Métodos de Conexión y Parámetros de los Transformadores de Tierra
Configuraciones de Bobinado de Transformadores de Tierra
Los transformadores de tierra se clasifican por su conexión de bobinado en dos tipos: ZNyn (zigzag) o YNd. Sus puntos neutros pueden estar conectados a un coil de supresión de arco o a una resistencia de tierra. Actualmente, el transformador de tierra tipo zigzag (Z) conectado a través de un coil de supresión de arco o una resistencia de bajo valor es más comúnmente utilizado.
1. Transformador de Tierra Tipo Z
Los transformadores de tierra tipo Z vienen en versiones con aislamiento sumergido en aceite y aislamiento seco. Entre ellos, el encapsulado en resina es un tipo de aislamiento seco. Estructuralmente, es similar a un transformador de potencia trifásico de núcleo estándar, excepto que en cada pierna de fase, el bobinado se divide en dos secciones de igual número de vueltas—superior e inferior. El extremo de una sección se conecta en serie con polaridad inversa al extremo del bobinado de otra fase.
Las dos secciones de bobinado tienen polaridades opuestas, formando una nueva fase en una configuración zigzag. Los terminales de inicio de los bobinados superiores—U1, V1, W1—se sacan y se conectan a las líneas de alimentación trifásica A, B y C, respectivamente. Los terminales de inicio de los bobinados inferiores—U2, V2, W2—se unen para formar el punto neutro, que luego se conecta a una resistencia de tierra o a un coil de supresión de arco, como se muestra en la figura. Dependiendo del método de conexión específico, los transformadores de tierra tipo Z se categorizan aún más en configuraciones ZNvn1 y ZNyn11.
Los transformadores de tierra tipo Z también pueden estar equipados con un bobinado de baja tensión, generalmente conectado en estrella con un punto neutro a tierra (yn), permitiéndoles servir como transformadores de servicio de estación.
2. Transformador de Tierra Tipo Z
Ventajas de la conexión zigzag de los transformadores tipo Z:
Durante un cortocircuito monofásico, la corriente de falla a tierra se distribuye aproximadamente de manera uniforme entre los tres bobinados trifásicos. Las fuerzas electromagnéticas (FEM) de los dos bobinados en cada pata del núcleo son opuestas en dirección, por lo que no hay efecto de amortiguamiento, permitiendo que la corriente fluya libremente desde el punto neutro hacia la línea con falla.
No hay componente de tercera armónica en el voltaje de fase porque, en un banco de transformadores trifásico de conexión zigzag, las terceras armónicas tienen magnitud y dirección idénticas como vectores. Debido a la disposición del bobinado, las fuerzas electromotrices de tercera armónica en cada fase se anulan mutuamente, resultando en un voltaje de fase casi sinusoidal.
En un transformador de tierra tipo Z, las corrientes de secuencia cero en los dos medios bobinados en la misma pata del núcleo fluyen en direcciones opuestas; por lo tanto, la reactancia de secuencia cero es muy baja y no sofoca la corriente de secuencia cero. El principio detrás de su baja impedancia de secuencia cero es el siguiente: en cada una de las tres patas del núcleo del transformador de tierra, hay dos bobinados con igual número de vueltas, cada uno conectado a diferentes voltajes de fase.
Cuando se aplican voltajes trifásicos de secuencia positiva o negativa equilibrados a los terminales de línea del transformador de tierra, la FEM en cada pata del núcleo es la suma vectorial de las FEM de los dos bobinados conectados a diferentes fases. Las FEM resultantes en cada pata del núcleo están desplazadas 120°, formando un conjunto trifásico equilibrado. La FEM monofásica puede establecer un circuito magnético a través de las tres patas del núcleo, resultando en una baja reticencia magnética, un gran flujo magnético, un alto voltaje inducido y, por lo tanto, una impedancia de magnetización muy alta.
Sin embargo, cuando se aplica un voltaje de secuencia cero a los terminales de línea trifásicos, las FEM producidas por los dos bobinados en cada pata del núcleo son iguales en magnitud pero opuestas en dirección, resultando en una FEM neta nula por pata—por lo tanto, no existe FEM de secuencia cero en las tres patas del núcleo. La FEM de secuencia cero solo puede completar su camino a través del tanque y el medio circundante, lo que presenta una reticencia magnética muy alta; consecuentemente, la FEM de secuencia cero es muy pequeña, llevando a una impedancia de secuencia cero muy baja.
3. Parámetros del Transformador de Tierra
Para cumplir con los requisitos de las redes de distribución que utilizan compensación de tierra mediante coil de supresión de arco, y al mismo tiempo satisfacer las necesidades de carga de servicio de estación para potencia e iluminación en subestaciones, se seleccionan transformadores de conexión Z, y los parámetros clave del transformador de tierra deben ser razonablemente ajustados.
3.1 Capacidad Nominal
La capacidad primaria del transformador de tierra debe coincidir con la capacidad del coil de supresión de arco. Basándose en las calificaciones de capacidad estándar del coil de supresión de arco, se recomienda que la capacidad del transformador de tierra se ajuste a 1,05–1,15 veces la capacidad del coil de supresión de arco. Por ejemplo, un coil de supresión de arco de 200 kVA se emparejaría con un transformador de tierra de 215 kVA.
3.2 Corriente de Compensación del Punto Neutro
La corriente total que fluye a través del punto neutro del transformador durante una falla monofásica
En la fórmula anterior:
U es el voltaje de línea de la red de distribución (V);
Zx es la impedancia del coil de supresión de arco (Ω);
Zd es la impedancia de secuencia cero primaria del transformador de tierra (Ω/fase);
Zs es la impedancia del sistema (Ω).
La duración de la corriente de compensación del punto neutro debe ser la misma que el tiempo de operación continua del coil de supresión de arco, que se especifica como 2 horas.
3.3 Impedancia de secuencia cero
La impedancia de secuencia cero es un parámetro crítico del transformador de tierra y afecta significativamente la configuración de la protección por relés para limitar las corrientes de falla en una fase y suprimir sobretensiones. Para los transformadores de tierra en zigzag (tipo Z) sin devanado secundario, así como aquellos con conexiones estrella/triángulo abierto, solo existe una impedancia, es decir, la impedancia de secuencia cero, lo que permite a los fabricantes cumplir con los requisitos de las empresas de servicios públicos.
3.4 Pérdidas
Las pérdidas son un parámetro de rendimiento importante de los transformadores de tierra. Para los transformadores de tierra equipados con un devanado secundario, la pérdida en vacío puede ser equivalente a la de un transformador de dos devanados de la misma potencia nominal. En cuanto a las pérdidas por carga, cuando el lado secundario opera a plena carga, el lado primario lleva una carga relativamente ligera; por lo tanto, su pérdida por carga es menor que la de un transformador de dos devanados con la misma capacidad en el lado secundario.
3.5 Elevación de temperatura
Según las normas nacionales, la elevación de temperatura de los transformadores de tierra está regulada de la siguiente manera:
La elevación de temperatura bajo corriente continua nominal debe cumplir con las disposiciones de la norma nacional para transformadores de potencia general o de tipo seco. Esto se aplica principalmente a los transformadores de tierra cuyo lado secundario está frecuentemente cargado.
Cuando la corriente de carga a corto plazo dura no más de 10 segundos (un escenario que suele ocurrir cuando el punto neutro está conectado a un resistor), la elevación de temperatura debe ajustarse a los límites especificados en la norma nacional para transformadores de potencia bajo condiciones de cortocircuito.
Cuando el transformador de tierra opera junto con una bobina de extinción de arco, su elevación de temperatura debe cumplir con los requisitos de elevación de temperatura para la bobina de extinción de arco:
Para los devanados que llevan continuamente la corriente nominal, la elevación de temperatura está limitada a 80 K. Esto se aplica principalmente a los transformadores de tierra con conexión en estrella/triángulo abierto.
Para los devanados con una duración máxima de corriente de 2 horas (como se especifica para la corriente nominal), la elevación de temperatura permitida es de 100 K. Esta condición coincide con el modo de operación de la mayoría de los transformadores de tierra.
Para los devanados con una duración máxima de corriente de 30 minutos, la elevación de temperatura permitida es de 120 K.
Estas disposiciones se basan en garantizar que, bajo las condiciones de operación más severas, la temperatura de los puntos calientes de los devanados no exceda los 140 °C a 160 °C, lo que asegura un funcionamiento seguro de la aislación y evita una reducción drástica en la vida útil de la aislación.
