Calculadora especializada para seleccionar interruptor de potencia en transformadores con criterios técnicos precisos universales aplicables.
Guía técnica incluye fórmulas, tablas, ejemplos reales y referencias normativas para selección segura y comprobaciones.
Calculadora de selección de interruptor de potencia para transformador (lado primario y secundario)
Fundamentos eléctricos y criterios de selección
La selección del interruptor de potencia para el primario y secundario de un transformador requiere evaluar varias magnitudes eléctricas: potencia nominal S, tensiones primarias y secundarias Vpri y Vsec, impedancia porcentual Z%, corriente nominal I_nom, corriente de cortocircuito prospectiva I_sc, y corrientes transitorias como la corriente de magnetización/inrush. Además se debe considerar la capacidad de corte (Icu o AIC), la corriente asignada del interruptor (In), la selectividad con protecciones aguas arriba/aguas abajo y las características térmicas y dinámicas.
Parámetros clave y definiciones
- S (kVA o MVA): potencia aparente del transformador.
- V_LL (V): tensión línea-línea cuando se trabaja en sistemas trifásicos.
- I_nom (A): corriente nominal del lado considerado.
- Z% (%): impedancia de cortocircuito del transformador, normalmente entre 4% y 12%.
- I_sc (A): corriente de cortocircuito prospectiva en el terminal del transformador.
- I_inrush (A): corriente de magnetización inrush (arranque).
- Icu / AIC (kA): capacidad de corte (intermitencia) nominal del interruptor.
- Tipo de interruptor: ACB, MCCB, Interruptor de media/alta tensión según nivel de tensión.
Fórmulas esenciales para la calculadora
Las fórmulas siguientes son las bases de cálculo para una calculadora de selección. Todas están expresadas en notación HTML textual y se explican las variables.
Cálculo de corriente nominal (trifásica)
Fórmula: I_nom = S × 1000 / (√3 × V_LL)
Variables:
- S: potencia en kVA (por ejemplo, 1000 kVA).
- V_LL: tensión línea a línea en voltios (por ejemplo, 415 V o 11000 V).
- √3: raíz de tres (1.732).
Cálculo de corriente de cortocircuito teórica desde Z% del transformador
Fórmula: I_sc = I_nom × (100 / Z%)
Variables:
- I_nom: corriente nominal (A).
- Z%: impedancia porcentual del transformador (por ejemplo, 6%).
Otra forma directa usando S y V
Fórmula: I_sc = (S × 1000 / (√3 × V_LL)) × (100 / Z%)
Variables: mismas que arriba, mostrando la dependencia directa de S, V_LL y Z%.
Cálculo de I2 (corrientes térmicas para verif. de disparo)
Fórmula: I2 = k × I_nom
Variables:
- k: factor multiplicador (ej. 1.05 para sobrecarga permisible, 1.25 para margen de diseño).
- I_nom: corriente nominal.
Requisitos de capacidad de corte mínima (Icu requerida)
Fórmula: Icu_req ≥ I_sc_prospectiva × factor_de_seguridad
Variables:
- I_sc_prospectiva: corriente de cortocircuito en el punto de instalación.
- factor_de_seguridad: 1.1 a 1.5 dependiendo normativa y práctica (recomendado 1.25).
Valores típicos y tablas de referencia
Las tablas siguientes reúnen valores comunes usados para cálculos y selección. Sirven como datos de entrada en una calculadora de selección de interruptor.
| Potencia transformador (kVA) | Tensión secundario (V) | I_nom secundario (A) | I_nom primario (A) a 11 kV |
|---|---|---|---|
| 100 | 400 | 144 | 5.2 |
| 250 | 400 | 360 | 13.0 |
| 500 | 400 | 721 | 26.1 |
| 1000 | 400 | 1442 | 52.2 |
| 2000 | 400 | 2884 | 104.4 |
| 5000 | 400 | 7211 | 261.0 |
| Clase del transformador | Z% típico | Comentario |
|---|---|---|
| Transformadores de distribución (hasta 2500 kVA) | 4 % – 6 % | Menor impedancia → mayor I_sc |
| Transformadores industriales (2500–10000 kVA) | 6 % – 8 % | Compromiso entre regulación y cortocircuito |
| Transformadores de potencia (>10000 kVA) | 8 % – 12 % | Mayor impedancia para limitar I_sc |
| Fenómeno | Multiplicador sobre I_nom | Duración típica |
|---|---|---|
| Inrush (corriente de magnetización) | 5 × – 12 × | 10–100 ms (transitorio) |
| Corriente de cortocircuito | hasta cientos × según Z% | hasta ciclo(s) hasta corte |
| Sobrecarga continua máxima | 1.05 × – 1.15 × | horas según diseño |
Pasos metodológicos para la calculadora de selección
- Recoger datos del transformador: S (kVA/MVA), Vpri, Vsec, Z% y diagrama de neutro.
- Calcular I_nom en primario y secundario usando la fórmula indicada.
- Calcular I_sc prospectiva en ambos terminales a partir de Z%.
- Determinar la corriente de inrush estimada y su duración.
- Seleccionar el interruptor con:
- Corriente asignada In ≥ I_nom × margen (p. ej. 1.15).
- Capacidad de corte Icu ≥ I_sc × factor_de_seguridad.
- Capacidad térmica y dinámica adecuada frente a inrush y cortocircuito.
- Verificar coordinación con protecciones aguas arriba (reles y fusibles) y selectividad.
- Confirmar requisitos normativos y ambientales (temperatura ambiente, altitud, tipo de montaje).
Análisis detallado de corrientes de cortocircuito y capacidad de corte
La corriente de cortocircuito en el punto de conexión de un transformador depende tanto de la impedancia del transformador como de la impedancia de la red alimentadora. Para una calculadora práctica, se considera:
- Si la red origen tiene impedancia significativa, se suma la impedancia de red y la del transformador para obtener la impedancia total.
- La corriente prospectiva real es menor que la calculada solo con Z% del transformador cuando la fuente es limitada.
- Siempre aplicar un factor de seguridad para la selección de Icu para cubrir tolerancias y variaciones futuras.
Fórmula de cortocircuito con impedancias en serie
Si Z_red y Z_tr son impedancias en ohmios, la corriente de cortocircuito es:
Fórmula: I_sc = V_LL × 1000 / (√3 × (Z_red + Z_tr))
Donde:
- Z_tr = (V_LL^2) / (S × 1000) × (Z% / 100) — impedancia transformador en ohmios convertida.
- Z_red: impedancia equivalente de la red hasta el punto de falla (ohmios).
Selección del tipo de interruptor
- Interruptores de baja tensión (MCCB/ACB): adecuados en secundario de transformadores de distribución y en tableros principales. Usar ACB para corrientes nominales elevadas (>2500 A) o donde se requiera alta capacidad de corte.
- Interruptores de media tensión (aire, SF6 o VAC): para primarios de transformador conectados a líneas 6–36 kV, se seleccionan según la tensión nominal, corriente y poder de corte kA a la tensión correspondiente.
- Fusibles de alta ruptura: en algunos esquemas se usan fusibles fusibles en el primario, pero esto altera la coordinación y selectividad con protecciones posteriores.
Consideraciones prácticas y de instalación
- Temperatura ambiente y altitud afectan capacidad nominal del interruptor; aplicar correcciones del fabricante.
- Corrientes de inrush requieren que el interruptor y la protección no disparen intempestivamente; configurar temporizaciones o relés de inrush/VT durante el arranque.
- Si se espera que el transformador opere con cargas desequilibradas, dimensionar con base en la fase más cargada.
- Revisar armonías y distorsión que pueden producir calentamientos adicionales en interruptores y transformadores.
Ejemplo real 1: Selección del interruptor en el secundario de un transformador 2000 kVA 11/0.415 kV
Datos del transformador:
- S = 2000 kVA
- V_sec = 0.415 kV (415 V)
- V_pri = 11 kV
- Z% = 6 % (valor típico de transformador de distribución)
Cálculo de I_nom secundario
Aplicar fórmula: I_nom = S × 1000 / (√3 × V_LL)
Valores: S = 2000 kVA, V_LL = 415 V
Cálculo: I_nom = 2000000 / (1.732 × 415) = 2000000 / 718. {aprox}
Resultado: I_nom ≈ 2786 A (redondear)
Cálculo de I_sc secundario usando Z% del transformador
Fórmula: I_sc = I_nom × (100 / Z%)
Valores: I_nom = 2786 A, Z% = 6%
Cálculo: I_sc = 2786 × (100 / 6) = 2786 × 16.6667 = 46433 A
Resultado: I_sc ≈ 46.4 kA
Determinación de Icu requerido
Aplicando factor_de_seguridad = 1.25 (recomendado):
Icu_req = 46.4 kA × 1.25 = 58.0 kA
Conclusión práctica:
- Seleccionar interruptor MCCB/ACB en secundario con In nominal ≥ 2786 A. Comercialmente, seleccionar un interruptor de 3000 A o 3200 A.
- Capacidad de ruptura mínima Icu ≥ 58 kA a 415 V; optar por ACB con Icu 65 kA (o más) a 415 V.
- Considerar coordinación: si hay fusibles aguas abajo, verificar selectividad. Ajustar protecciones temporales y disparos diferenciales si aplica.
Ejemplo real 2: Selección del interruptor en el primario de un transformador 10 MVA 69/13.8 kV
Datos del transformador:
- S = 10000 kVA (10 MVA)
- V_pri = 69 kV
- V_sec = 13.8 kV
- Z% = 10 % (valor típico para transformador de potencia mayor)
Cálculo de I_nom primario
Fórmula: I_nom = S × 1000 / (√3 × V_LL)
Valores: S = 10000 kVA, V_LL = 69000 V
Cálculo: I_nom = 10000000 / (1.732 × 69000) = 10000000 / 119,508 ≈ 83.7 A
Resultado: I_nom primario ≈ 84 A
Cálculo de I_sc primario usando Z% del transformador
Fórmula: I_sc = I_nom × (100 / Z%)
Valores: I_nom = 84 A, Z% = 10%
Cálculo: I_sc = 84 × 10 = 840 A
Resultado: I_sc ≈ 0.84 kA
Consideraciones prácticas y selección
En media tensión:
- La corriente de cortocircuito vista desde el primario suele estar limitada por la red; si la red es rígida, Z_red puede reducirse, resultando en I_sc mayor; en distribuidores típicos I_sc primario será mayor si la fuente es de potencia sustancial.
- Se recomienda verificar la impedancia de la red hasta la barra de llegada. Si el I_sc máximo calculado (incluyendo Z_red) es, por ejemplo, 12 kA, entonces la capacidad de interrupción del interruptor en MV debe ser ≥ 12 kA a 69 kV, con factor de seguridad 1.25 → seleccionar interruptor con ruptura ≥ 15 kA.
- En este ejemplo teórico con I_sc = 840 A derivado sólo del transformador, la capacidad de ruptura requerida sería Icu_req = 840 × 1.25 = 1050 A; sin embargo, los interruptores de MV especifican capacidades en kA simétricos y en condiciones de tensión nominal, por lo que se seleccionaría un interruptor de 12.5 kA o 25 kA según disponibilidad y la evaluación real de la red.
Coordinación de protecciones y selectividad
La selectividad entre interruptores y fusibles se consigue mediante tiempo de disparo escalonado o capacidad de corte diferencial. Pasos para verificaciones:
- Determinar curvas I-t de todos los dispositivos.
- Simular fallas tipo (monofásica, bifásica, trifásica) y verificar que el dispositivo más cercano a la falla opera primero.
- Asegurar que el interruptor elegido no será sometido repetidamente a corrientes de falla superiores a su Icu.
- Implementar relés de protección (térmicos, magnetotérmicos, diferencial, sobrecorriente) con ajustes acordes.
Normativa y referencias externas
Recomiendo consultar las siguientes normas y documentos técnicos para criterios definitivos de diseño y pruebas:
- IEC 60076: Power transformers — especificaciones generales y de ensayo. https://www.iec.ch
- IEC 60947-2: Low-voltage switchgear and controlgear — Circuit-breakers. https://www.iec.ch
- IEC 62271-100: High-voltage switchgear and controlgear — AC circuit-breakers. https://www.iec.ch
- IEEE Std C37.013 / C37.010: Guidelines and testing for circuit breakers and current interruption. https://standards.ieee.org
- NFPA 70 (NEC): National Electrical Code — requisitos de protección y dimensionamiento en instalaciones en EE. UU. https://www.nfpa.org
Lista de verificación antes de la instalación
- Validar datos del transformador y la red (S, V, Z%, impedancia de red).
- Verificar corrientes nominales en primario y secundario.
- Calcular I_sc prospectiva y aplicar factor de seguridad.
- Seleccionar In comercial adecuado y capacidad de ruptura Icu según tabla del fabricante.
- Verificar compatibilidad de disparo, tiempo de apertura y coordinación con relés.
- Considerar protecciones diferenciales para transformadores de potencia.
- Documentar cálculos y certificados de pruebas (Factory Acceptance Tests y Site Acceptance Tests).
Implementación de la calculadora: parámetros de entrada y salidas esperadas
Parámetros de entrada recomendados:
- S (kVA/MVA)
- Vpri y Vsec (kV/V)
- Z% del transformador
- Impedancia equivalente de la red hasta punto A (opcional)
- Temperatura ambiente y altitud para correcciones
- Requisito de factor_de_seguridad para Icu
- I_nom en primario y secundario
- I_sc prospectiva en primario y secundario
- Icu mínimo requerido
- Recomendación de In comercial y tipo de interruptor
- Notas de coordinación y ajuste de protecciones
Buenas prácticas y recomendaciones finales
- Siempre contrastar los resultados de la calculadora con mediciones reales y estudios de cortocircuito realizados por herramientas de cálculo profesionales (ETAP, DIgSILENT PowerFactory, CYME).
- Incluir margen para futuras ampliaciones de la red y variaciones en Z% por producción industrial.
- Realizar pruebas de tensión, corriente y disparo tras la instalación; documentar resultados y ajustes.
- Consultar siempre las hojas técnicas del fabricante del interruptor para condiciones específicas de utilización y límites térmicos.
Bibliografía y enlaces de autoridad
- IEC 60076 — Power transformers: https://www.iec.ch/
- IEC 60947-2 — Low-voltage circuit-breakers: https://www.iec.ch/
- IEC 62271-100 — High-voltage circuit-breakers: https://www.iec.ch/
- IEEE Standards Association — https://standards.ieee.org/
- NFPA — National Fire Protection Association (NEC references): https://www.nfpa.org/
- Manuales de fabricantes (ej. Siemens, Schneider Electric, ABB) para selección de ACB/MCCB y capacidades de interrupción.
Si desea, puedo generar una hoja de cálculo o una pequeña calculadora paso a paso con formularios para automatizar estos cálculos, incluyendo correcciones por temperatura y altitud, y un banco de datos con valores comerciales de interruptores.