de tensión de medida y transformadores de tensión de protección.

    • Aplicaciones de transformadores de potencial

    La clase de transformadores de potencial empleados para la medición se denomina tensión de medición o transformadores de potencial. Por otro lado, los TP utilizados para la protección se denominan transformadores de tensión de protección. En algunos casos, los TP se emplean tanto para fines de medición como de protección; en tales casos, un devanado secundario se conecta a la medición y el otro devanado secundario se usa para protección.

    Algunos de los usos más comunes de los transformadores de potencial pueden ser:

    • Sistemas de Medición Eléctrica.
    • Sistemas de protección eléctrica.
    • Protección a distancia de alimentadores.
    • Sincronización de generadores de red.
    • Protección de generadores.

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    Transformador de corriente

    ¿Para qué se utiliza un transformador de corriente?

    Los transformadores de corriente están diseñados para convertir una corriente secundaria a un nivel proporcional a la corriente primaria o alterna. Estos transformadores se emplean principalmente cuando una corriente es muy alta para ser medida directamente. Es por esto que la corriente secundaria inducida es adecuada o transformada para instrumentos de medición o procesamiento, los cuales necesitan normalmente el aislamiento entre el circuito primario y secundario, como lo explicamos en nuestro blog ¿Qué es y cómo funciona un transformador de medida?.

    Funciones de un transformador de corriente:

    • Conversión de grandes corrientes primarias en pequeñas corrientes de 1A/5A
    • Proporcionar la corriente para la bobina del dispositivo de medición o el relé de protección.

    Clasificación de los transformadores de corriente:

    Los transformadores de corriente se pueden clasificar en dos grupos separados. El primero, un transformador de corriente de medición, el cual se utiliza junto con dispositivos de medición de la magnitud de la corriente, la energía y la potencia. El otro, un transformador de corriente de protección, el cual se emplea junto con equipos de protección, incluidas bobinas de disparo, relés, etc.

    A diferencia de un transformador de tensión, el transformador de corriente o TC consta de una o varias vueltas en su devanado primario, otra de las cualidades que lo diferencia de un transformador de tensión es que la corriente primaria no depende de la corriente de la carga secundaria, ya que la misma está establecida por una carga externa.

    Tipos de transformadores de corriente:

    Hay tres tipos básicos de transformadores de corriente:

    Tipo ventana o toroidal: Posee una abertura en el núcleo a través del cual se puede pasar el conductor el cual está encargado de transportar la corriente de la carga primaria.

    Tipo bobinado: formado por dos devanados separados (primario y secundario) sobre un núcleo magnético de acero con distintas vueltas, según el diseño.

    Tipo barra: consistente en una barra de tamaño y material adecuado que se utiliza como devanado primario, lo que equivale a una sola espira.

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    ¿Qué es y cómo funciona un transformador de medida?

    ¿Qué es un transformador de medida?

    Un transformador de medida es un dispositivo que se conecta a las redes eléctricas para que conviertan las amplitudes relativas de voltaje y corriente en un circuito AC, en corrientes y tensiones de una manera proporcional en magnitud y en fase. El objetivo primordial de los transformadores de medida es reducir a valores no peligrosos y normalizados, las características de tensión e intensidad de una red eléctrica.

    Por lo tanto los transformadores de medida están diseñados para alimentar instrumentos de medida, contadores, relés de protección y otros aparatos análogos.

    Transformadores de medida
    Imagen: Autor desconocido

     

    Tipos de transformadores de medida:

    Actualmente podemos encontrar dos clases de transformadores de medida, los transformadores de intensidad y los transformadores de tensión:

    Transformadores de intensidad (TC):

    Los transformadores de corriente transforman proporcionalmente, las corrientes de alto valor que circulan en el devanado primario, a corrientes seguras de bajo valor y medibles en su secundario. En los cuales la intensidad secundaria es, en las condiciones normales de uso, prácticamente proporcional a la intensidad primaria y desfasada con relación a la misma un ángulo próximo a cero.

    Transformadores de tensión (TP):

    Los transformadores de Potencial o de tensión, Transforman proporcionalmente el Voltaje de alto valor en el devanado primario, a un voltaje de bajo valor y medible en su bobinado secundario. La tensión secundaria es, en las condiciones normales de uso, prácticamente proporcional a la tensión primaria y desfasada con relación a la misma un ángulo próximo a cero.

    ¿Cómo está diseñado un transformador de medida?

    El primario de un transformador de Corriente consta de una o varias espiras, que se conectan en serie, con el circuito cuya intensidad se desea medir. El secundario alimenta los circuitos de corriente de uno o varios aparatos de medida, conectados en serie. El arrollamiento primario puede tener una, dos, o cuatro secciones, permitiendo una, dos o tres intensidades primarias nominales:

    Puede haber también, uno o varios arrollamientos secundarios, bobinados cada uno sobre su circuito magnético. De esta manera no existe influencia de un secundario sobre el otro. En la figura se observa un TC con dos secundarios independientes. El núcleo de los TC, normalmente, es de forma toroidal con el secundario uniformemente repartido, para reducir al mínimo el flujo de dispersión.

    Partes de un transformador de medida de intensidad

    Los terminales del arrollamiento primario están conectados en dos bornes planos (P1/P2) de cobre o de latón y salen en el lado superior del transformador del cuerpo de resina.

    Transformador de medida de intensidad Autor: desconocido

     

    Partes de un transformador de medida de tensión

    Los transformadores de tensión tienen un núcleo ferromagnético. Los arrollamientos secundarios de transformadores unipolares aislados están arrollados directamente sobre el núcleo de hierro puesto a tierra.

    transformador de medida de tensión Autor: Desconocido.

    La resina epoxica fija, separa y aísla las partes activas del transformador, formando un cuerpo rígido con excelentes propiedades eléctricas, mecánicas. Este aislamiento de resina tiene una gran línea de fuga y muy buena resistencia a la contaminación atmosférica, como también un excelente comportamiento a la radiación ultravioleta.

    Aplicaciones de los transformadores de medida

    Los Transformadores de Medida para servicio tienen múltiples aplicaciones, ejemplos de aplicación:

    1. Medida para facturación.

    Medida indirecta tipo interior media tensión Autor: Desconocido
    Medida indirecta exterior media tensión Autor: desconocido.

    2. Protección de subestaciones y líneas de distribución.

    Medida indirecta subestación alta tensión. Autor: desconocido.

    3. Protección de banco de condensadores.

    Banco de condensadores Autor: desconocido.

    4. Alimentación de equipos de corte en Redes de Media y alta Tensión (Reconectador, seccionalizador).

    Red eléctrica Autor: desconocido.

    Conexión de los bornes primarios y secundarios de un transformador de medida.

    A continuación se presentan los esquemas de conexión más empleados de los devanados, en el lado primario y secundario de los TC´s.

    Esquema de conexión, Elaboración propia.

    Ventajas de los Transformadores de Medida

    • Diversidad de Referencias para una mejor adaptación a las necesidades de cada Instalación eléctrica.
    • Fundidos en resina epoxy de alta rigidez dieléctrica.
    • Muy alta precisión (hasta 0,1%), exacta e invariable a lo largo de la vida del equipo.
    • Posibilidad de cambio de doble relación primaria.
    • Responde perfectamente a condiciones climáticas extremas, radiación UV, altitudes superiores a 1.000 m.s.n.m., ambientes salinos o contaminados, etc.
    • Diseño compacto que facilita el transporte.
    • Libre de mantenimientos. No necesita repuestos durante su vida útil de larga operación.
    • Los materiales empleados en su construcción son reciclables y resistentes a la intemperie respetando el medioambiente.
    • Cumple todo tipo de requerimientos a nivel mundial: IEC, ANSI, NTC.

    Normatividad legal vigente

    Los transformadores de medida están regulados bajo la  resolución CREG 038 del 2014, Artículo 6, establece que los puntos de medición se clasifican acorde con el consumo o transferencia de energía por la frontera, o, por la capacidad instalada en el punto de conexión, esto se resume en la siguiente tabla.

    Tabla relación punto de medición, consumo y capacidad: Elaboración propia

    Exactitud de los elementos del sistema de medición

    Los transformadores de medida, deben cumplir con los índices de clase y clase de exactitud que se establecen en la siguiente tabla.

    Tabla relación punto de medición, clase TC y TT, Elaboración propia

    Calibración de los Equipos de medición

    Todos los equipos del sistema de medición deben ser calibrados antes de su puesta en servicio. La calibración de los equipos debe realizarse en laboratorios acreditados por el Organismo Nacional de Acreditación de Colombia ONAC, de acuerdo a la resolución CREG 038 de 2014, en ningún caso podrá superar el plazo establecido en la siguiente tabla, entre la fecha de calibración y la fecha en que empezaran a operar, de lo contrario se deben volver a calibrar en laboratorio.

    Plazo máximo para la calibración la calibración de los equipos de medida: Elaboración propia

    Sin embargo, para el caso de los transformadores de medida (TC´s y TP´s), si llegaren a pasar 6 meses desde su fecha de calibración sin entrar en servicio, se deberá realizar las pruebas de rutina señalas en el artículo 28 de la resolución CREG 038 de 2014.

    Los transformadores de medida pueden tener varios devanados, siempre que exista un devanado de uso exclusivo para la conexión de los equipos del sistema de medida, es decir, el devanado donde se conecte la medida debe ser independiente del devanado donde se conecten las protecciones, y por consiguiente, el devanado exclusivo para el sistema de medición debe tener la clase de exactitud requerida para el tipo de punto de medición, la capacidad de potencia nominal (burden) de acuerdo con los equipos del sistema de medida a conectar.

    Tabla relación de transformación de TC para mediciones indirectas, Elaboración propia

    La tabla anterior muestra la relación de transformación en función de la carga instalada y la tensión en el punto de conexión de los TC.

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