¿Cuándo es mejor un transformador de puesta a tierra en zigzag que una unidad en estrella?

Un transformador de puesta a tierra en zigzag suele ser la opción más adecuada cuando un sistema trifásico necesita un neutro artificial, una corriente de falla a tierra controlada y poca o ninguna influencia sobre la tensión normal de carga. Esta combinación es particularmente valiosa en redes de media tensión sin puesta a tierra o conectadas en delta, donde una falla monofásica a tierra debe detectarse y despejarse de forma predecible en lugar de convertirse en una incertidumbre operativa prolongada.

Para un evaluador técnico, la pregunta rara vez es «¿Qué transformador es mejor en general?». La verdadera pregunta es si el sistema necesita únicamente un punto neutro, una ruta dedicada de retorno de falla a tierra, capacidad de carga fase-neutro o alguna combinación de estas funciones. Una unidad de puesta a tierra conectada en estrella y un diseño en zigzag pueden respaldar los objetivos de puesta a tierra, pero se comportan de forma diferente en condiciones de falla, desequilibrio, armónicos y carga.

La selección correcta comienza con el problema eléctrico, no con la placa de características del transformador.

Comience por el neutro: ¿qué le falta al sistema?

Muchos sistemas de distribución industrial utilizan secundarios de transformador conectados en delta, barras de celdas de distribución en delta o barras de generadores sin un neutro disponible de forma natural. En condiciones normales, esta configuración puede funcionar sin dificultad. El desafío aparece cuando una fase entra en contacto con tierra. Sin un método de puesta a tierra definido, las tensiones fase-tierra del sistema pueden desplazarse, las sobretensiones transitorias pueden aumentar y los relés de protección podrían no recibir suficiente corriente de falla para identificar el evento con certeza.

Un transformador de puesta a tierra crea una referencia entre el sistema trifásico y tierra. Normalmente no alimenta la carga principal. En su lugar, establece un punto neutro que puede conectarse directamente a tierra o mediante una resistencia de puesta a tierra del neutro (NGR), un reactor u otro equipo de puesta a tierra. La conexión del transformador elegida determina cómo reacciona a la corriente de secuencia cero: el componente de corriente asociado con fallas de línea a tierra y determinadas condiciones de desequilibrio.

Aquí es donde una unidad en zigzag se distingue. Su disposición de devanados divide cada fase en dos partes ubicadas en diferentes columnas del núcleo y conectadas de modo que las tensiones normales de fase de secuencia positiva se cancelan en gran medida en la ruta del neutro. Sin embargo, durante una falla a tierra, las corrientes de secuencia cero se suman constructivamente. Por lo tanto, el transformador ofrece una ruta de baja impedancia para la corriente de secuencia cero sin actuar como un transformador convencional para alimentar cargas.

Situaciones en las que un transformador de puesta a tierra en zigzag suele ser la mejor opción

Una conexión en zigzag es especialmente atractiva cuando la aplicación se centra fundamentalmente en la puesta a tierra y no en la transformación. Se selecciona habitualmente para sistemas delta que necesitan una referencia de neutro, pero no requieren una alimentación independiente de cargas fase-neutro.

1. Una barra delta necesita puesta a tierra, pero no una alimentación auxiliar de baja tensión

Supongamos que una instalación cuenta con una barra de distribución delta de tres hilos que alimenta centros de control de motores, grandes accionamientos, equipos de proceso y cargas alimentadas por transformadores. No se necesitan cargas de utilización línea-neutro a nivel de barra. Un transformador de puesta a tierra en zigzag puede crear el punto neutro requerido mediante una configuración compacta diseñada específicamente para esta función.

Una unidad en estrella puede seguir siendo eléctricamente viable, pero puede introducir una configuración de transformador con mayor capacidad de la requerida para la función de puesta a tierra. Si el proyecto no necesita conversión de tensión ni una alimentación secundaria utilizable, el enfoque en zigzag suele ser más directo y económico en términos de función instalada.

2. La corriente de falla a tierra debe limitarse deliberadamente

En sistemas con puesta a tierra por resistencia, el objetivo generalmente no es maximizar la corriente de falla. El objetivo es proporcionar suficiente corriente para el funcionamiento fiable de los relés, al tiempo que se limitan los daños al equipo, la energía de arco eléctrico y el esfuerzo mecánico en el punto de falla. Un transformador de puesta a tierra en zigzag combinado con una NGR correctamente dimensionada es una solución habitual para esta función.

La función de puesta a tierra del transformador debe evaluarse durante la duración de falla especificada, como 10 segundos, 30 segundos u otro intervalo definido por el proyecto. La resistencia, el diseño térmico del transformador, los ajustes de actuación de los relés y la filosofía de protección aguas arriba deben funcionar conjuntamente. Seleccionar el transformador únicamente según kVA continuos puede resultar engañoso, ya que los transformadores de puesta a tierra con frecuencia se clasifican según su capacidad de falla de corta duración y no según el servicio de carga normal.

3. La continuidad del proceso es importante después de la primera falla a tierra

Algunos procesos industriales no pueden tolerar un disparo inmediato ante cada evento de puesta a tierra. En la minería, el procesamiento petroquímico, el tratamiento de agua, la producción de papel y determinadas líneas de fabricación continua, puede utilizarse puesta a tierra de alta resistencia para generar una alarma ante la primera falla y permitir una respuesta ordenada. El transformador de puesta a tierra proporciona la referencia de neutro que da sentido a la supervisión de fallas a tierra.

En tales sistemas, un diseño en zigzag puede ser ventajoso porque está dedicado al rendimiento de secuencia cero. Admite una referencia estable para protección y supervisión sin tener que transportar un amplio conjunto de cargas normales fase-neutro que podrían complicar el modelo de falla.

4. El espacio y la simplicidad de instalación son importantes

Cuando las salas de celdas de distribución tienen espacio limitado, un transformador de puesta a tierra en zigzag diseñado adecuadamente puede ser una opción práctica porque su función es específica: crear un neutro y soportar la capacidad de falla especificada. No requiere una disposición convencional de carga secundaria cuando no se necesita. La huella real sigue dependiendo de la clase de tensión, el nivel de aislamiento, el método de refrigeración, la envolvente, el conjunto de resistencias y la clasificación de corriente de falla, pero la simplicidad funcional puede reducir equipos innecesarios.

Cuándo una unidad de puesta a tierra en estrella puede tener más sentido

El argumento a favor del zigzag es sólido, pero no es automático. Un transformador de puesta a tierra conectado en estrella o un secundario convencional en estrella puede ser la mejor decisión de ingeniería cuando el proyecto necesita más que una ruta de puesta a tierra.

Si deben alimentarse cargas auxiliares línea-neutro, como alimentación de control, iluminación, instrumentación o tomas de servicio, un secundario en estrella puede ofrecer una fuente de tensión utilizable basada en neutro. En ese caso, el transformador cumple una doble función: respalda la puesta a tierra mientras alimenta cargas intencionales. Un transformador en zigzag no suele seleccionarse para esa función.

La transformación de tensión es otro factor diferenciador claro. Un transformador de puesta a tierra en zigzag no proporciona aislamiento ni conversión de tensión convencionales de la forma en que lo hace un transformador de dos devanados estrella-delta o delta-estrella. Cuando un proyecto necesita elevar o reducir la tensión entre secciones del sistema, puede ser necesaria una configuración de transformador conectada en estrella, con el esquema de puesta a tierra diseñado en torno a ella.

También hay casos en los que la arquitectura existente del sistema ya proporciona un neutro en estrella. Por ejemplo, una fuente en estrella con puesta a tierra directa puede hacer innecesario un transformador de puesta a tierra adicional. Añadir uno sin revisar las rutas de secuencia cero disponibles puede crear problemas de coordinación de protección en lugar de resolverlos. La evaluación técnica siempre debe considerar todos los transformadores conectados, generadores, capacitancia de cables y fuentes en paralelo, no solo la barra en estudio.

Una comparación práctica: la función antes que la preferencia

La comparación no debe reducirse a «zigzag para la industria, estrella para todo lo demás». Ambos pueden diseñarse para puesta a tierra. La distinción clave es si el neutro se necesita únicamente para el comportamiento ante fallas o también como conductor de trabajo para las cargas normales del sistema.

Los estudios de fallas son el punto de decisión, no una formalidad

Antes de seleccionar cualquiera de las dos configuraciones, modele el comportamiento de falla de línea a tierra del sistema. Como mínimo, el estudio debe identificar la corriente de falla disponible en el punto de puesta a tierra previsto, la corriente de resistencia deseada si se utiliza puesta a tierra por resistencia, la sensibilidad del relé de tierra, la corriente de carga de los cables y la estrategia de despeje de falla o alarma.

La corriente de carga de los cables merece especial atención en redes extensas de media tensión. Los tendidos de cable largos, las instalaciones con variadores de frecuencia y múltiples secciones de alimentadores pueden contribuir con corriente capacitiva a tierra. Si la corriente NGR seleccionada es demasiado baja en relación con la corriente de carga total, la detección puede volverse poco fiable y el comportamiento ante sobretensiones transitorias puede deteriorarse. Por el contrario, seleccionar una corriente de puesta a tierra más alta simplemente para «estar seguro» puede aumentar la energía de falla más allá de lo previsto por la filosofía de protección del equipo.

La impedancia del transformador de puesta a tierra también es importante. El transformador debe transportar la corriente de secuencia cero especificada mientras mantiene el rendimiento esperado del neutro. Una placa de características que parece adecuada en términos de kVA puede seguir siendo inapropiada si su impedancia, capacidad térmica de corta duración, nivel de aislamiento o disposición de la boquilla del neutro no coincide con el estudio de puesta a tierra.

Armónicos, desequilibrio y los límites de las reglas simplificadas

Una suposición común es que un transformador en zigzag resuelve automáticamente todos los problemas de armónicos. No es así. Su disposición de devanados puede proporcionar una ruta para determinados componentes armónicos triplén y corrientes de secuencia cero, pero el comportamiento armónico depende de toda la red: cargas no lineales, filtros, bancos de capacitores, longitudes de cable, topología de convertidores, impedancia de la fuente y conexiones de transformadores en otras partes de la planta.

En sistemas con grandes rectificadores, equipos UPS, carga de vehículos eléctricos o activos energéticos basados en inversores, el diseño de puesta a tierra debe revisarse junto con una evaluación armónica. La cuestión no es simplemente si existen armónicos; es si producen corrientes de neutro no deseadas, sobrecalentamiento, funcionamiento intempestivo de relés, resonancia o referencias de tensión distorsionadas.

Los activos energéticos temporales y móviles requieren la misma disciplina. Un sistema de baterías montado en remolque que opera en una obra temporal o una ubicación de emergencia puede conectarse a un generador, a un servicio eléctrico local o a una barra de carga aislada. Para aplicaciones que involucran elSistema de almacenamiento de energía móvil en remolque de 100kW/215kWh, las disposiciones de puesta a tierra deben verificarse frente al modo de funcionamiento de la salida de 400 V AC, la configuración del neutro del inversor y cualquier equipo de transferencia utilizado entre las fuentes de carga de red, solar PV y generador diésel. Un transformador de puesta a tierra no es necesario automáticamente, pero una estrategia definida de puesta a tierra y protección contra fallas es esencial siempre que cambien las configuraciones de fuente.

Preguntas que deben plantearse antes de emitir la especificación

• ¿La fuente o barra está conectada en delta, sin puesta a tierra, con puesta a tierra por impedancia o ya con puesta a tierra directa?
• ¿Alguna carga requiere alimentación fase-neutro o el neutro se necesita únicamente para protección?
• ¿Qué corriente de falla a tierra se requiere para la detección por relé y durante cuánto tiempo debe soportarla el equipo de puesta a tierra?
• ¿El neutro tendrá puesta a tierra directa, por resistencia o por reactancia?
• ¿Cuáles son la corriente de carga de cables de la red y las condiciones armónicas previstas?
• ¿Los generadores, transformadores en paralelo, sistemas de energía móviles o recursos basados en inversores pueden crear rutas adicionales de secuencia cero?
• ¿Qué nivel de aislamiento de las celdas de distribución, tipo de envolvente, condición ambiental y espacio de instalación debe cumplir el equipo?

Estas preguntas suelen revelar que la selección del transformador es en realidad una decisión de coordinación de protección. El transformador de puesta a tierra, la NGR, la ubicación del transformador de corriente, el relé de tierra y el procedimiento operativo deben tratarse como un único conjunto diseñado.

Errores comunes de selección

Un error frecuente es especificar una unidad en zigzag sin indicar la duración de la falla a tierra. «Transformador de puesta a tierra del neutro» no es información suficiente para la fabricación o la evaluación. Deben definirse claramente la tensión requerida del sistema, la corriente de puesta a tierra, la duración, la conexión, las expectativas de impedancia, la clase de aislamiento, la disposición de refrigeración, la instalación interior o exterior y la interfaz de la resistencia.

Otro error es pasar por alto las fuentes de puesta a tierra en paralelo. Una planta puede añadir un generador, un segundo transformador o una fuente de energía temporal años después de la instalación original. Si cada fuente proporciona un neutro puesto a tierra, la corriente de falla a tierra puede dividirse de maneras inesperadas. La protección que funcionaba en teoría para una fuente puede volverse menos selectiva después de una ampliación.

Por último, evite tratar un transformador de puesta a tierra como un accesorio genérico. Es un componente de protección con influencia directa sobre la energía de falla, el esfuerzo del equipo, el rendimiento de los relés y la seguridad del personal. El diseño correcto merece la misma revisión aplicada a las clasificaciones de las celdas de distribución y a la coordinación de dispositivos de protección.

Tomar la decisión final

Elija untransformador de puesta a tierra en zigzag cuando el sistema sea de tres hilos o esté conectado en delta, deba establecerse un neutro estable, sea necesario gestionar la corriente de falla a tierra y no exista requisito de alimentar cargas fase-neutro habituales. Su función específica de secuencia cero lo convierte en una solución convincente para sistemas de distribución industrial y de infraestructura con puesta a tierra por resistencia.

Elija una configuración en estrella cuando el neutro también deba alimentar cargas utilizables, cuando la transformación de tensión forme parte del proyecto o cuando la configuración existente del sistema favorezca naturalmente un transformador convencional conectado en estrella. En ambos casos, la mejor respuesta surge de una revisión coordinada de los estudios de falla, los ajustes de protección, las conexiones de fuentes y los modos reales de operación.

Jinshida Electric Power Technology respalda proyectos de distribución eléctrica con selección de equipos orientada a la ingeniería, disciplina de fabricación y atención práctica a las condiciones operativas de redes eléctricas, industria, nuevas energías e infraestructura. Para los evaluadores, el resultado más fiable no consiste simplemente en elegir zigzag o estrella, sino en elegir el método de puesta a tierra que se comporte de manera predecible cuando el sistema esté sometido a tensión.