Un transformador de puesta a tierra también se denomina transformador de puesta a tierra del neutro. Crea un punto neutro artificial en sistemas de energía donde el neutro no está directamente disponible o no está puesto a tierra.
Normalmente no transporta una corriente de carga significativa. En su lugar, proporciona una ruta confiable para la corriente de secuencia cero durante una falla a tierra monofásica. Funciona junto con una resistencia de puesta a tierra del neutro, resistencia de puesta a tierra o bobina de supresión de arco. Esto ayuda a limitar la corriente de falla, suprimir las sobretensiones transitorias y habilitar la protección por relés.
Los transformadores de puesta a tierra de tipo seco se utilizan ampliamente en subestaciones, salas de equipos de maniobra, centros de datos, hospitales, plantas industriales y estaciones de energía renovable. Están libres de aceite, son resistentes al fuego y requieren un mantenimiento relativamente bajo.
¿Por qué se necesitan los transformadores de puesta a tierra?
Muchas redes de distribución de media tensión de 6 kV, 10 kV y 35 kV utilizan un neutro no puesto a tierra o puesto a tierra mediante bobina de supresión de arco. Si el lado de baja tensión del transformador principal está conectado en delta, no hay un punto neutro accesible para la puesta a tierra.
Cuando se produce una falla a tierra monofásica, la corriente capacitiva de falla a tierra puede volverse lo suficientemente grande como para mantener un arco. Esto puede provocar sobretensiones de arco a tierra, ferroresonancia o incluso fallas fase a fase.
Un transformador de puesta a tierra proporciona un punto neutro artificial estable. El sistema puede entonces ponerse a tierra a través de una resistencia, reactor u otro dispositivo de puesta a tierra. Esto mejora tanto la seguridad del sistema como la sensibilidad de la protección.
Cómo funciona: ¿La ventaja de la conexión en zig-zag?
Los transformadores de puesta a tierra utilizan comúnmente una conexión en zig-zag. Cada devanado de fase se divide en dos partes. Estas partes se bobinan en direcciones opuestas sobre diferentes columnas del núcleo y luego se conectan en serie para sacar el punto neutro.
En condiciones normales, las tensiones trifásicas están esencialmente equilibradas.
El transformador de puesta a tierra transporta principalmente corriente de magnetización. Presenta una alta impedancia a las corrientes de secuencia positiva y negativa, por lo que opera cerca de la condición de vacío.
Durante una falla a tierra monofásica, la corriente de secuencia cero fluye a través del punto neutro hacia tierra.
La disposición en zig-zag permite que el flujo de secuencia cero forme un camino cerrado dentro del núcleo. Esto resulta en una baja impedancia a la corriente de secuencia cero.
En comparación con los transformadores de potencia convencionales, un transformador de puesta a tierra en zig-zag tiene una impedancia de secuencia cero mucho menor.
Por lo tanto, es más adecuado para transportar la corriente de falla a tierra. La impedancia de secuencia cero exacta depende de la capacidad del producto, la estructura del núcleo y el nivel de tensión del sistema. Debe confirmarse a partir de los informes de prueba del fabricante y los estudios de fallas del sistema.
Tipos comunes y disposiciones de conexión
Los transformadores de puesta a tierra se pueden clasificar de la siguiente manera:
- Por medio de aislamiento: transformadores de puesta a tierra sumergidos en aceite y transformadores de puesta a tierra de tipo seco.
- Por número de fases: transformadores de puesta a tierra trifásicos y monofásicos.
- Por disposición de devanados: transformadores de puesta a tierra de dos devanados y de tres devanados.
Un transformador de puesta a tierra de tres devanados a menudo incluye un devanado auxiliar de baja tensión. Este devanado puede servir como transformador de servicios auxiliares de la subestación. La unidad proporciona entonces tanto un punto neutro artificial como una fuente de alimentación auxiliar, reduciendo la cantidad de equipos y ahorrando espacio.
Las disposiciones de conexión típicas incluyen ZNyn y YNd. La selección final debe basarse en la tensión del sistema, el método de puesta a tierra, los requisitos de protección y cualquier demanda de carga auxiliar.
Parámetros clave y consideraciones de selección
Los parámetros importantes para la selección incluyen:
- Tensión nominal: debe coincidir con la tensión del sistema, como 10 kV o 35 kV.
- Impedancia de secuencia cero: afecta la corriente de falla a tierra monofásica. Debe coordinarse con la resistencia de puesta a tierra del neutro, la bobina de supresión de arco y los ajustes de protección.
- Capacidad nominal: determinada por la corriente capacitiva del sistema, el método de puesta a tierra y la corriente de falla de corta duración.
- Clase de aislamiento: las clases comunes para unidades de tipo seco son la Clase F y la Clase H.
- Capacidad de corriente de corta duración: el transformador debe soportar la corriente de falla a tierra durante la duración de falla requerida.
- Método de puesta a tierra: puesta a tierra de baja resistencia, puesta a tierra de alta resistencia, puesta a tierra por reactancia, puesta a tierra por bobina de supresión de arco o puesta a tierra sólida.
En los sistemas puestos a tierra de baja resistencia, la capacidad del transformador de puesta a tierra debe verificarse frente a la tensión del sistema y la corriente de falla objetivo. También debe verificarse frente a la duración de falla requerida. La potencia nominal continua debe derivarse del régimen térmico de corta duración. Si la unidad también suministra una carga de servicios auxiliares de la subestación, la carga auxiliar debe añadirse para evitar el sobrecalentamiento a largo plazo.
Aplicaciones típicas
- Redes de distribución de 10 kV / 35 kV: proporcionan un punto neutro artificial y limitan las sobretensiones por arco.
- Redes de cables: una mayor corriente capacitiva de falla a tierra requiere un método de puesta a tierra controlado.
- Plantas de energía renovable: estabilizan el potencial del punto neutro en los sistemas de recolección de plantas fotovoltaicas y eólicas.
- Centros de datos, hospitales e instalaciones industriales: mejoran la seguridad de la puesta a tierra y la detección de fallas.
- Alimentación auxiliar de subestaciones: utilizan un transformador de puesta a tierra de tres devanados como transformador de servicios auxiliares de la subestación.
Lista de verificación de inspección diaria
Un transformador de puesta a tierra de tipo seco normalmente opera en vacío o con una carga muy ligera. Solo transporta una corriente significativa durante una falla a tierra. Las inspecciones de rutina deben cubrir tanto los elementos generales del transformador de tipo seco como el circuito de puesta a tierra del neutro.
| Área de inspección |
Elementos clave |
Condición normal / Acción |
| Aspecto y aislamiento |
Carcasa, devanados, aisladores, bujes, abrazaderas del núcleo |
Sin grietas, decoloración, carbonización, pistas de fuga ni material extraño; limpiar el polvo acumulado durante la parada |
| Conexiones eléctricas |
Terminaciones de cables, barras colectoras, bornes, pernos |
Sin holguras, oxidación, decoloración ni quemaduras; verificar con termografía infrarroja |
| Neutro y puesta a tierra |
Cable de neutro, resistencia de puesta a tierra o bobina de supresión de arco, puesta a tierra de la carcasa, puesta a tierra del núcleo |
Conductores de puesta a tierra seguros y libres de corrosión; la resistencia de puesta a tierra de protección generalmente ≤ 4 Ω o según lo requiera la red de puesta a tierra; la resistencia de puesta a tierra del neutro debe determinarse mediante cálculo del sistema |
| Temperatura y refrigeración |
Controlador de temperatura, temperatura de los devanados, ventiladores de refrigeración, conductos de aire |
Las unidades de clase F comúnmente dan alarma alrededor de 130 °C y disparan alrededor de 150 °C; la clase H permite temperaturas más altas; confirmar los ajustes con la placa de características y los datos del fabricante |
| Sonido y vibración |
Núcleo, abrazaderas, carcasa, ventiladores |
El zumbido uniforme es normal; investigar inmediatamente chasquidos, arcos eléctricos o ruido metálico |
| Parámetros de funcionamiento |
Tensión, corriente, equilibrio de fases, corriente de secuencia cero |
Desviación de tensión preferiblemente dentro de ±5 %; corrientes de fase equilibradas; la corriente de secuencia cero anormal requiere investigación |
| Entorno |
Ventilación, temperatura, humedad, condensación, protección contra plagas |
Temperatura ambiente generalmente ≤ 40 °C; humedad relativa ≤ 85 %; sin condensación, escombros ni sellado dañado |
Fallas comunes y solución de problemas
| Síntoma |
Causa probable |
Acción recomendada |
| Desplazamiento de la tensión del punto neutro |
Desequilibrio de fases, puesta a tierra deficiente, fallo a tierra del sistema |
Verificar el equilibrio de carga, el circuito de puesta a tierra y la tensión de secuencia cero |
| Corriente de secuencia cero anormal |
Fallo a tierra monofásico, fallo de la resistencia de puesta a tierra, problema de protección |
Verificar la condición de fallo del sistema; inspeccionar el circuito del neutro, la resistencia de puesta a tierra y el TC de secuencia cero |
| Sobrecalentamiento de devanados o uniones |
Conexión floja, sobrecarga, fallo del ventilador |
Realizar inspección por infrarrojos; apretar conexiones; verificar ventiladores y conductos de aire |
| Ruido u olor de descarga |
Humedad, acumulación de polvo, descarga parcial |
Inspeccionar la superficie de aislamiento durante la parada; realizar pruebas de aislamiento si es necesario |
| Corriente elevada de puesta a tierra del núcleo |
Múltiples puntos de puesta a tierra del núcleo, envejecimiento del aislamiento |
Medir la resistencia de aislamiento del núcleo; localizar y eliminar los puntos de puesta a tierra no deseados |
| Disparo de la protección de secuencia cero |
Fallo a tierra real, daño en la resistencia de puesta a tierra, mal funcionamiento del TC o del relé |
Confirmar si se produjo un fallo real; inspeccionar el circuito del neutro, la resistencia de puesta a tierra, el TC de secuencia cero y los ajustes del relé |
Recomendaciones de mantenimiento y pruebas
Mantenga registros de operación para la temperatura del devanado, corriente, voltaje, corriente de secuencia cero y operación del ventilador. Las actividades mensuales pueden incluir inspección visual, apriete de terminales y pruebas de funcionamiento del ventilador. Las verificaciones trimestrales deben cubrir el sistema de puesta a tierra, la corriente de puesta a tierra del núcleo y la condición del aislamiento.
Las pruebas anuales o basadas en códigos pueden incluir resistencia de aislamiento, resistencia de CC del devanado, relación de transformación, calibración del controlador de temperatura y pruebas de descargas parciales cuando sea aplicable.
Aunque un transformador de puesta a tierra soporta muy poca carga durante la operación normal, su confiabilidad afecta directamente el rendimiento de la protección contra fallas a tierra. El conductor del neutro, la resistencia de puesta a tierra, la bobina de supresión de arco y el circuito de protección de secuencia cero deben tratarse como puntos de inspección prioritarios.
Alcance y notas de seguridad
Este artículo está destinado a servir como referencia general sobre transformadores de puesta a tierra de tipo seco utilizados en sistemas de distribución de media tensión. Los parámetros específicos, ajustes e intervalos de mantenimiento siempre deben seguir la placa de identificación del equipo, las instrucciones del fabricante, las especificaciones del proyecto y las normas locales aplicables.
Durante las inspecciones en vivo, mantenga una distancia de seguridad de las partes energizadas. Cualquier trabajo que implique aislamiento, apriete de terminales o pruebas debe seguir los procedimientos adecuados de bloqueo y etiquetado, verificación de desenergización y puesta a tierra.
La información proporcionada aquí es solo para discusión técnica y no constituye diseño de ingeniería, coordinación de protecciones ni instrucciones operativas.
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