¿Por qué los transformadores de puesta a tierra de distribución utilizan de forma abrumadora el devanado en zigzag?

1. Impedancia de secuencia cero muy baja para una ruta eficiente de corriente de secuencia cero

Esta es la ventaja física central del devanado en zigzag. Cada devanado de fase de un transformador en zigzag se divide en dos mitades, enrolladas en direcciones opuestas en dos columnas de núcleo diferentes. Cuando se produce una falla monofásica a tierra, los flujos de secuencia cero en el núcleo se cancelan entre sí debido a la conexión inversa especial de los devanados, lo que resulta en una impedancia de secuencia cero extremadamente baja.

En comparación, el flujo de secuencia cero de los transformadores convencionales en Y o Δ solo puede fluir a través de la ruta de flujo de dispersión, lo que resulta en una impedancia de secuencia cero muy alta. La característica de baja impedancia de la conexión en zigzag asegura que la corriente de falla pueda fluir sin problemas, proporcionando señal suficiente para los relés de protección.

Transformador de Puesta a Tierra de Neutro Trifásico

2. Alta utilización de capacidad, rompiendo el "límite del 20%" de los transformadores convencionales

Cuando se introduce una bobina de extinción o una resistencia de puesta a tierra en la red de distribución, la conexión en zigzag demuestra una alta eficiencia económica. Si se utiliza un transformador de distribución estándar como transformador de puesta a tierra para soportar una bobina de extinción, la capacidad de la bobina no debe exceder el 20% de la capacidad del transformador. Por el contrario, debido a su diseño de circuito magnético autobalanceado, un transformador de puesta a tierra en zigzag puede soportar la gran mayoría de su propia capacidad como carga de bobina de extinción.

En la selección práctica de ingeniería, la capacidad nominal del lado primario de un transformador de puesta a tierra en zigzag se elige típicamente para que sea ligeramente mayor que la capacidad de la bobina de extinción.

3. No se requiere devanado secundario, minimizando las pérdidas en vacío

Si el neutro primario de un transformador convencional se pone a tierra, se requiere un devanado secundario (como un devanado en delta) para proporcionar una ruta cerrada para la corriente de secuencia cero; de lo contrario, la impedancia de magnetización es extremadamente alta y la corriente de secuencia cero no puede fluir. Una conexión en zigzag forma una ruta de secuencia cero sin requerir un devanado secundario.

Durante el funcionamiento normal del sistema, el transformador de puesta a tierra en zigzag se comporta como si estuviera en estado de circuito abierto. Dado que la tensión en el punto neutro es cercana a cero, solo fluye una corriente de magnetización muy pequeña a través de los devanados, lo que resulta en pérdidas en vacío extremadamente bajas. La corriente de falla de secuencia cero fluye solo durante la corta duración de una falla monofásica a tierra (en cuestión de segundos para la operación de la protección de secuencia cero, o hasta 2 horas durante la compensación con bobina de extinción).

4. Supresión del tercer armónico, mejorando la forma de onda de tensión

Las cargas no lineales, como los rectificadores y los variadores de frecuencia, generan corrientes de tercer armónico sustanciales. En los sistemas convencionales trifásicos de cuatro hilos, las corrientes de tercer armónico se acumulan en el conductor neutro, provocando una corriente neutra excesiva y un calentamiento severo. La conexión en zigzag presenta una baja impedancia a las corrientes de tercer armónico, permitiéndoles circular dentro de los devanados y cancelarse entre sí, reduciendo así eficazmente el contenido armónico en la tensión de fase y la corriente neutra.

5. Equilibrio del circuito magnético, previniendo la saturación profunda del núcleo

En un sistema de neutro aislado durante una falla monofásica a tierra, la tensión fase-tierra de las fases sanas aumenta hasta la tensión de línea (es decir, un incremento de sqrt(3) veces). Para un transformador convencional de núcleo de tres columnas, este cambio de tensión puede causar fácilmente una saturación profunda del núcleo, lo que potencialmente podría dañar el transformador en casos severos. En una conexión en zigzag, cada devanado de fase se distribuye en dos columnas del núcleo, y las fuerzas magnetomotrices durante las fallas logran un autobalance mediante el acoplamiento cruzado, previniendo eficazmente la saturación del núcleo y garantizando la estabilidad térmica durante el período de falla monofásica.

Resumen

El uso de transformadores de puesta a tierra en zigzag en redes de distribución es esencialmente un medio para crear un punto neutro artificial de baja impedancia sin alterar la estructura original de la red. Resuelve los siguientes desafíos de ingeniería:

• Durante el funcionamiento normal: La tensión del punto neutro es cercana a cero, las pérdidas en vacío son mínimas y el equilibrio de tensión trifásica no se ve afectado.
• Durante una falla: La impedancia de secuencia cero muy baja proporciona una ruta definida para la corriente de falla, asegurando la compensación de la bobina de supresión de arco o la operación del relé de protección.
• Economía y seguridad: Supera la limitación de capacidad del 20% de los transformadores convencionales y ofrece una fuerte capacidad anti-saturación, lo que lo convierte en la opción estándar y óptima para establecer puntos neutros artificiales en redes de distribución de 6 kV, 10 kV y 35 kV.

Editado desde：Echo