Los transformadores de puesta a tierra, también llamados acopladores de neutro, se utilizan en sistemas de energía trifásicos donde no hay un punto de neutro disponible o el punto de neutro no se ha extraído. Proporcionan un punto de neutro artificial para que el sistema pueda conectarse a tierra directamente, a través de una resistencia o a través de una bobina de supresión de arco. Esto ayuda a limitar las corrientes de fallo a tierra monofásico y a suprimir las sobretensiones en las fases sanas.
Los transformadores de puesta a tierra se clasifican como reactores en IEC 60076-6:2007. Su diseño depende de las condiciones de operación del sistema y de los requisitos de la subestación. Dado que la literatura existente ofrece orientación limitada sobre las pruebas, este documento analiza las pruebas de elevación de temperatura para varios tipos comunes de transformadores de puesta a tierra sumergidos en aceite.
Los requisitos generales de la prueba de elevación de temperatura deben seguir IEC 60076-2:2011. Para los transformadores sumergidos en aceite con refrigeración ONAN u ONAF, los límites típicos son 60 K para la elevación de temperatura del aceite en la parte superior y 65 K para la elevación de temperatura promedio del devanado, a menos que se especifique lo contrario en la especificación de compra.
Transformador de puesta a tierra en zigzag
2. Estados de operación y pruebas de elevación de temperatura
2.1 Transformadores de puesta a tierra con corriente de neutro continua nominal y un devanado secundario
Transformador de puesta a tierra con devanado secundario
Para este tipo, el comprador especifica la corriente de neutro continua nominal en función del desplazamiento esperado del punto de neutro y del método de puesta a tierra del neutro seleccionado. También se puede proporcionar un devanado secundario para el suministro auxiliar de la subestación.
En condiciones normales del sistema, el transformador de puesta a tierra puede operar en:
- una condición de carga trifásica equilibrada, donde el punto de neutro permanece cerca del potencial de tierra;
- una condición de carga trifásica desequilibrada, donde el desplazamiento del punto de neutro produce una corriente de secuencia cero continua;
- una condición de carga del devanado secundario.
Bajo carga equilibrada, solo fluye corriente de excitación en el devanado primario. Las pérdidas son principalmente pérdidas en el núcleo y una pérdida de CC del devanado primario muy pequeña. Por lo tanto, la elevación de temperatura del devanado al aceite es casi cero.
Cuando se produce el desplazamiento del punto de neutro, una corriente de secuencia cero continua fluye a través del devanado primario del transformador de puesta a tierra. Esto produce pérdidas de CC en el devanado y pérdidas parásitas adicionales causadas por el flujo de secuencia cero. Si el devanado secundario soporta carga, también deben considerarse las pérdidas de CC del devanado secundario y las pérdidas de carga adicionales.
Dado que la condición de equilibrio y la condición de desplazamiento del neutro no ocurren simultáneamente, mientras que la condición de carga secundaria puede superponerse a cualquiera de ellas, la prueba de elevación de temperatura debe simular la combinación más severa.
Procedimiento de prueba de ejemplo
Suponga un transformador de puesta a tierra sumergido en aceite con los siguientes datos.
Datos técnicos de ejemplo de un transformador de puesta a tierra sumergido en aceite
| Parámetro |
Valor |
| Grupo vectorial |
ZNyn11 |
| Corriente nominal |
3.5 / 288.7 A |
| Pérdidas en vacío |
1,337 W |
| Pérdidas en carga a 75 °C basadas en 200 kVA |
969 W |
| Pérdidas en CC del devanado de BT a 75 °C |
754 W |
| Corriente nominal continua del neutro |
70 A |
| Pérdidas a la corriente nominal continua del neutro a 75 °C |
4,930 W |
La prueba de elevación de temperatura puede realizarse de la siguiente manera.
Paso 1 — Etapa de pérdida total máxima
La pérdida total a aplicar es:
Pmax = PkN(75 °C) + P0 + Pr(75 °C)
Pmax = 4,930 + 1,337 + 754 = 7,021 W
donde:
- PkN(75 °C) es la pérdida producida por la corriente nominal continua del neutro;
- P0 es la pérdida en vacío a la tensión y frecuencia nominales;
- Pr(75 °C) es la pérdida de CC del devanado de BT a la corriente nominal de carga secundaria.
La pérdida producida por la corriente nominal continua del neutro se basará en los valores medidos. Antes de la prueba, el devanado secundario se mantiene en circuito abierto y se aplica la corriente nominal continua del neutro de 70 A entre los terminales de AT ABC y el punto neutro O. A continuación, la pérdida medida se corrige a la temperatura de referencia de 75 °C.
Conexión de la prueba de elevación de temperatura del transformador de puesta a tierra
Pr(75 °C) es la pérdida de CC del devanado de BT a la corriente secundaria nominal de 288,7 A. La corriente de AT correspondiente a la carga secundaria de 200 kVA es de 3,5 A, la cual ya está incluida en los 70/3 A por fase. Por lo tanto, la pérdida a plena carga medida en una prueba de carga convencional no debe utilizarse directamente, de lo contrario la pérdida de CC de AT se aplicaría dos veces y el resultado de la elevación de temperatura estaría sobreestimado.
Una vez determinada la pérdida total, el transformador se energiza de acuerdo con el diagrama de cableado de la prueba. La elevación de temperatura del aceite en la parte superior y la elevación de temperatura media del aceite se obtienen de acuerdo con la norma IEC 60076-2:2011.
Paso 2 — Elevación de temperatura del devanado de AT
La corriente para esta etapa debe incluir la corriente nominal continua del neutro y la corriente de AT correspondiente a la capacidad secundaria nominal. Para este ejemplo, la corriente aplicada es:
I = 3 × 3.5 + 70 = 80.5 A
Esta corriente se mantiene durante una hora. Se mide la resistencia en caliente del devanado de AT entre el terminal B y el neutro O para determinar la diferencia de temperatura entre el devanado de AT y el aceite y, por lo tanto, la elevación de temperatura del devanado de AT. Este enfoque sigue el principio dado en la norma IEC 60076-6:2007 para transformadores de puesta a tierra con un devanado secundario.
Paso 3 — Elevación de temperatura del devanado de BT
A continuación, el transformador de puesta a tierra se trata de manera similar a un transformador de distribución para la prueba del devanado de BT. El devanado de BT se pone en cortocircuito y se aplica una corriente trifásica simétrica de 3,5 A al lado de AT, correspondiente a la capacidad secundaria nominal. La duración de la prueba es de una hora.
Se mide la resistencia en caliente del devanado de BT y la temperatura media del aceite. Se calcula la diferencia de temperatura entre el devanado de BT y el aceite y se suma a la elevación de temperatura media del aceite obtenida en el Paso 1 para determinar la elevación de temperatura del devanado de BT.
Transformador de puesta a tierra sin devanado secundario
2.2 Transformadores de puesta a tierra con corriente nominal continua de neutro pero sin devanado secundario
Este tipo cubre la condición equilibrada y la condición de desplazamiento del neutro. La prueba de elevación de temperatura deberá representar la condición de desplazamiento del neutro.
Los parámetros de la prueba son:
- Etapa de pérdida total máxima: Pmax = PkN(75 °C) + P0
- Etapa de corriente nominal: I = IN
2.3 Transformadores de puesta a tierra combinados con bobinas de supresión de arco
Para este tipo, la bobina de supresión de arco está integrada en el punto de neutro del transformador. El transformador de puesta a tierra y la bobina de supresión de arco deberán ensayarse conjuntamente. Si la bobina de supresión de arco es ajustable, la prueba deberá realizarse en la posición que produzca la mayor pérdida.
Combinación de bobina de supresión de arco y transformador de puesta a tierra
Los métodos para determinar la pérdida total máxima y la corriente nominal son los mismos que en la Sección 2.1. Las mediciones de resistencia en caliente deberán realizarse dos veces:
- Entre un terminal de línea y el terminal de tierra de la bobina de supresión de arco, generalmente BO;
- Entre dos terminales de línea del transformador de puesta a tierra, generalmente AC.
Estas mediciones permiten determinar por separado las diferencias de temperatura del devanado principal del transformador de puesta a tierra y del devanado de la bobina de supresión de arco.
3. Conclusión
La elevación de temperatura es un indicador clave de rendimiento para la operación segura y la vida útil de los transformadores de puesta a tierra. Debido a que los transformadores de puesta a tierra tienen diversas estructuras y modos de operación, los métodos de prueba incorrectos pueden conducir a resultados engañosos. Al simular las condiciones de operación más severas de acuerdo con IEC 60076-6:2007 e IEC 60076-2:2011, los fabricantes pueden obtener datos de elevación de temperatura más confiables para los transformadores de puesta a tierra sumergidos en aceite.
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