Methodi et Parametri Conductorum Transformatorum Terrae
Configuraciones de Enrollado de Transformadores de Puesta a Tierra
Los transformadores de puesta a tierra se clasifican según la conexión del enrollado en dos tipos: ZNyn (zigzag) o YNd. Sus puntos neutrales pueden conectarse a un bobinado supresor de arco o a una resistencia de puesta a tierra. Actualmente, el transformador de puesta a tierra zigzag (tipo Z) conectado vía un bobinado supresor de arco o una resistencia de bajo valor es más comúnmente utilizado.
1. Transformador de Puesta a Tierra Tipo Z
Los transformadores de puesta a tierra tipo Z vienen tanto en versiones con aislamiento sumergido en aceite como en seco. Entre ellos, el de resina fundida 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 enrollado 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 enrollado de otra fase.
Las dos secciones de enrollado tienen polaridades opuestas, formando una nueva fase en configuración zigzag. Los terminales de inicio de los enrollados superiores—U1, V1, W1—se traen fuera y se conectan a las líneas de alimentación AC trifásicas A, B y C, respectivamente. Los terminales de inicio de los enrollados inferiores—U2, V2, W2—se unen para formar el punto neutral, que luego se conecta a una resistencia de puesta a tierra o a un bobinado supresor de arco, como se muestra en la figura. Dependiendo del método de conexión específico, los transformadores de puesta a tierra tipo Z se categorizan aún más en configuraciones ZNvn1 y ZNyn11.
Los transformadores de puesta a tierra tipo Z también pueden estar equipados con un enrollado de baja tensión, típicamente conectado en estrella con un punto neutral a tierra (yn), permitiéndoles servir como transformadores de servicio de estación.
2. Transformador de Puesta a Tierra Tipo Z
Ventajas de la conexión en zigzag de los transformadores tipo Z:
Durante un cortocircuito monofásico, la corriente de falla de puesta a tierra se distribuye aproximadamente de manera uniforme entre los tres enrollados trifásicos. Las fuerzas electromotrices (FEM) de los dos enrollados en cada pierna de núcleo son opuestas en dirección, por lo que no hay un efecto de amortiguamiento, permitiendo que la corriente fluya libremente desde el punto neutral hasta la línea fallada.
No hay un componente de tercera armónica en el voltaje de fase porque, en un banco de transformadores trifásico de tres fases individuales conectadas en zigzag, las terceras armónicas tienen magnitud y dirección idénticas como vectores. Debido a la disposición de los enrollados, las fuerzas electromotrices de tercera armónica en cada fase se cancelan mutuamente, resultando en un voltaje de fase casi sinusoidal.
En un transformador de puesta a tierra tipo Z, las corrientes de secuencia cero en los dos medios-enrollados en la misma pierna de 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 piernas de núcleo del transformador de puesta a tierra, hay dos enrollados con el mismo 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 puesta a tierra, la FEM en cada pierna de núcleo es la suma vectorial de las FEM de los dos enrollados conectados a diferentes fases. Las FEM resultantes en cada pierna de núcleo están desplazadas 120°, formando un conjunto trifásico equilibrado. La FEM monofásica puede establecer un circuito magnético a través de las tres piernas de núcleo, resultando en una baja reluctancia magnética, un flujo magnético grande, un EMF inducido alto 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 enrollados en cada pierna de núcleo son iguales en magnitud pero opuestas en dirección, resultando en una FEM neta nula por pierna—por lo tanto, no existe una FEM de secuencia cero en las tres piernas de núcleo. La FEM de secuencia cero solo puede completar su camino a través del tanque y el medio circundante, que presenta una reluctancia 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 Puesta a Tierra
Para cumplir con los requisitos de redes de distribución que utilizan compensación de puesta a tierra con bobinado supresor de arco, mientras también satisfacen las necesidades de cargas de servicio de estación para potencia e iluminación en subestaciones, se seleccionan transformadores conectados en Z, y los parámetros clave del transformador de puesta a tierra deben ser razonablemente establecidos.
3.1 Capacidad Nominal
La capacidad primaria del transformador de puesta a tierra debe coincidir con la capacidad del bobinado supresor de arco. Basándose en las calificaciones de capacidad estándar del bobinado supresor de arco, se recomienda que la capacidad del transformador de puesta a tierra se establezca en 1,05–1,15 veces la capacidad del bobinado supresor de arco. Por ejemplo, un bobinado supresor de arco de 200 kVA se emparejaría con un transformador de puesta a tierra de 215 kVA.
3.2 Corriente de Compensación del Punto Neutral
La corriente total que fluye a través del punto neutral 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 bobinado supresor de arco (Ω);
Zd es la impedancia de secuencia cero primaria del transformador de puesta a tierra (Ω/fase);
Zs es la impedancia del sistema (Ω).
La duración de la corriente de compensación del punto neutral debe ser la misma que el tiempo de operación continua del bobinado supresor de arco, que se especifica como 2 horas.
3.3 Impedentia Sequenti Nihil
Impedentia sequenti nihil est parametri criticalis transformatoris ad terram et magnopere affectat dispositiones protectionis relays ad limitandam currentem defectus uniphasalis ad terram et reprimendam supra-tensiones. In transformatoribus ad terram zigzag (Z-type) sine spira secundaria, sicut et in his cum connectionibus stellae/delta apertae, una tantum impedentia est—scilicet impedentia sequenti nihil—quae permittit fabricantes satisfacere requirementibus utilitatum.
3.4 Pernicies
Pernicies sunt parametri performance importantis transformatorum ad terram. In transformatoribus ad terram dotatis spira secundaria, pernicies sine onere potest fieri aequivalens illi duospiralis transformatoris eiusdem rating. De perniciis sub onere, quando pars secundaria operatur ad plenum onus, pars prima portat onus relativum levius; itaque, eius pernicies sub onere minor est quam duospiralis transformatoris eiusdem capacitatis partis secundariae.
3.5 Incrementum Caloris
Secundum standardes nationales, incrementum caloris transformatorum ad terram regitur ut sequitur:
Incrementum caloris sub continua currente nominale debet complere provisiones in standardibus nationalibus pro transformatoribus generalibus potentiae vel secchis. Hoc praecipue applicatur ad transformatores ad terram cuius pars secundaria saepe onerata est.
Cum currente oneris brevis temporis non superet 10 secundorum (scenario quod solet occurrere quando punctum neutrum coniungitur ad resistorem), incrementum caloris debet conformari limitibus specificatis in standardibus nationalibus pro transformatoribus potentiae sub conditionibus circuitus clausi.
Cum transformator ad terram operatur simul cum spira arcus suppressionis, eius incrementum caloris debet complere requisitiones incrementi caloris pro spira arcus suppressionis:
Pro spiris continenter portantibus currentem nominalem, incrementum caloris limitatur ad 80 K. Hoc praecipue applicatur ad transformatores ad terram cum connectionibus stellae/delta apertae.
Pro spiris cum maxima duratio currentis 2 horarum (ut specificatum pro currente nominale), incrementum caloris permittendum est 100 K. Haec condicio convenit modus operandi plurimorum transformatorum ad terram.
Pro spiris cum maxima duratio currentis 30 minutorum, incrementum caloris permittendum est 120 K.
Hae provisiones basantur in securando, sub gravissimis conditionibus operationis, ne temperatura puncti calidis spirarum excedat 140 °C ad 160 °C, sic garantens operationem insulae tuta et evitans reductionem severam vitae insulae.
