Métodos de cableado e parámetros dos transformadores de aterramento

Configuracións de Enrrollado dos Transformadores de Aterramento

Os transformadores de aterramento clasifícanse segundo a conexión do enrrollado en dous tipos: ZNyn (zigzag) ou YNd. Os seus puntos neutros poden conectarse a unha bobina supresora de arcos ou a un resistor de aterramento. Actualmente, o transformador de aterramento tipo zigzag (Z) conectado mediante unha bobina supresora de arcos ou un resistor de baixo valor é o máis comúnmente utilizado.

1. Transformador de Aterramento Tipo Z
Os transformadores de aterramento tipo Z están dispoñibles tanto en versión imersa en óleo como en versión seca. Entre eles, o resina fundida é un tipo de aislamento seco. Estructuralmente, é semellante a un transformador de potencia de núcleo trifásico estándar, coa excepción de que, en cada perna de fase, o enrrollado está dividido en dúas seccións de igual número de espiras—superior e inferior. O final dunha sección conectase en serie con polaridade inversa co final do enrrollado dunha outra fase. 

As dúas seccións de enrrollado teñen polaridades opostas, formando unha nova fase en configuración zigzag. Os terminais de inicio dos enrrollados superiores—U1, V1, W1—sácase e conectanse ás liñas de alimentación AC trifásicas A, B e C, respectivamente. Os terminais de inicio dos enrrollados inferiores—U2, V2, W2—unídense para formar o punto neutro, que despois conectase a un resistor de aterramento ou a unha bobina supresora de arcos, como se mostra na figura. Dependendo do método de conexión específico, os transformadores de aterramento tipo Z subdividense en configuracións ZNvn1 e ZNyn11.

Os transformadores de aterramento tipo Z tamén poden estar equipados cun enrrollado de baixa tensión, xeralmente conectado en estrela con punto neutro aterrado (yn), permitindo que sirvan como transformadores de servizo de subestación.

2. Transformador de Aterramento Tipo Z
Vantaxes da conexión zigzag dos transformadores tipo Z:

1. Durante un curto circuito monofásico, a corrente de fallo de aterramento distribúese aproximadamente de maneira uniforme entre os tres enrrollados trifásicos. As forzas electromagnéticas (FEM) dos dous enrrollados en cada perna de núcleo son opostas en dirección, polo que non hai efecto de amortización, permitindo que a corrente fluexa libremente desde o punto neutro ata a liña faltosa.

2. Non hai un compoñente de terceira harmónica na tensión de fase porque, nun banco de transformadores trifásico monofásico conectado en zigzag, as terceiras harmónicas teñen magnitudes e direccións idénticas como vectores. Debido á disposición do enrrollado, as forzas electromotrices de terceira harmónica en cada fase anúlanse mutuamente, resultando nunha tensión de fase case sinusoidal.

No transformador de aterramento tipo Z, as correntes de secuencia cero nos dous semienrrollados no mesmo núcleo fluen en direccións opostas; polo tanto, a reactivancia de secuencia cero é moi baixa e non estrangula a corrente de secuencia cero. O principio detrás da súa baixa impedancia de secuencia cero é o seguinte: en cada unha das tres pernas de núcleo do transformador de aterramento, hai dous enrrollados con igual número de espiras, cada un conectado a diferentes voltaxes de fase. 

Cando se aplican voltaxes trifásicos de secuencia positiva ou negativa equilibrados aos terminais de liña do transformador de aterramento, a FEM en cada perna de núcleo é a suma vectorial das FEM dos dous enrrollados conectados a diferentes fases. As FEM resultantes en cada perna de núcleo están desprazadas 120°, formando un conxunto trifásico equilibrado. A FEM monofásica pode establecer un circuito magnético a través das tres pernas de núcleo, resultando en baixa reluctancia magnética, gran fluxo magnético, alta forza electromotriz inducida e, polo tanto, impedancia de magnetización moi alta.

 Porén, cando se aplica un voltaxe de secuencia cero aos terminais de liña trifásicos, as FEM producidas polos dous enrrollados en cada perna de núcleo teñen igual magnitude pero direccións opostas, resultando nunha FEM neta por perna de cero—polo tanto, non existe FEM de secuencia cero nas tres pernas de núcleo. A FEM de secuencia cero só pode completar o seu camiño a través do tanque e o medio circundante, que presenta unha reluctancia magnética moi alta; consecuentemente, a FEM de secuencia cero é moi pequena, levando a unha impedancia de secuencia cero moi baixa.

3. Parámetros do Transformador de Aterramento
Para cumprir cos requisitos das redes de distribución que usan compensación de aterramento con bobina supresora de arcos, así como satisfacer as necesidades das cargas de servizo de subestación para enerxía e iluminación, seleccionanse transformadores conectados en Z, e os parámetros clave do transformador de aterramento deben establecerse de maneira razonable.

3.1 Capacidade Nominal
A capacidade do lado primario do transformador de aterramento debe coincidir coa capacidade da bobina supresora de arcos. Basándose en calificacións estándar de capacidade de bobinas supresoras de arcos, recoméndase que a capacidade do transformador de aterramento sexa de 1,05–1,15 veces a capacidade da bobina supresora de arcos. Por exemplo, unha bobina supresora de arcos de 200 kVA iría emparellada cun transformador de aterramento de 215 kVA.

3.2 Corrente de Compensación do Punto Neutro
A corrente total que flue a través do punto neutro do transformador durante un fallo monofásico

Na fórmula anterior:

U é a tensión de liña da rede de distribución (V);
Zx é a impedancia da bobina supresora de arcos (Ω);
Zd é a impedancia de secuencia cero primaria do transformador de aterramento (Ω/fase);
Zs é a impedancia do sistema (Ω).

A duración da corrente de compensación do punto neutro debe ser a mesma que o tempo de funcionamento continuo da bobina supresora de arcos, que está especificado como 2 horas.

3.3 Impedancia de secuencia cero
A impedancia de secuencia cero é un parámetro crítico do transformador de aterramento e afecta significativamente as configuracións de protección por relevos para limitar as correntes de fallo de terra monofásicas e suprimir sobretensións. Para os transformadores de aterramento zig-zag (tipo Z) sen enrolamento secundario, así como aqueles con conexións estrella/triángulo aberto, só hai unha impedancia, nomeadamente a impedancia de secuencia cero, que permite aos fabricantes cumprir os requisitos das empresas eléctricas.

3.4 Pérdidas
As perdas son un parámetro de rendemento importante dos transformadores de aterramento. Para os transformadores de aterramento equipados con un enrolamento secundario, a perda en vacío pode ser equivalente á dun transformador de dúas bobinas da mesma potencia. En relación coas perdas de carga, cando o lado secundario funciona a plena carga, o lado primario soporta unha carga relativamente leve; polo tanto, a súa perda de carga é menor que a dun transformador de dúas bobinas coa mesma capacidade no lado secundario.

3.5 Aumento de temperatura
Segundo as normas nacionais, o aumento de temperatura dos transformadores de aterramento está regulado do seguinte xeito:

1. O aumento de temperatura ba corrente continua nominal debe cumprir as disposicións da norma nacional para transformadores de enerxía xeral ou transformadores de tipo seco. Isto aplica principalmente a transformadores de aterramento cuxo lado secundario está frecuentemente cargado.

2. Cando a corrente de carga de curta duración dura menos de 10 segundos (un escenario que xeralmente ocorre cando o punto neutro está conectado a un resistor), o aumento de temperatura debe conformarse cos límites especificados na norma nacional para transformadores de enerxía en condicións de curto circuito.

3. Cando o transformador de aterramento opera xunto cunha bóbrexa extintora, o seu aumento de temperatura debe cumprir os requisitos de aumento de temperatura para a bóbrexa extintora:

• Para as bobinas que portan continuamente a corrente nominal, o aumento de temperatura está limitado a 80 K. Isto aplica principalmente a transformadores de aterramento conectados en estrella/triángulo aberto.

• Para as bobinas cunha duración máxima da corrente de 2 horas (como se especifica para a corrente nominal), o aumento de temperatura permitido é de 100 K. Esta condición coincide co modo de operación de moitos transformadores de aterramento.

• Para as bobinas cunha duración máxima da corrente de 30 minutos, o aumento de temperatura permitido é de 120 K.

Estas disposicións están baseadas en garantir que, baíñas as condicións de funcionamento máis severas, a temperatura do punto quente das bobinas non exceda os 140 °C a 160 °C, asegurando así un funcionamento seguro da aislación e evitando unha redución grave na vida útil da aislación.