Medición eléctrica de alta exactitud

Un contador de clase 0,5S conectado a un transformador de corriente (TC) de clase 0,5S puede indicar un 2 % más o menos en un alimentador con factor de potencia 0,5, aunque ambos dispositivos cumplan los límites de su clase. Una relación de TC mal configurada, o un TC asociado a la fase equivocada, puede duplicar la lectura o anularla. Esta guía presenta los límites de las normas aplicables al contador y al TC, explica cómo se combinan y describe el dimensionado de TC, la puesta en servicio y la comparación con una referencia.

Definir primero el propósito

Anote para qué se usará la medida antes de elegir el contador. Ese uso determina el límite de medida, la incertidumbre admisible, el intervalo de informe y las aprobaciones necesarias.

Los ahorros se calculan a partir de datos medidos. Tanto ISO 50015 como el IPMVP de Efficiency Valuation Organization derivan el ahorro de un periodo de referencia, un periodo de informe y los ajustes. La exactitud del contador acota una de las entradas de ese cálculo.

Qué expresa una clase de exactitud

IEC 62053-22:2020 se aplica a contadores estáticos de energía activa conectados mediante transformadores, de clases 0,1S, 0,2S y 0,5S, y únicamente a sus ensayos de tipo. Para una carga equilibrada, los límites de la clase 0,5S son:

In es la corriente nominal del contador, normalmente 1 A o 5 A si recibe la corriente mediante TC. Los límites se aplican en condiciones de referencia: temperatura de referencia, tensión y frecuencia nominales, y formas de onda sinusoidales. La temperatura, los armónicos, el desequilibrio de tensión y los campos magnéticos externos tienen cada uno una variación adicional permitida.

La clase solo cubre la energía activa. Los valores de kW, tensión, corriente, factor de potencia y THD de un contador multifunción quedan fuera. IEC 61557-12 cubre esas funciones en dispositivos de medida y monitorización de potencia, y la energía reactiva tiene sus propias clases en IEC 62053-23 e IEC 62053-24. La edición de 2020 también excluye sistemas de medida compuestos por varios dispositivos físicamente separados y contadores destinados a transformadores de medida de baja potencia cuando se ensayan sin esos transformadores.

Las clases S tienen límites desde el 1 % de In. Las clases 0,5, 1 y 2 figuran en IEC 62053-21. Una nota de IEC 62053-22 indica el emparejamiento previsto: los contadores de clase S se destinan a TC de clase S, cuyo intervalo comienza al 1 % de la corriente nominal. El uso de un TC estándar con un contador de clase S requiere acuerdo entre fabricante y comprador.

Resolución y exactitud

Un registro que muestra 12.450,237 kWh no es más exacto que uno que muestra 12.450,2 kWh. Conserve suficientes cifras para calcular y comunique solo las que respalda la medida.

Error e incertidumbre

El error es la diferencia entre el valor medido y el verdadero, que durante el uso no se conoce. La incertidumbre es la dispersión de valores que razonablemente se puede atribuir al mensurando con la información disponible. El límite de una clase es solo una parte de esa información. Se convierte en incertidumbre mediante un modelo, como en el presupuesto del ejemplo siguiente.

La cadena de medida completa

Sensores de corriente

IEC 61869-2:2012 establece los límites de los TC de medida como porcentaje de la corriente primaria nominal:

Estos límites rigen con una carga entre el 25 % y el 100 % de la potencia nominal de salida del TC. Por tanto, un TC convencional de 1 A o 5 A tiene un intervalo de carga admisible. La entrada del contador y el bucle completo de conductores deben permanecer en él. Utilice la calculadora de relación y carga del TC para comprobarlo. Solo se aplica a TC con salida de corriente, no a TC con salida de tensión ni a bobinas Rogowski, y no comprueba saturación, aislamiento ni dimensiones.

Error de fase con bajo factor de potencia

El contador multiplica tensión por corriente. Un TC que desplaza la corriente un ángulo δ cambia la potencia medida de V × I × cos φ a V × I × cos(φ − δ). Para un δ pequeño, el error relativo es aproximadamente δ × tan φ, con δ en radianes. El signo depende de si el TC adelanta o retrasa la corriente y de si la carga es inductiva o capacitiva.

Con factor de potencia unitario, el desfase casi no influye. Con factor de potencia 0,5, los 30 minutos que se permiten a un TC de clase 0,5S a corriente nominal representan tres veces su límite de error de relación. Los motores con poca carga, los compresores descargados y los transformadores en vacío funcionan con bajo factor de potencia.

Dimensionado del TC y corrientes bajas

Dimensione el TC para la carga habitual, no para el interruptor. Por ejemplo, un TC 1000/5 A de clase 0,5 en un alimentador que normalmente conduce 60 A trabaja al 6 % de su corriente nominal. En el punto de ensayo del 5 %, la clase 0,5 permite ±1,5 % de error de relación y ±90 minutos de desfase. Con factor de potencia 0,8, el término de fase por sí solo puede llegar al 2,0 %. Cuando el alimentador baja a 20 A por la noche, el TC trabaja al 2 % de su corriente nominal, donde la clase 0,5 no tiene límite especificado.

Un TC 150/5 A de clase 0,5S en el mismo alimentador trabaja al 40 % de la corriente nominal, dentro de ±0,5 % y ±30 minutos. Antes de elegir el TC más pequeño, compruebe que la carga máxima permanezca dentro de su corriente primaria nominal ampliada y que el nivel de falta esté dentro de su corriente térmica nominal de corta duración.

Como regla práctica, mantenga la carga habitual entre el 20 % y el 120 % de la corriente nominal del TC, y la carga mínima por encima del 5 %, o por encima del 1 % con un TC de clase S.

Tensión y asociación de fases

Para una carga trifásica equilibrada, P = √3 × V × I × FP, donde V es la tensión eficaz entre líneas. El contador calcula la potencia fase por fase, por lo que cada corriente debe asociarse a la tensión de su fase.

A 400 V, 100 A y factor de potencia 0,9, cada fase lleva 20,78 kW. Dos errores habituales de cableado producen estas lecturas:

• Un TC invertido: esa fase indica −20,78 kW y el total indica 20,78 kW en lugar de 62,35 kW.
• Los TC de L1 y L2 intercambiados: cada canal intercambiado asocia su tensión a una corriente desfasada 120°. Los factores de potencia de esos dos canales son aproximadamente −0,83 y −0,07; L3 indica 0,90 y el total se aproxima a 0 kW.

En ambos casos, todos los canales indican 100 A. Comprobar solo la corriente no detecta ninguno de los dos fallos. La calculadora de kW, kVA, kvar y factor de potencia muestra los kW, kvar y el factor de potencia esperados en cada fase. Compruebe también la secuencia de fases y que importación y exportación sigan la convención de signos del contador.

Instalación

La orientación del sensor, la asignación de fases, el cierre de un núcleo partido, la posición del conductor, la ubicación de la referencia de tensión y la relación configurada alteran el resultado. Ninguna clase de contador compensa un sensor en otra fase o una relación incorrecta en el software.

Integridad de los datos y hora

Una lectura perdida no altera la energía consumida, pero sí puede cambiar cómo se reparte. Suponga un contador que comunica su registro acumulado cada 15 minutos. Se pierde la lectura de las 10:15; a las 10:00 el registro era 12.400,0 kWh y a las 10:30 es 12.450,0 kWh. Entre las 10:00 y las 10:30 se consumieron exactamente 50,0 kWh, pero se desconoce el reparto entre los dos cuartos de hora. Si se pierden tanto la lectura de las 10:15 como la de las 10:45, no se pueden separar las dos medias horas; solo se conoce su total.

Marque los valores interpolados para que nadie los facture como datos medidos. Conserve con cada valor la marca temporal original, el estado del reloj y la regla aplicada a los huecos. El ZEM-65 mantiene un reloj en tiempo real sincronizado por NTP a través del Gateway, conserva la hora hasta 72 horas sin alimentación y registra hasta 70.000 puntos de datos en memoria no volátil.

Combinar clases de exactitud

Sume los límites de clase solo cuando cada uno acote la misma magnitud bajo las mismas condiciones. El siguiente presupuesto utiliza un contador de clase 0,5S conectado a un TC de clase 0,5S, con la carga al 20 % de la corriente nominal del TC (y, por tanto, el contador al 20 % de In), factor de potencia 0,5 inductivo y temperatura de referencia.

La suma lineal representa el peor caso y sirve como cifra prudente para un primer examen. La raíz de la suma de cuadrados trata cada límite como la semiamplitud de una distribución rectangular (JCGM 100:2008, 4.3.7) y supone contribuciones independientes. Los errores de relación y fase del TC proceden ambos de su corriente de magnetización, por lo que suelen estar correlacionados y el resultado de raíz de la suma de cuadrados puede ser optimista.

Con factor de potencia unitario, la misma pareja da una suma lineal del 1,0 % y ±0,8 % con k = 2. La diferencia la causa el término de fase. Un certificado de ensayo del TC indica los errores de relación y fase medidos en cada punto de prueba, normalmente mucho menores que los límites de clase. Utilice esos valores si los tiene.

Si se va a pagar a alguien en función del resultado, encargue el ensayo del contador y los TC como conjunto a un laboratorio acreditado según ISO/IEC 17025 para energía eléctrica.

Contadores de facturación y «grado de facturación»

«Grado de facturación» y «grado comercial» no tienen límites definidos. La facturación y la liquidación dependen de la jurisdicción, el instrumento aprobado, su vía de conformidad y su instalación.

En la UE, el anexo V (MI-003) de la Directiva 2014/32/UE cubre contadores de energía eléctrica activa para uso residencial, comercial y de industria ligera, de clases A, B y C. Entre 5 °C y 30 °C con carga equilibrada, el error máximo permitido para la clase C es del 1 % por debajo de la corriente de transición Itr y del 0,7 % desde Itr hasta Imax. Para la clase B es del 2 %. Los límites se amplían a otras temperaturas: para clase C, 2 % y 1,5 % entre −40 °C y −25 °C o entre 55 °C y 70 °C. El intervalo de factor de potencia comprende, como mínimo, de 0,5 inductivo a 0,8 capacitivo. El anexo indica que puede utilizarse un contador con transformadores de medida externos, pero solo cubre el contador.

En Gran Bretaña, la orientación gubernamental establece que un contador de gas o electricidad utilizado para facturar por un suministrador o arrendador debe ser de un diseño aprobado.

Solicite el certificado de aprobación del modelo exacto del contador y las normas de instalación y precintado del suministrador u operador de red. Un certificado de calibración de otra configuración o una etiqueta en un panel de control no constituyen aprobación.

Puesta en servicio de una instalación de alta exactitud

1. Defina el límite de medida: acometida, alimentador o equipo incluidos, y cualquier suministro paralelo, generación, derivación o auxiliar sin medir.
2. Registre la cadena: modelo, número de serie y firmware del contador; fabricante y corriente nominal del sensor; canal, relación configurada y revisión de la ficha técnica.
3. Inspeccione la orientación y el cierre del sensor, asociación de fases, ubicación y protección de la referencia de tensión, espacio del conductor y firmeza de los bornes según las instrucciones de instalación.
4. Lea del dispositivo la configuración efectiva: relación de TC, modo de conexión (tres o cuatro hilos), frecuencia nominal, convención de importación/exportación e intervalo de informe.
5. Compare cada fase con el instrumento de referencia a carga habitual. Con una carga que importa energía, todas las fases deben indicar potencia activa positiva. En una carga equilibrada, los tres factores de potencia deben ser próximos entre sí. Una fase negativa o muy inferior a las demás indica un fallo de cableado hasta que se demuestre otra causa.
6. Compare la energía acumulada durante un ciclo normal de carga, como una semana laborable. Utilice iguales horas de inicio y fin, zona horaria, límite de medida y sentido de energía.
7. Explique las diferencias antes de atribuirlas a exactitud. Compruebe primero límites, pérdidas del transformador, tiempos, redondeo, datos ausentes y cargas sin medir.
8. Conserve lecturas, marcas temporales, instrumento de referencia y su certificado de calibración, fotografías, ajustes, excepciones y nombre de quien aceptó la instalación.

Elija una referencia cuya incertidumbre no supere una cuarta parte de la tolerancia que está comprobando. Un analizador de potencia con pinza y exactitud especificada de ±2 % para potencia activa detecta errores de cableado, pero no puede confirmar una cadena de clase 0,5S. Un contador de facturación en el mismo límite suele ser la mejor referencia durante una semana. Su propia clase y la clase de sus TC determinan la menor diferencia que puede distinguirse.

Indique la diferencia con signo:

diferencia (%) = 100 × (energía del contador − energía de referencia) ÷ energía de referencia

Por ejemplo, durante siete días la referencia registra 18.640 kWh y el contador secundario 18.712 kWh. La diferencia es 100 × 72 ÷ 18.640 = +0,39 %. Con una referencia de clase 0,2S conectada a TC de clase 0,2S, y la carga mayoritariamente por encima del 20 % de la corriente nominal del TC con factor de potencia superior a 0,9, ese resultado es compatible con una cadena 0,5S bien instalada. Una diferencia cercana a −67 % apunta a un TC invertido en una carga equilibrada. Una diferencia cercana a +100 % apunta a una relación configurada de 200/5 en un TC 100/5. El resultado compara ese intervalo; no es una calibración.

Exactitud del conjunto con EpiSensor ZEM

Un contador convencional conectado mediante transformadores se ensaya por tipo de forma independiente, y sus TC se especifican y ensayan aparte según IEC 61869-2. El instalador es responsable de emparejarlos, configurar la relación y comprobar la carga del secundario.

El analizador eléctrico ZEM se suministra con sus sensores de corriente. EpiSensor calibra cada ZEM con ellos antes de enviarlo, de modo que la clase 0,5S según IEC 62053-22 se aplica al conjunto de medida: contador y sensores. El ZEM-65 se pide con TC de núcleo partido de 120 A o bobinas Rogowski de 300 A, 1000 A o 3000 A. Ninguno es un TC convencional de 1 A o 5 A, así que no hay que calcular la carga del secundario ni configurar una relación de TC en la instalación.

Las comprobaciones en la instalación siguen siendo necesarias. Utilice la herramienta de selección de transformadores de corriente para registrar las corrientes mínima y máxima de interés, las dimensiones del conductor y la holgura de instalación. Compruebe la exactitud en todo ese intervalo: la correspondencia opcional de la herramienta con productos EpiSensor es una comparación de catálogo, no una aprobación de exactitud o instalación. Oriente cada sensor según su marca y colóquelo en la fase correcta; después, haga las comprobaciones de fase anteriores. La clase 0,5S no es una aprobación legal. Si una ley o un contrato exige un contador de facturación aprobado, confirme la aprobación con EpiSensor antes de instalarlo.