¿Cuál es la diferencia entre un transformador de puesta a tierra y una bobina supresora de arcos?

Descripción general de los transformadores de tierra
Un transformador de tierra, comúnmente conocido como "transformador de tierra" o simplemente "unidad de tierra," se puede clasificar en sumergible en aceite y de tipo seco según el medio aislante, e en trifásico y monofásico según el número de fases. La función principal de un transformador de tierra es proporcionar un punto neutro artificial para sistemas eléctricos cuyos transformadores o generadores carecen de un neutro natural (por ejemplo, sistemas conectados en delta). Este neutro artificial permite el uso de una bobina de supresión de arcos (bobina Peterson) o un método de tierra de baja resistencia, lo que reduce la corriente de falla a tierra capacitiva durante fallas de línea única a tierra y mejora la confiabilidad del sistema de distribución.

Descripción general de las bobinas de supresión de arcos (Bobinas Peterson)
Como su nombre indica, una bobina de supresión de arcos está diseñada para extinguir arcos. Es una bobina inductiva con núcleo de hierro conectada entre el punto neutro de un transformador (o generador) y la tierra, formando un sistema de tierra con bobina de supresión de arcos. Esta configuración representa un tipo de sistema de tierra de corriente pequeña. En condiciones de operación normales, no fluye corriente a través de la bobina. Sin embargo, cuando la red es golpeada por un rayo o experimenta una falla de arco a tierra monofásica, el voltaje del punto neutro sube al voltaje de fase. En este momento, la corriente inductiva de la bobina de supresión de arcos contrarresta la corriente de falla capacitiva, compensándola efectivamente. La corriente residual resultante se vuelve muy pequeña—insuficiente para mantener el arco—permitiéndole extinguirse naturalmente. Esto elimina rápidamente la falla a tierra sin desencadenar sobretensiones peligrosas.

El papel clave de la bobina de supresión de arcos es suministrar corriente inductiva que compense la corriente capacitiva en el punto de falla durante una falla a tierra monofásica, reduciendo la corriente total de falla a menos de 10 A. Esto ayuda a prevenir la reencendida del arco después del cruce por cero, logra la extinción del arco, reduce la probabilidad de sobretensiones de gran magnitud y previene la escalada de la falla. Cuando está correctamente sintonizada, la bobina de supresión de arcos no solo minimiza la probabilidad de sobretensiones inducidas por arcos, sino que también suprime su amplitud y reduce el daño térmico en el punto de falla y el aumento de voltaje en la malla de tierra.

La sintonización correcta significa que la corriente inductiva (IL) coincide o se aproxima estrechamente a la corriente capacitiva (IC). En la práctica de ingeniería, el grado de destonación se expresa mediante el factor de destonación V:

• Cuando V=0, se llama compensación completa (condición resonante).

• Cuando V>0, es subcompensación.

• Cuando V<0, es sobrecorrección.

Idealmente, para una supresión óptima de arcos, el valor absoluto de V debe ser lo más pequeño posible—preferiblemente cero (compensación completa). Sin embargo, en la operación normal de la red, una pequeña destonación (especialmente la compensación completa) puede llevar a sobretensiones de resonancia en serie. Por ejemplo, en un sistema de energía de mina de carbón de 6 kV, el voltaje de desplazamiento del punto neutro bajo compensación completa puede ser 10 a 25 veces mayor que en un sistema no aterrizado—conocido comúnmente como sobretensión de resonancia en serie. Además, las operaciones de conmutación (por ejemplo, energizar motores grandes o cierre de interruptores asincrónicos) también pueden inducir sobretensiones peligrosas. Por lo tanto, cuando no existe una falla a tierra, operar la bobina de supresión de arcos cerca de la resonancia presenta un riesgo en lugar de un beneficio de seguridad. En la práctica, las bobinas de supresión de arcos que operan en o cerca de la compensación completa suelen estar equipadas con un resistor de amortiguamiento para suprimir las sobretensiones de resonancia, y la experiencia en campo ha demostrado que este enfoque es altamente efectivo.

Diferencia entre transformadores de tierra y bobinas de supresión de arcos
En los sistemas de distribución trifásica de 10 kV en China, el punto neutro suele estar no aterrizado. Para prevenir que las corrientes capacitivas intermitentes durante las fallas a tierra monofásicas causen arcos sostenidos y oscilaciones de voltaje—lo que podría escalar en incidentes mayores—se utiliza un transformador de tierra para crear un punto neutro artificial. El transformador de tierra generalmente emplea una conexión de devanado en zigzag (tipo Z). Su punto neutro se conecta a una bobina de supresión de arcos, que luego se aterra. Durante una falla a tierra monofásica, la corriente inductiva de la bobina de supresión de arcos anula la corriente capacitiva del sistema, permitiendo que el sistema continúe operando durante hasta 2 horas mientras el personal de mantenimiento localiza y corrige la falla.

Así, el transformador de tierra y la bobina de supresión de arcos son dos dispositivos distintos: la bobina de supresión de arcos es esencialmente un inductor grande, conectado entre el punto neutro proporcionado por el transformador de tierra y la tierra. Trabajan juntos como un sistema coordinado—pero sirven funciones fundamentalmente diferentes.