¿Cuáles son las diferencias entre un transformador de puesta a tierra y un transformador convencional?

¿Qué es un transformador de puesta a tierra?

Un transformador de puesta a tierra, abreviado como "transformador de puesta a tierra", se puede clasificar en sumergible en aceite y seco según el medio de llenado; y en transformadores de puesta a tierra trifásicos y monofásicos según el número de fases.

Diferencia entre transformadores de puesta a tierra y transformadores convencionales

El propósito de un transformador de puesta a tierra es crear un punto neutro artificial para conectar una bobina de supresión de arcos o un resistor cuando el sistema está conectado en configuración delta (Δ) o estrella (Y) sin un punto neutro accesible. Estos transformadores utilizan conexiones de bobinado en zigzag (o de tipo "Z"). La diferencia clave con los transformadores convencionales es que cada bobinado de fase se divide en dos grupos enrollados en direcciones opuestas en la misma rama del núcleo magnético. Este diseño permite que el flujo magnético de secuencia cero fluya a través de las ramas del núcleo, mientras que en los transformadores convencionales, el flujo de secuencia cero viaja a lo largo de caminos de fuga. 

Por lo tanto, la impedancia de secuencia cero de un transformador de puesta a tierra de tipo Z es muy baja (alrededor de 10 Ω), mientras que la de un transformador convencional es mucho mayor. Según las regulaciones técnicas, al utilizar un transformador convencional para conectar una bobina de supresión de arcos, la capacidad de la bobina no debe superar el 20% de la capacidad nominal del transformador. En contraste, un transformador de tipo Z puede cargar una bobina de supresión de arcos al 90%-100% de su propia capacidad. Además, los transformadores de puesta a tierra pueden suministrar cargas secundarias y servir como transformadores de servicio de estación, ahorrando así costos de inversión.

Principio de funcionamiento de los transformadores de puesta a tierra

Un transformador de puesta a tierra crea artificialmente un punto neutro con un resistor de puesta a tierra, que generalmente tiene una resistencia muy baja (generalmente se requiere que sea menor a 5 ohmios). Además, debido a sus características electromagnéticas, el transformador de puesta a tierra presenta alta impedancia a las corrientes de secuencia positiva y negativa, permitiendo que solo fluya una pequeña corriente de excitación en los bobinados. En cada rama del núcleo, las dos secciones del bobinado están enrolladas en direcciones opuestas. Cuando fluyen corrientes de secuencia cero iguales a través de estos bobinados en la misma rama, presentan baja impedancia, resultando en un mínimo caída de tensión. 

Durante una falla a tierra, los bobinados llevan corrientes de secuencia positiva, negativa y cero. El bobinado presenta alta impedancia a las corrientes de secuencia positiva y negativa, pero baja impedancia a la corriente de secuencia cero porque, dentro de la misma fase, los dos bobinados están conectados en serie con polaridad opuesta—sus fuerzas electromotrices inducidas son iguales en magnitud pero opuestas en dirección, anulándose mutuamente.

Muchos transformadores de puesta a tierra se utilizan únicamente para proporcionar un punto neutro de baja resistencia y no suministran ninguna carga secundaria; por lo tanto, muchos están diseñados sin un bobinado secundario. Durante la operación normal de la red, el transformador de puesta a tierra opera esencialmente en estado de carga nula. Sin embargo, durante una falla, lleva corriente de falla solo por un corto período. En un sistema con puesta a tierra de baja resistencia, cuando ocurre una falla a tierra monofásica, la protección de secuencia cero altamente sensible identifica y aísla temporalmente rápidamente el alimentador defectuoso. 

El transformador de puesta a tierra está activo solo durante el breve intervalo entre la ocurrencia de la falla y la operación de la protección de secuencia cero del alimentador. Durante este tiempo, la corriente de secuencia cero fluye a través del resistor de puesta a tierra del neutro y el transformador de puesta a tierra, siguiendo la fórmula: IR = U / R₁, donde U es la tensión de fase del sistema y R₁ es la resistencia de puesta a tierra del neutro.

Consecuencias cuando el arco de puesta a tierra no se puede extinguir de manera confiable

• La extinción intermitente y la reencendida del arco de puesta a tierra monofásico generan sobretensiones de arco a tierra con amplitudes que alcanzan hasta 4U (donde U es la tensión de pico de fase) o incluso mayores, durando por períodos extendidos. Esto representa amenazas severas para el aislamiento de los equipos eléctricos, potencialmente causando rupturas en puntos de aislamiento débil y llevando a pérdidas significativas.

• El arco sostenido ioniza el aire circundante, degradando sus propiedades aislantes e incrementando la probabilidad de cortocircuitos entre fases.

• Pueden ocurrir sobretensiones ferroresonantes, dañando fácilmente transformadores de tensión y pararrayos—potencialmente incluso causando explosiones de pararrayos. Estas consecuencias ponen en grave peligro la integridad del aislamiento de los equipos de la red y amenazan la operación segura de todo el sistema de energía.

¿Qué son las corrientes de secuencia positiva, negativa y cero?

• Corriente de secuencia negativa: La Fase A se retrasa 120° respecto a la Fase B, la Fase B se retrasa 120° respecto a la Fase C, y la Fase C se retrasa 120° respecto a la Fase A.

• Corriente de secuencia positiva: La Fase A adelanta 120° a la Fase B, la Fase B adelanta 120° a la Fase C, y la Fase C adelanta 120° a la Fase A.

• Corriente de secuencia cero: Las tres fases (A, B, C) están en fase—ninguna fase adelanta o se retrasa respecto a otra.

Durante las fallas de cortocircuito trifásico y la operación normal, el sistema contiene solo componentes de secuencia positiva.
Durante las fallas a tierra monofásicas, el sistema contiene componentes de secuencia positiva, negativa y cero.
Durante las fallas de cortocircuito bifásico, el sistema contiene componentes de secuencia positiva y negativa.
Durante las fallas de cortocircuito bifásico a tierra, el sistema contiene componentes de secuencia positiva, negativa y cero.

Características de operación de los transformadores de puesta a tierra

El transformador de tierra opera en condiciones sin carga durante la operación normal de la red y experimenta sobrecarga a corto plazo durante los fallos. En resumen, la función de un transformador de tierra es crear artificialmente un punto neutro para conectar una resistencia de tierra. Durante un fallo a tierra, presenta alta impedancia para las corrientes de secuencia positiva y negativa, pero baja impedancia para la corriente de secuencia cero, asegurando el funcionamiento confiable de la protección contra fallos a tierra.

Tierra Neutra a Través de Sistemas de Bobinas de Supresión de Arco

Cuando ocurre un fallo a tierra monofásico transitorio en la red debido a aislamiento deficiente del equipo, daño externo, error del operador, sobretensión interna o cualquier otra causa, la corriente de fallo a tierra fluye a través de la bobina de supresión de arco como corriente inductiva, que es opuesta en dirección a la corriente capacitiva. Esto puede reducir la corriente en el punto de fallo a un valor muy pequeño o incluso a cero, extinguiendo el arco y eliminando los peligros asociados. El fallo se elimina automáticamente sin activar la protección por relé o el disparo del interruptor, mejorando significativamente la confiabilidad del suministro de energía.

Tres Modos de Operación de Compensación

Existen tres modos de operación de compensación diferentes: sub-compensación, compensación completa y sobre-compensación.

• Sub-compensación: La corriente inductiva después de la compensación es menor que la corriente capacitiva.

• Sobre-compensación: La corriente inductiva después de la compensación es mayor que la corriente capacitiva.

• Compensación completa: La corriente inductiva después de la compensación es igual a la corriente capacitiva.

Modo de Compensación Utilizado en la Tierra Neutra a Través de Sistemas de Bobinas de Supresión de Arco

En sistemas con tierra neutra a través de una bobina de supresión de arco, debe evitarse la compensación completa. Independientemente de la magnitud de la tensión de desequilibrio del sistema, la compensación completa puede causar resonancia en serie, sometiendo la bobina de supresión de arco a tensiones peligrosamente altas. Por lo tanto, en la práctica se adopta la sobre-compensación o la sub-compensación, siendo la sobre-compensación el modo más comúnmente utilizado.

Principales Razones para Adoptar la Sobre-Compensación

En sistemas sub-compensados, pueden ocurrir fácilmente sobretensiones elevadas durante los fallos. Por ejemplo, si parte de las líneas se desconecta debido a un fallo u otras razones, un sistema sub-compensado puede desplazarse hacia la compensación completa, causando resonancia en serie y resultando en una tensión de desplazamiento neutral muy alta y sobretensión. Un gran desplazamiento neutral en sistemas sub-compensados también amenaza la integridad del aislamiento, un inconveniente que no se puede evitar mientras se utilice la sub-compensación.

Durante la operación normal de un sistema sub-compensado con un desequilibrio trifásico significativo, pueden ocurrir sobretensiones ferroresonantes muy altas. Este fenómeno surge de la resonancia ferromagnética entre la bobina de supresión de arco sub-compensada (donde ωL > 1/(3ωC₀)) y la capacitancia de línea (3C₀). Esta resonancia no ocurre con la sobre-compensación.

Los sistemas de potencia se expanden continuamente, y la capacitancia de la red a tierra aumenta en consecuencia. Con la sobre-compensación, la bobina de supresión de arco originalmente instalada puede permanecer en servicio por algún tiempo, incluso si finalmente se desplaza hacia la sub-compensación. Sin embargo, si el sistema comienza con sub-compensación, cualquier expansión requiere inmediatamente capacidad adicional de compensación.

Con la sobre-compensación, la corriente que fluye a través del punto de fallo es inductiva. Después de la extinción del arco, la tasa de recuperación de la tensión de la fase fallida es más lenta, lo que hace menos probable la re-ignición del arco.

Bajo sobre-compensación, una disminución en la frecuencia del sistema solo aumenta temporalmente el grado de sobre-compensación, lo cual no representa un problema durante la operación normal. Por el contrario, la sub-compensación combinada con una frecuencia reducida puede acercar el sistema a la compensación completa, lo que lleva a un aumento en la tensión de desplazamiento neutral.

Resumen

El transformador de tierra también funciona como un transformador de servicio estación, reduciendo la tensión de 35 kV a 380 V de baja tensión para suministrar energía para la carga de baterías, alimentación de ventiladores SVG, iluminación de mantenimiento y cargas auxiliares generales de la estación.

En las redes de energía modernas, los cables están reemplazando ampliamente a las líneas aéreas. Dado que la corriente de fallo a tierra monofásica capacitiva de las líneas de cable es mucho mayor que la de las líneas aéreas, la tierra neutra a través de bobinas de supresión de arco a menudo no logra extinguir el arco de fallo y suprimir las sobretensiones resonantes peligrosas. Por lo tanto, nuestra subestación adopta un esquema de tierra neutra de baja resistencia. Este enfoque es similar a los sistemas de neutro sólidamente conectado y requiere la instalación de protección contra fallos a tierra monofásicos que opera para disparar los interruptores. Al ocurrir un fallo a tierra monofásico, el alimentador defectuoso se aísla rápidamente.