Un transformador de puesta a tierra en zig-zag, también llamado transformador de puesta a tierra en zig-zag o transformador de puesta a tierra del neutro, es un transformador de uso especial utilizado en sistemas de energía de media tensión. Su función principal no es transformar la tensión ni transferir la potencia de carga, sino crear un punto neutro estable para sistemas que no lo tienen o donde el punto neutro no es fácilmente accesible.
Este punto neutro puede conectarse entonces a una bobina de supresión de arco, resistencia de puesta a tierra del neutro, o un reactor pequeño para soportar la puesta a tierra del sistema, el control de la corriente de falla y la coordinación de protecciones.
Fabricante de transformadores de puesta a tierra en zig-zag sumergidos en aceite IEC
¿Por qué se necesita un transformador de puesta a tierra?
En las redes de distribución de media tensión de 6 kV, 10 kV, 35 kV y similares, el lado de baja tensión del transformador principal suele conectarse en triángulo, o bien el punto estrella no se extrae. Como resultado, el sistema no dispone de un punto neutro para la puesta a tierra durante el funcionamiento normal.
Sin embargo, se sigue necesitando un punto neutro por varias razones:
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Limitación de las sobretensiones por arco a tierra
Durante un fallo a tierra monofásico, las grandes corrientes capacitivas pueden provocar arcos intermitentes en el punto de fallo. Esto puede generar altas sobretensiones que amenazan los cables, los equipos de maniobra, los transformadores de medida y otros equipos.
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Proporcionar un camino para la corriente de secuencia cero
Los fallos a tierra producen corriente de secuencia cero. Sin un punto neutro, no existe un camino de retorno estable, y la protección de secuencia cero puede no operar con la sensibilidad adecuada.
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Soporte para bobinas de extinción o puesta a tierra de baja resistencia
Cuando se conecta a través de una bobina de extinción, el sistema puede compensar la corriente capacitiva de fallo a tierra. Cuando se conecta a través de una resistencia de puesta a tierra del neutro, se puede limitar la corriente de fallo garantizando al mismo tiempo el funcionamiento fiable de la protección de secuencia cero.
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Mejora de la fiabilidad del suministro
Muchos sistemas de media tensión permiten el funcionamiento durante un corto período de tiempo durante un fallo a tierra monofásico. Un esquema de puesta a tierra del neutro correctamente diseñado ayuda a mantener estables las tensiones del sistema hasta que se elimina el fallo.
Por lo tanto, cuando el sistema eléctrico no proporciona un punto neutro, se utiliza un transformador de puesta a tierra para crear uno.
Estructura de un transformador de puesta a tierra en zig-zag
Un transformador de puesta a tierra en zig-zag suele tener una construcción de tipo columnar similar a la de un transformador trifásico convencional, pero su conexión de devanados es diferente.
Cada devanado de fase se divide en dos mitades iguales con sentidos opuestos. Estas mitades se bobinan en diferentes columnas del núcleo y luego se conectan en serie en una disposición en zig-zag. El punto común de las tres fases se extrae como el punto neutro N.
Por ejemplo, la fase A no se bobina únicamente en la columna del núcleo de la fase A. Parte de su devanado se enlaza con otra fase, como la fase B o la fase C. Tras la conexión cruzada, los devanados forman un patrón en zig-zag.
Los grupos de vectores comunes incluyen:
- ZN: Lado de AT con conexión en zig-zag y neutro extraído;
- ZNyn1 / ZNyn11: Lado de AT con conexión en zig-zag y lado de BT con devanado secundario conectado en estrella, que también puede funcionar como transformador de servicios auxiliares de la subestación.
Fabricante chino de transformadores de puesta a tierra sumergidos en aceite
¿Cómo funciona un transformador de puesta a tierra en zig-zag?
La característica clave de un transformador de puesta a tierra en zig-zag es que presenta alta impedancia a las corrientes de secuencia positiva y negativa, pero baja impedancia a las corrientes de secuencia cero.
1. En condiciones normales: operación casi en vacío
Cuando los voltajes del sistema trifásico están equilibrados, solo fluye una pequeña corriente de excitación a través del transformador de puesta a tierra. El devanado en zig-zag presenta una alta impedancia de excitación a los voltajes de secuencia positiva y negativa, por lo que las pérdidas normales son muy bajas y el transformador casi no absorbe potencia activa.
2. Durante una falla a tierra monofásica: camino de baja impedancia para la corriente de falla
Cuando ocurre una falla a tierra monofásica, aparecen el voltaje de secuencia cero y la corriente de secuencia cero. La corriente de secuencia cero fluye desde el punto neutro hacia los devanados trifásicos. Las corrientes de secuencia cero en las tres fases son iguales en magnitud e idénticas en fase.
Dado que los dos semidevanados en la misma columna del núcleo tienen direcciones opuestas y polaridad opuesta, sus fuerzas magnetomotrices de secuencia cero se cancelan entre sí. Por lo tanto, el flujo resultante de secuencia cero es muy pequeño.
Como resultado, la impedancia de secuencia cero está determinada principalmente por la reactancia de dispersión y se mantiene relativamente baja. El valor exacto depende del nivel de voltaje del sistema, el diseño del devanado, los detalles de fabricación y los requisitos del proyecto.
Esto proporciona un camino de baja impedancia para la corriente de secuencia cero, permitiendo que la corriente de falla fluya sin problemas a través del punto neutro hacia el dispositivo de puesta a tierra.
¿Por qué se prefiere la conexión en zig-zag para los transformadores de puesta a tierra?
Los transformadores de puesta a tierra no se limitan a la conexión en zig-zag, pero la disposición en zig-zag ofrece claras ventajas en las aplicaciones de puesta a tierra de media tensión.
1. Baja impedancia de secuencia cero
El devanado en zig-zag permite que las fuerzas magnetomotrices de secuencia cero se cancelen en cada columna del núcleo, lo que resulta en una baja impedancia de secuencia cero y un flujo suave de la corriente de falla a tierra.
2. Bajas pérdidas de operación normal
En condiciones equilibradas, el transformador solo consume una pequeña corriente de excitación y opera cerca del vacío, manteniendo bajas las pérdidas en espera.
3. Buena compatibilidad con bobinas de supresión de arco y resistencias de puesta a tierra del neutro
Para la puesta a tierra con bobina de supresión de arco, el transformador en zig-zag permite que la corriente de compensación fluya libremente, lo que posibilita una alta utilización de la capacidad de la bobina.
Para la puesta a tierra de baja resistencia, proporciona suficiente corriente de secuencia cero para una operación de protección sensible y confiable.
En comparación, cuando se utiliza un transformador convencional YNyn para conectar una bobina de supresión de arco, la capacidad de la bobina suele limitarse a una pequeña proporción de la potencia nominal del transformador. Con los transformadores YNd, la utilización también está restringida por la carga secundaria y las pérdidas adicionales.
4. También puede servir como transformador de servicios auxiliares de la subestación
Muchos transformadores de puesta a tierra en zig-zag están equipados con un devanado secundario de baja tensión, formando una conexión ZNyn. Esto permite que la unidad proporcione tanto un punto de puesta a tierra del neutro como alimentación auxiliar de 380/220 V para la subestación, reduciendo los requisitos de inversión y espacio.
5. Cierta supresión de los componentes de tercer armónico
La conexión en zig-zag puede ayudar a suprimir el tercer armónico y otros componentes armónicos de secuencia cero, mejorando la calidad de la forma de onda del voltaje. Sin embargo, esto suele ser un beneficio secundario más que la razón principal para su selección.
Transformador de puesta a tierra en zig-zag frente a transformador convencional
| Elemento de comparación |
Transformador de puesta a tierra en zigzag |
Transformador convencional |
| Propósito principal |
Proporcionar un punto neutro artificial y respaldar la protección de puesta a tierra |
Transformar la tensión y transferir potencia |
| Estructura de los devanados |
Cada fase dividida en dos partes con conexión en zigzag |
Conexión estándar en Y, Δ o YN |
| Punto neutro |
Extraído específicamente para puesta a tierra |
Puede estar ausente o no utilizarse para puesta a tierra |
| Impedancia de secuencia cero |
Baja, adecuada para la corriente de secuencia cero |
Mayor, limita la corriente de secuencia cero |
| Condición de funcionamiento |
Prácticamente en vacío en funcionamiento normal; soporta corriente de falla de corta duración |
Con carga continua durante el funcionamiento normal |
| Aplicación típica |
Puesta a tierra de MT, bobinas de supresión de arco, resistencias de puesta a tierra del neutro |
Transformadores principales y transformadores de distribución |
Transformador de puesta a tierra sumergido en aceite de tipo Z OEM China
Aplicaciones típicas
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Redes de distribución de 10 kV y 35 kV
Se utilizan cuando el lado de baja tensión del transformador principal está conectado en delta o el neutro del sistema no está disponible.
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Sistemas de puesta a tierra con bobina de extinción
Se utilizan para compensar la corriente capacitiva de falta a tierra, extinguir los fallos por arco y limitar las sobretensiones transitorias.
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Sistemas de puesta a tierra de baja resistencia
Se utilizan para limitar la corriente de falta a tierra, garantizando al mismo tiempo el funcionamiento fiable de la protección de secuencia cero.
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Plantas de energía renovable, redes industriales y centros de datos
Se utilizan en sistemas interfazados con inversores, redes conectadas en delta o sistemas de energía aislados para proporcionar un punto de puesta a tierra estable y mejorar el rendimiento de la tensión desequilibrada y la protección.
Consideraciones de selección y operación
- Ajustar el nivel de tensión del sistema, como 6 kV, 10 kV o 35 kV, a la tensión nominal del sistema.
- Diseñar cuidadosamente la impedancia de secuencia cero. Un valor demasiado bajo puede aumentar excesivamente la corriente de falta; un valor demasiado alto puede reducir la sensibilidad de la protección. Debe coordinarse con la resistencia de puesta a tierra del neutro o la bobina de extinción.
- Seleccionar la capacidad adecuadamente. Cuando se utiliza solo para puesta a tierra, la potencia primaria debe coincidir con la bobina de extinción o la resistencia de puesta a tierra del neutro. Cuando solo se conecta una bobina de extinción, la capacidad primaria se selecciona comúnmente en 1,05 a 1,15 veces la potencia de la bobina como práctica de ingeniería. Si también se suministra una carga secundaria, se debe añadir la carga de los servicios auxiliares de la subestación.
- Verificar la capacidad térmica de corta duración. El transformador opera prácticamente en vacío en condiciones normales, pero debe soportar la corriente de falta a tierra de corta duración.
- Confirmar el grupo de vectores, como ZN, ZNyn1 o ZNyn11, según los requisitos de protección, medición y alimentación auxiliar.
- Verificar si realmente se requiere un transformador de puesta a tierra. Si el transformador principal ya tiene un punto neutro accesible, por ejemplo en algunos sistemas conectados en YN de 35 kV o 110 kV, puede que no sea necesario un transformador de puesta a tierra independiente.
Relación con las normas IEC
Dentro del marco de la IEC, los transformadores de puesta a tierra en zig-zag se diseñan y prueban generalmente según los requisitos generales para transformadores de potencia de la serie IEC 60076. IEC 60076-25 cubre principalmente las resistencias de puesta a tierra del neutro y reconoce explícitamente su uso junto con transformadores en zig-zag, transformadores en delta abierta y bobinas de extinción.
En la práctica, los transformadores de puesta a tierra en zig-zag se especifican y verifican según la impedancia de secuencia cero requerida, la corriente de falta de corta duración, la tensión nominal, el método de refrigeración, el nivel de aislamiento y el programa de ensayos. El cumplimiento con cualquier proyecto en particular siempre debe confirmarse frente a la especificación técnica del contrato, la edición aplicable de la norma y los informes de ensayos de terceros.
Resumen
Un transformador de puesta a tierra en zig-zag es un transformador especial que crea un punto neutro artificial mediante una disposición de devanado en zig-zag. Es ampliamente utilizado porque presenta una alta impedancia en condiciones normales equilibradas, lo que resulta en bajas pérdidas, mientras que proporciona una baja impedancia a la corriente de secuencia cero durante las faltas a tierra monofásicas. Esto lo hace muy adecuado para bobinas de extinción, resistencias de puesta a tierra del neutro y esquemas de protección de secuencia cero.
En comparación con los transformadores convencionales, los transformadores de puesta a tierra en zig-zag ofrecen ventajas claras en las redes de distribución de media tensión, especialmente para el control de la corriente de falta a tierra, la puesta a tierra del sistema y la mejora de la fiabilidad.
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