¿Qué es un transformador de puesta a tierra?
Un transformador de puesta a tierra (a menudo llamado "banco de puesta a tierra") está diseñado para proporcionar un punto neutro artificial a los sistemas de potencia que carecen de uno. Esto permite la conexión de bobinas de supresión de arco (bobinas Petersen) o puesta a tierra de baja resistencia. Su propósito principal es limitar las corrientes capacitivas durante las fallas a tierra, mejorando así la fiabilidad de la red de distribución.
Los transformadores de puesta a tierra se clasifican según su medio de aislamiento (sumergido en aceite o tipo seco) y su configuración de fases (monofásico o trifásico).
El desafío en los sistemas no aterrizados
En las redes de 6 kV, 10 kV y 35 kV, el punto neutro a menudo no está aterrizado. Dado que el lado de baja tensión de los transformadores principales suele estar conectado en delta, no hay un punto neutro físico disponible para la puesta a tierra.
Si bien los sistemas no aterrizados pueden tolerar una falla a tierra monofásica durante 1 o 2 horas, las redes urbanas modernas con un extenso cableado han aumentado significativamente las corrientes capacitivas. Cuando estas corrientes superan los 10 A, surgen varios riesgos:
- Arco intermitente: Esto puede causar sobretensiones que alcancen hasta 4 veces el voltaje pico normal, amenazando el aislamiento del equipo.
- Resonancia: Puede desencadenar ferroresonancia, dañando potencialmente los transformadores de tensión y los descargadores de sobretensión.
- Cortocircuitos fase a fase: El arco eléctrico puede ionizar el aire circundante, provocando cortocircuitos más graves.
Para mitigar estos riesgos, se requiere un punto neutro artificial para conectar dispositivos de compensación.
Uso global y conexión en Z
- En China: Los transformadores de puesta a tierra suelen utilizar una conexión Zig-Zag (Z). Para ahorrar espacio e inversión, a menudo se añade un devanado terciario para suministrar energía a los servicios auxiliares de la subestación.
- A nivel internacional: Los transformadores con conexión en Z también se utilizan ampliamente en sistemas no aterrizados de 10 kV. Presentan una alta impedancia a las corrientes de secuencia positiva y negativa, pero una baja impedancia a las corrientes de secuencia cero, garantizando un funcionamiento fiable de la protección contra fallas a tierra.
Unidades trifásicas frente a monofásicas
- Trifásico (Conexión en Z): A diferencia de los transformadores estándar, cada bobina de fase se divide en dos grupos enrollados en direcciones opuestas sobre diferentes columnas del núcleo. Esto permite que el flujo de secuencia cero fluya a través de las columnas del núcleo, resultando en una impedancia de secuencia cero muy baja (aprox. 10 Ω). En consecuencia, un transformador con conexión en Z puede soportar una bobina de supresión de arco con una capacidad del 90% al 100% de su potencia nominal.
- Monofásico: Se utilizan principalmente para crear un punto neutro para los gabinetes de resistencias de puesta a tierra del neutro de generadores o transformadores, ayudando a reducir el tamaño y el costo del paquete de resistencias.
Características operativas clave
- Baja impedancia de secuencia cero: Garantiza una salida eficaz de la corriente de secuencia cero.
- Alta impedancia de excitación: Minimiza la corriente en vacío.
- Bajas pérdidas en vacío: Mejora la eficiencia energética durante el funcionamiento diario.
Comparación de métodos de conexión
- Conexión YNyn:
Utiliza un núcleo de tres columnas. Sin embargo, el flujo de secuencia cero no puede circular dentro del núcleo y debe pasar a través del tanque y las abrazaderas, causando sobrecalentamiento local. Las normativas limitan estrictamente la bobina de supresión de arco conectada al 20% de la potencia nominal del transformador.
- Conexión YNd:
El secundario en delta proporciona un camino para las corrientes de secuencia cero, reduciendo la impedancia. Sin embargo, es difícil suministrar cargas mixtas de iluminación y potencia desde un devanado en delta. La capacidad para la bobina de supresión de arco se limita al 50% si el secundario está completamente cargado.
- Conexión ZNyn (El estándar de la industria):
Esta es la configuración más común a nivel mundial. La conexión en zigzag cancela las fuerzas magnetomotrices de secuencia cero en la misma pierna del núcleo, lo que resulta en un flujo de dispersión mínimo y una impedancia muy baja.
Capacidad: Puede soportar una bobina de supresión de arco igual a su propia capacidad nominal.
Energía auxiliar: El yn secundario permite alimentar cargas locales o servicios de la subestación (normalmente de 80 a 200 kVA).
Nota de diseño: Debido a la disposición vectorial, una conexión en Z requiere aproximadamente de 1,15 a 1,16 veces más espiras que una conexión estándar en estrella para la misma tensión.
Principio de funcionamiento
Durante una falla a tierra monofásica (por ejemplo, Fase C), la corriente de falla fluye a través de la tierra hacia el punto neutro. Luego, se divide equitativamente en las tres fases del transformador de puesta a tierra.
Dado que las corrientes en los dos devanados de la misma pierna del núcleo son iguales y opuestas, sus fuerzas magnéticas se cancelan entre sí. Esto resulta en una impedancia de secuencia cero extremadamente baja (normalmente de 6 a 10 Ω, en comparación con los 600 Ω de una conexión en estrella). Esta baja impedancia permite que la corriente de compensación fluya libremente mientras se mantienen las tensiones de línea simétricas, garantizando que el sistema permanezca seguro y estable.
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