Grupos vectoriales de transformadores ONAN trifásicos: adaptación a los requisitos del sistema

El grupo vectorial adecuado para un transformador trifásico ONAN es el que se ajusta a la configuración de puesta a tierra de la red, al desplazamiento de fase requerido y a las conexiones de servicio. Dyn11 puede proporcionar un neutro de baja tensión y una trayectoria en delta para las corrientes de equilibrado de secuencia cero, mientras que Yyn0 ofrece desplazamiento nulo, pero requiere analizar con mayor detenimiento la puesta a tierra del neutro y la impedancia de secuencia cero. Ninguna designación es universalmente mejor.

ONAN significa aceite natural, aire natural: describe cómo el calor circula a través del aceite del transformador y pasa al aire circundante. No determina la conexión de los devanados, la disponibilidad de neutro ni la relación de fase. Estas características eléctricas deben especificarse por separado, especialmente cuando los transformadores alimentan cargas de cuatro hilos, se conectan a generación renovable u operan en paralelo.

Interpretar el grupo vectorial como una relación eléctrica

Según la notación IEC, las letras mayúsculas identifican la conexión del devanado de alta tensión y las minúsculas, la del devanado de baja tensión. D o d significa delta, Y o y significa estrella, y Z o z significa zigzag. N o n indica que el punto neutro correspondiente se lleva a un terminal. El orden de los devanados se basa en su tensión nominal, no en el sentido del flujo de potencia.

El número horario expresa la posición del fasor de baja tensión con respecto a la referencia de alta tensión; cada hora representa 30 grados eléctricos. En Dyn11, el devanado de alta tensión está conectado en delta, el de baja tensión está conectado en estrella con un neutro accesible y el fasor de baja tensión se sitúa en la posición de las 11 en punto. Según esta convención, adelanta 30 grados a la referencia de alta tensión. Dyn1 representa un retraso de 30 grados; Yyn0 tiene desplazamiento nulo.

Estas relaciones deben interpretarse utilizando las marcas de terminal especificadas y la secuencia de fases. Una indicación abreviada como «desplazamiento de 30 grados» no basta para realizar trabajos de interconexión, ya que omite el sentido. Los planos, los ajustes de los relés y los registros de puesta en servicio deben utilizar la misma convención de referencia.

La designación identifica la conexión, pero no describe por completo el rendimiento. Dos transformadores con el mismo grupo vectorial pueden tener distintas impedancias de secuencia cero, capacidades nominales del neutro, impedancias de cortocircuito y capacidades térmicas.

La disponibilidad de neutro no equivale a un diseño eficaz de puesta a tierra

Un devanado conectado en estrella con un neutro accesible permite disponer de un suministro trifásico de cuatro hilos. Sin embargo, por sí solo no determina si dicho neutro debe conectarse directamente a tierra, ponerse a tierra mediante resistencia o conectarse mediante otra configuración de puesta a tierra. La elección determina la corriente de falla a tierra, las sobretensiones temporales, las consideraciones relativas a la tensión de contacto y la sensibilidad necesaria de las protecciones.

En un transformador Dyn que alimenta cargas de baja tensión puestas a tierra, la corriente de secuencia cero puede circular por el devanado conectado en estrella y generar una corriente circulante de equilibrado dentro del delta. La corriente de línea de secuencia cero correspondiente no pasa al circuito de alta tensión de tres hilos. Esta distinción es importante: el delta proporciona una trayectoria interna, pero no es un conductor de neutro externo y no elimina la necesidad de diseñar el sistema de puesta a tierra de baja tensión.

La red aguas arriba sigue suministrando energía durante una falla a tierra aguas abajo. Bloquear la transferencia de corriente de línea de secuencia cero no equivale a aislar la red aguas arriba de todos los componentes de la falla. Las corrientes de secuencia positiva y negativa, la magnitud de la falla y la impedancia del transformador siguen siendo relevantes para la coordinación.

En Yyn0, la letra n minúscula solo confirma que el neutro de baja tensión es accesible. No indica que el neutro de alta tensión también lo sea. Si el punto estrella de alta tensión está aislado, la fuente no puede proporcionar la misma trayectoria de corriente de secuencia cero que una conexión en estrella puesta a tierra. Al no haber un devanado estabilizador en delta, la excitación de secuencia cero y la distorsión de tensión dependen en gran medida de la construcción magnética y de las condiciones de operación.

Un núcleo de tres columnas, uno de cinco columnas y un banco de unidades monofásicas no ofrecen trayectorias de flujo de secuencia cero idénticas. En un diseño de tres columnas, el flujo de secuencia cero puede retornar a través del aceite, de las partes estructurales y del tanque, lo que afecta a la impedancia y al calentamiento por corrientes parásitas. Por tanto, no se debe descartar Yyn0 de forma categórica, pero tampoco seleccionarlo únicamente porque el desplazamiento de fase nulo parezca conveniente.

Cuando los cálculos de falla a tierra dependen del comportamiento del transformador, solicite los datos de impedancia de secuencia cero para la configuración de terminales y puesta a tierra prevista. La impedancia porcentual de secuencia positiva por sí sola no es un sustituto adecuado.

Las cargas desequilibradas y los armónicos ponen de manifiesto las limitaciones de la conexión

Una red industrial o comercial de cuatro hilos puede presentar una carga monofásica desigual, aunque la demanda total no supere la potencia nominal en kVA del transformador. La corriente del neutro resultante y el desequilibrio de tensión entre fases requieren una evaluación por separado. La disponibilidad de un neutro no demuestra que el devanado, el conductor del neutro, el aislador pasante y la terminación puedan soportar la corriente continua requerida.

Las conexiones en zigzag pueden proporcionar una trayectoria útil para las corrientes de secuencia cero y contribuir al mantenimiento de la tensión fase-neutro con cargas desequilibradas. Aun así, su idoneidad depende del diseño del devanado y del régimen nominal de servicio. Por ejemplo, un transformador de puesta a tierra en zigzag puede estar diseñado principalmente para corrientes de falla a tierra de corta duración, y no para alimentar cargas de forma continua; no debe confundirse su función con la de un transformador de distribución de plena potencia nominal.

Los devanados en delta también proporcionan una trayectoria circulante para las componentes triplén, incluidas las componentes de tercer armónico asociadas al comportamiento de magnetización. Esto ayuda a controlar ciertos efectos de distorsión de tensión, pero no convierte un transformador Dyn en un filtro de armónicos de uso general.

En un sistema equilibrado de cuatro hilos, las corrientes armónicas triplén procedentes de cargas monofásicas no lineales están en fase y se suman en el neutro, en lugar de cancelarse. El devanado en delta no elimina esa corriente del neutro de baja tensión. Tampoco elimina el calentamiento causado por otros órdenes armónicos, como el quinto y el séptimo.

Cuando las cargas no lineales son significativas, la especificación debe incluir el espectro armónico previsto, el régimen de corriente del neutro y una evaluación térmica. La refrigeración ONAN describe el mecanismo de refrigeración, no autoriza a soportar cualquier carga armónica con la potencia nominal en kVA. Cualquier margen de carga o reducción de potencia debe tener en cuenta las pérdidas en los devanados, las pérdidas parásitas, las condiciones ambientales y los límites de diseño del fabricante.

El funcionamiento en paralelo requiere más que coincidir en «Dyn»

Antes de cerrar la conexión a la barra común, dos transformadores que la alimentan deben presentar fasores de tensión secundaria compatibles. Dyn11 y Dyn1 difieren en 60 grados eléctricos cuando se conectan con las etiquetas de fase correspondientes. Si se conectan a la misma barra en esas condiciones, se genera una discrepancia grave, no un error de reparto de carga manejable.

Algunas diferencias entre grupos vectoriales pueden compensarse mediante cambios diseñados en las conexiones de fase externas. Esa posibilidad no autoriza a intercambiar terminales de forma improvisada. La configuración final debe mantener la secuencia de fases prevista en la barra, el comportamiento de puesta a tierra, las referencias de protección y los requisitos de aislamiento, y debe confirmarse mediante pruebas de faseado.

Incluso si los grupos vectoriales coinciden, esto no garantiza un funcionamiento en paralelo satisfactorio. La evaluación también debe considerar:

• Relación de tensión y posición de toma: las diferencias entre las tensiones secundarias en vacío provocan corrientes circulantes antes de suministrar carga útil.
• Impedancia de cortocircuito: las diferencias en las impedancias por unidad provocan un reparto desigual de la carga con respecto a la potencia nominal de cada transformador.
• Ángulo de impedancia: las diferencias en la relación entre resistencia y reactancia afectan al reparto de las cargas activa y reactiva.
• Secuencia de fases e identificación de terminales: las placas de características coincidentes no corrigen cables conectados incorrectamente.
• Conexiones del neutro y de puesta a tierra: las trayectorias de neutro en paralelo pueden alterar el reparto de la corriente de secuencia cero y el comportamiento de la protección contra fallas a tierra.

Con relaciones aproximadamente iguales y ángulos de impedancia similares, la carga se reparte de forma inversamente proporcional a la impedancia en ohmios referida al lado común. Por tanto, la potencia nominal es importante al comparar impedancias porcentuales: los mismos valores porcentuales en transformadores de distinta potencia nominal no implican la misma impedancia en ohmios. La combinación propuesta debe comprobarse con demanda máxima, demanda mínima y las posiciones de toma pertinentes.

La protección debe corresponder a la conexión realmente instalada

La protección diferencial del transformador compara las corrientes de devanados con distintas relaciones de tensión y corriente. En un transformador delta-estrella, el relé debe compensar el desplazamiento de fase, la relación de transformación y los efectos de secuencia cero que correspondan. Los relés numéricos pueden realizar esta compensación internamente, pero sus ajustes deben corresponder a las conexiones de devanado instaladas y a la disposición de los transformadores de corriente.

Una compensación incorrecta puede generar corriente diferencial durante el funcionamiento normal con carga o ante fallas externas. El error puede pasar inadvertido con carga baja y adquirir importancia durante una falla pasante. Por ello, la verificación de la placa de características, las comprobaciones de polaridad de los transformadores de corriente y las pruebas de los relés deben tratarse como tareas relacionadas, y no como trámites independientes.

La protección de falla a tierra restringida requiere una configuración de neutro adecuada y transformadores de corriente correctamente ubicados alrededor de la zona protegida. Su implementación no puede deducirse únicamente del grupo vectorial. La impedancia de puesta a tierra del neutro, el trazado de los conductores y cualquier trayectoria de retorno a tierra en paralelo afectan a la medición.

Las conexiones de generación renovable añaden otra condición: la compañía eléctrica puede exigir una interfaz de puesta a tierra o una relación de fase determinadas. Los controles del convertidor no sustituyen el análisis de secuencia cero del transformador. El estudio de fallas a tierra del sistema colector debe incluir las conexiones de los devanados, los dispositivos de puesta a tierra, los cables y la configuración operativa, incluidas las interrupciones que desconecten una fuente de puesta a tierra.

La integración de una fuente de reserva plantea una cuestión relacionada. La conexión de un grupo electrógeno diésel silencioso con cabina trifásico de cuatro hilos mediante un sistema de transferencia automática hace que la conmutación del neutro y la unión entre neutro y tierra formen parte de la misma evaluación del sistema. Su salida de cuatro hilos no determina el grupo vectorial del transformador. Que el conmutador de transferencia conmute o no el neutro, y qué fuente establezca la referencia activa de puesta a tierra, puede modificar las trayectorias de falla a tierra. El funcionamiento en transición cerrada también requiere comprobaciones de sincronización; una tensión nominal coincidente no es suficiente.

Especifique normas y evidencias, no solo un código de placa

IEC 60076-1 proporciona el marco general para las potencias nominales de los transformadores de potencia, los símbolos de conexión y los ensayos pertinentes. IEC 60076-8 ofrece directrices de aplicación, incluido el comportamiento de las conexiones y el funcionamiento en paralelo. Para unidades sumergidas en aceite mineral, IEC 60076-7 aborda las consideraciones de carga. El contrato debe especificar las ediciones aplicables y los requisitos de la compañía eléctrica, en lugar de suponer que una declaración general de conformidad con IEC resuelve todos los detalles de la aplicación.

La hoja de datos del transformador debe indicar el grupo vectorial junto con las tensiones nominales, el rango de tomas, la frecuencia, la impedancia de cortocircuito y su tolerancia, los requisitos de los terminales de neutro, la configuración de puesta a tierra y las características de la carga. Cuando corresponda, también debe solicitar la impedancia de secuencia cero, la capacidad de corriente del neutro y los detalles de cualquier devanado estabilizador.

La verificación de los símbolos de conexión y del desplazamiento de fase debe formar parte de la documentación de aceptación en fábrica. Las mediciones de secuencia cero pueden requerir un acuerdo explícito sobre la configuración de ensayo y la presentación de resultados. La puesta en servicio en planta debe confirmar después la secuencia de fases y el faseado reales, ya que los resultados de fábrica no permiten verificar los cables externos ni las conexiones de los equipos de maniobra.

Por tanto, una selección técnicamente completa es más específica que «ONAN, Dyn11». Determina qué neutro está disponible, cómo se conecta a tierra, cómo retorna la corriente de falla a tierra, qué relación de fase existe en cada barra y si el transformador puede compartir carga con los equipos existentes. Cuando estas condiciones están definidas y respaldadas por cálculos y registros de ensayo, el grupo vectorial se convierte en una interfaz del sistema verificada, en lugar de ser una elección aislada de placa de características.