Por qué un transformador de puesta a tierra en zigzag crea un punto neutro

Por qué un transformador de puesta a tierra Zig Zag crea un punto neutro

Un transformador de puesta a tierra zig zag crea un punto neutro combinando devanados de fase en una configuración equilibrada que proporciona una trayectoria estable para las corrientes de secuencia cero y de falla a tierra.

Para los ingenieros que estudian sistemas no conectados a tierra o conectados en delta, comprender este principio es esencial para mejorar la protección contra fallas, la fiabilidad del sistema y la seguridad operativa.

La idea central es sencilla: un transformador zig zag no necesita un conductor neutro convencional en el devanado de la fuente para establecer un neutro de sistema utilizable.

En cambio, sus devanados interconectados de forma especial hacen que las tensiones trifásicas normales se cancelen, a la vez que permiten el flujo de corriente de secuencia cero durante una falla a tierra.

Esta diferencia explica por qué los transformadores de puesta a tierra zig zag se utilizan ampliamente cuando un sistema delta, un transformador convertidor, una barra de generador o una red aislada carece de un neutro accesible.

No se instalan principalmente para transferir potencia de carga. Su función principal es la puesta a tierra, el control de la corriente de falla y la provisión de un punto de referencia para los dispositivos de protección.

¿Qué problema resuelve un punto neutro?

Muchos sistemas de media tensión funcionan con devanados conectados en delta o no disponen de un punto neutro físico en la barra que se protege.

Sin una referencia de neutro, una falla monofásica a tierra puede producir una corriente de falla baja, impredecible o principalmente capacitiva, según la capacitancia del sistema.

Esta condición puede hacer que la protección convencional de sobrecorriente sea menos fiable. También puede permitir sobretensiones temporales en las dos fases no afectadas después de una falla a tierra.

En un sistema no conectado a tierra, la primera falla puede no interrumpir el servicio de inmediato. Sin embargo, pueden aumentar el esfuerzo de aislamiento y el riesgo de una segunda falla.

Un transformador de puesta a tierra crea una conexión definida entre el sistema eléctrico y tierra, lo que permite a los ingenieros seleccionar un método de puesta a tierra deliberado.

El método de puesta a tierra puede ser puesta a tierra sólida, mediante resistencia o mediante reactancia, según los objetivos de protección y los límites de corriente de falla permitidos.

En muchas instalaciones industriales, se selecciona la puesta a tierra mediante resistencia porque produce suficiente corriente para una detección fiable sin causar daños excesivos al equipo.

Por lo tanto, el transformador proporciona una referencia a los relés de protección y una trayectoria de retorno diseñada para la corriente de falla, en lugar de dejar incontrolado el comportamiento del sistema.

Cómo funciona la disposición de devanados Zig Zag

Un transformador de puesta a tierra zig zag tiene tres columnas de fase, pero el devanado de cada fase se divide en dos secciones iguales colocadas en diferentes columnas del núcleo.

Cada sección se conecta a una sección asociada con otra fase. La interconexión resultante crea el patrón característico de devanado zig zag.

En condiciones de operación trifásica equilibrada, las contribuciones de tensión de las secciones del devanado se oponen entre sí y se cancelan en gran medida en la conexión del neutro.

Dado que las tensiones de fase están equilibradas, el transformador tiene una demanda de magnetización muy baja y normalmente conduce solo una pequeña corriente durante el servicio.

Durante una falla a tierra, la situación cambia. Las tres corrientes de fase asociadas con la falla son corrientes de secuencia cero y comparten la misma relación de fase.

Para la corriente de secuencia cero, las tensiones de las secciones del devanado ya no se cancelan de la misma manera. En cambio, el transformador presenta una trayectoria de retorno de baja impedancia.

Esto permite que la corriente fluya desde la fase en falla, a través del sistema de puesta a tierra, hacia el neutro del transformador zig zag y de regreso a través de sus devanados.

La disposición establece un punto neutro aunque el sistema aguas arriba pueda estar conectado en delta y no tenga un conductor neutro disponible para puesta a tierra directa.

Por qué la corriente de carga normal no circula a través de él

Un malentendido común es que un transformador de puesta a tierra zig zag funciona como un transformador de distribución ordinario que alimenta un circuito de carga con neutro.

Su comportamiento normal de operación es diferente. Las corrientes de carga equilibradas de secuencia positiva no crean una trayectoria de corriente significativa a través del neutro del transformador de puesta a tierra.

Las conexiones de los devanados están diseñadas para que los componentes de flujo de fase equilibrados se compensen entre sí, minimizando la excitación del núcleo por parte del sistema eléctrico normal.

Por ello, una unidad zig zag correctamente seleccionada puede permanecer ligeramente cargada durante la operación normal y, al mismo tiempo, responder intensamente durante las fallas a tierra.

Por tanto, su clasificación suele especificarse en términos de servicio de falla a tierra de corta duración, impedancia, tensión y capacidad térmica, en lugar de basarse únicamente en la capacidad de carga continua.

Por ejemplo, un transformador de puesta a tierra puede diseñarse para soportar una corriente de falla especificada durante diez segundos, treinta segundos u otra duración de despeje de protección.

Los ingenieros deben coordinar este servicio con el tiempo de operación del relé, el tiempo de despeje del interruptor, la capacidad de la resistencia de puesta a tierra y las características esperadas de falla del sistema.

Seleccionar únicamente según la tensión nominal del sistema es insuficiente. El servicio de corriente de falla y la filosofía de protección determinan si el transformador tiene el tamaño adecuado.

¿Qué ocurre durante una falla monofásica a tierra?

Considere una barra trifásica en delta sin neutro conectado a tierra. Se produce una falla de fase a tierra en un conductor aguas abajo de la barra.

Sin equipos de puesta a tierra, la corriente de falla puede estar limitada principalmente por la capacitancia distribuida de los cables, los descargadores de sobretensión y otras trayectorias no intencionadas del sistema.

Con un transformador de puesta a tierra zig zag instalado, el punto neutro se conecta a tierra directamente o mediante una resistencia de puesta a tierra.

La fase en falla dispone entonces de una trayectoria de retorno intencionada. La corriente fluye a través de la falla, la red de puesta a tierra del equipo y la conexión del neutro del transformador.

Los devanados zig zag devuelven el componente de secuencia cero al sistema trifásico, manteniendo prácticamente inalterada la operación normal de tensión entre fases.

Los relés de protección miden la corriente residual o de tierra resultante y ordenan la actuación del interruptor automático o del sistema de alarma correspondiente.

La resistencia, si se incluye, limita la corriente a un valor previsto. Esto puede reducir la energía de arco eléctrico, el esfuerzo mecánico y los daños localizados.

Al mismo tiempo, la corriente de falla debe permanecer por encima del umbral de activación de la protección en condiciones creíbles de falla mínima, incluidos los alimentadores de gran longitud.

Elección entre puesta a tierra sólida, mediante resistencia y mediante reactancia

Un transformador de puesta a tierra zig zag puede admitir varias estrategias de puesta a tierra, pero el propio transformador no determina el nivel final de corriente de falla.

La puesta a tierra sólida conecta el neutro directamente a tierra. Puede producir una corriente de falla a tierra elevada y generalmente se aplica donde se requiere un despeje rápido.

La puesta a tierra de baja resistencia utiliza una resistencia de puesta a tierra del neutro para permitir una corriente de falla controlada y relativamente alta que permita una operación rápida y selectiva de la protección.

La puesta a tierra de alta resistencia limita la corriente a un nivel mucho menor, permitiendo a menudo continuar la operación después de la primera falla a tierra mientras se investiga una alarma.

La puesta a tierra mediante reactancia utiliza un inductor en el circuito neutro. Puede elegirse cuando las características de impedancia o la coordinación del sistema respaldan este enfoque.

La opción correcta depende de la clase de tensión, la longitud del alimentador, la corriente de carga capacitiva del cable, el servicio del equipo, los requisitos de continuidad del proceso y las normas eléctricas locales.

La puesta a tierra de alta resistencia no es automáticamente más segura para todos los sistemas. Si la detección no puede identificar la ubicación de la falla, la operación continua puede generar riesgos operativos.

Del mismo modo, una corriente de falla excesiva puede mejorar la sensibilidad del relé, pero imponer esfuerzos térmicos y mecánicos inaceptables en cables, aparamenta y transformadores.

Cómo dimensionar un transformador de puesta a tierra Zig Zag

El dimensionamiento comienza con la tensión línea a línea del sistema, ya que el aislamiento del devanado del transformador de puesta a tierra debe soportar las condiciones de tensión operativa y transitoria de la red.

El siguiente valor clave es la corriente de falla a tierra requerida. A menudo se determina por la sensibilidad del relé, la selección de la resistencia y la coordinación con los dispositivos de protección aguas abajo.

La clasificación térmica de corta duración es igualmente importante. La unidad debe soportar la corriente de falla seleccionada durante todo el intervalo de despeje de protección sin sufrir daños.

La impedancia afecta la corriente de falla a tierra disponible y el rendimiento del relé. Debe evaluarse junto con la resistencia de neutro, la impedancia de la fuente y las características del alimentador.

Los ingenieros también deben calcular la corriente total de carga capacitiva del sistema, especialmente en redes extensas de cables, plantas renovables, centros de datos y sistemas de distribución industrial.

Para la puesta a tierra de alta resistencia, la corriente de neutro seleccionada normalmente debe superar la corriente de carga capacitiva del sistema con un margen de ingeniería adecuado.

El diseño del núcleo, la clase de aislamiento, la temperatura ambiente, el entorno de instalación, los requisitos sísmicos y la protección de la envolvente también afectan la especificación final del equipo.

Antes de la cotización, el fabricante debe recibir el diagrama unifilar, el nivel de tensión, el tiempo de despeje de falla, la corriente de neutro deseada, el método de puesta a tierra y el esquema de protección.

Dónde se utilizan habitualmente los transformadores de puesta a tierra Zig Zag

Los transformadores de puesta a tierra zig zag se instalan con frecuencia en barras de media tensión en delta que alimentan plantas industriales, operaciones mineras, instalaciones de proceso y proyectos de infraestructura.

También son útiles en sistemas colectores de energía renovable, donde las fuentes basadas en convertidores y las conexiones de transformadores elevadores pueden no proporcionar un neutro accesible.

Los centros de datos y hospitales pueden requerir disposiciones de puesta a tierra cuidadosamente diseñadas, ya que la continuidad, el aislamiento selectivo de fallas y la protección de los equipos son prioridades operativas.

En redes de distribución comerciales o industriales, pueden añadirse durante actualizaciones cuando la conexión del transformador existente no ofrece un punto neutro adecuado.

La aplicación debe revisarse como un sistema de puesta a tierra completo. Un transformador de puesta a tierra no puede compensar una unión equipotencial deficiente, ajustes de relé inadecuados o electrodos de tierra insuficientes.

Las condiciones del sitio también son importantes. Los equipos secos para interiores, las unidades llenas de aceite para exteriores, las envolventes de resistencia, el tendido de cables, la ventilación y el acceso para mantenimiento requieren una planificación coordinada.

Relación con la selección de transformadores de distribución

Un transformador de puesta a tierra y un transformador de distribución cumplen funciones eléctricas diferentes, aunque ambos deben seleccionarse dentro del diseño general del sistema eléctrico.

El transformador de puesta a tierra establece y controla la referencia de neutro. El transformador de distribución cambia la tensión y suministra la demanda de carga normal de la instalación.

Para los proyectos que requieren una distribución fiable de media tensión, la selección del transformador debe considerar la filosofía de puesta a tierra antes de finalizar los ajustes de protección y las clasificaciones de la aparamenta.

Jinshida respalda las aplicaciones de distribución con equipos diseñados para un funcionamiento fiable en entornos industriales, comerciales, de infraestructura y de energía renovable.

Por ejemplo, elTransformador de distribución trifásico seco de resina fundida de 35 kV está disponible para aplicaciones de distribución de 35 kV a 0.4 kV.

Su construcción de resina fundida, núcleo de acero al silicio de grano orientado de alta calidad y sistema de aislamiento epoxi son adecuados para instalaciones donde el comportamiento ante incendios y el bajo mantenimiento son importantes.

Las capacidades disponibles cubren una amplia gama de requisitos de distribución, mientras que los sistemas de protección y control de temperatura permiten una operación supervisada en instalaciones exigentes.

Ese producto no sustituye a un transformador de puesta a tierra zig zag diseñado específicamente, pero ambos pueden formar parte de una solución coordinada de distribución eléctrica.

Errores de diseño comunes que se deben evitar

Un error frecuente es suponer que el neutro de cualquier transformador puede conectarse a tierra sin comprobar la conexión del devanado, el servicio de aislamiento y las trayectorias disponibles de corriente de secuencia cero.

Otro error es especificar un transformador de puesta a tierra zig zag sin definir el valor de la resistencia, la duración de la falla, los ajustes de activación del relé y la secuencia de despeje del interruptor.

Los ingenieros a veces se centran únicamente en la corriente de falla máxima. La corriente mínima de falla a tierra también es crítica porque la protección debe operar en condiciones desfavorables.

Ignorar la corriente de carga capacitiva del cable puede ser especialmente problemático en grandes redes de media tensión, donde la corriente capacitiva puede afectar el rendimiento de la puesta a tierra de alta resistencia.

Una coordinación inadecuada entre el transformador de puesta a tierra y la protección contra sobretensiones puede dejar los equipos expuestos a sobretensiones temporales durante condiciones anormales de operación.

Los conductores de puesta a tierra, las conexiones de unión equipotencial, la resistencia de la malla de tierra y las clasificaciones de la envolvente de la resistencia de neutro deben revisarse como parte del mismo paquete de diseño.

Por último, no trate un transformador de puesta a tierra con clasificación de corta duración como un transformador auxiliar continuo, a menos que su fabricante confirme que dicho servicio operativo está permitido.

Preguntas que deben plantearse antes de especificar el equipo

Comience identificando si la fuente o la barra tiene un neutro accesible. Si lo tiene, puede que no sea necesario un transformador de puesta a tierra independiente.

A continuación, defina si el objetivo es el despeje inmediato de fallas, la limitación controlada de corriente de falla, el funcionamiento de alarma ante la primera falla o una combinación de estos objetivos.

Pregunte qué corriente de falla a tierra requieren los relés de protección, con qué rapidez despejan los interruptores y si los dispositivos aguas abajo pueden soportar la energía resultante.

Confirme la capacitancia total de cables del sistema, la expansión prevista, las contribuciones de generadores o inversores y las posibles configuraciones operativas durante el mantenimiento o contingencias.

Solicite documentación del fabricante que cubra la tensión nominal, el nivel de aislamiento, la impedancia, la clasificación de corriente de corta duración, el aumento de temperatura, las normas de ensayo y los diagramas de conexión.

Para proyectos internacionales, verifique con antelación los requisitos aplicables de IEC, IEEE, empresas eléctricas y códigos locales, en lugar de adaptar la disposición de puesta a tierra después de la adquisición.

Conclusión

Un transformador de puesta a tierra zig zag crea un punto neutro porque sus devanados divididos y conectados en cruz cancelan los efectos trifásicos equilibrados mientras conducen corriente de falla de secuencia cero.

Este comportamiento eléctrico lo convierte en una solución práctica de puesta a tierra para sistemas delta y otros sistemas no conectados a tierra donde se requiere una detección fiable de fallas a tierra.

Su valor radica en hacer intencionado el comportamiento de las fallas a tierra: la corriente puede limitarse, medirse, coordinarse y despejarse según una estrategia de protección definida.

Para una especificación sólida, evalúe el sistema completo en lugar del transformador por sí solo, incluyendo el servicio de falla, la selección de la resistencia, los ajustes del relé, los cables y la infraestructura de puesta a tierra.

Cuando estos elementos están coordinados, un transformador de puesta a tierra zig zag puede mejorar la fiabilidad de la protección, controlar el esfuerzo de los equipos y respaldar una operación del sistema más segura a largo plazo.