Desde la clasificación hasta el modo de cableado, la explicación más completa del transformador de puesta a tierra.

Las redes eléctricas de 6 kV, 10 kV y 35 kV del sistema eléctrico generalmente adoptan el modo de operación sin conexión a tierra del neutro. El lado de baja tensión del transformador principal en la red eléctrica generalmente está conectado en forma triangular, y no hay un punto neutro que pueda conectarse a tierra. Cuando ocurre una falla a tierra monofásica en un sistema sin conexión a tierra del neutro, el triángulo de tensión de línea permanece simétrico. El sistema eléctrico puede continuar suministrando energía a los usuarios durante 1 a 2 horas, y la corriente capacitiva es relativamente pequeña (menos de 10 A), lo que no causará arcos intermitentes. Algunas fallas transitorias a tierra pueden desaparecer automáticamente, lo que es muy eficaz para mejorar la confiabilidad del suministro eléctrico y reducir los accidentes por cortes de energía. Sin embargo, con la continua expansión de la red eléctrica urbana y el continuo aumento de las líneas de salida de cable, la corriente capacitiva del sistema a tierra aumenta drásticamente, y la corriente capacitiva que fluye a través del punto de falla después de una falla a tierra monofásica es grande (más de 10 A).

El arco no es fácil de extinguir, es fácil excitar una sobretensión por resonancia ferromagnética y producir una sobretensión intermitente por puesta a tierra del arco, lo que puede causar daños en el aislamiento, disparar la línea y agravar el accidente.

Específicamente:

La extinción y reencendido intermitente del arco de puesta a tierra monofásico producirá una sobretensión de puesta a tierra del arco con una amplitud de hasta 4U (donde U es el valor pico de la tensión de fase normal) o superior y de larga duración, lo que causará grandes daños al aislamiento de los equipos eléctricos y provocará una avería en el aislamiento débil; además, provocará grandes pérdidas.

La disociación del aire causada por el arco continuo destruye el aislamiento del aire circundante y es propensa a cortocircuitos entre fases.

Las sobretensiones por resonancia ferromagnética pueden quemar fácilmente el transformador de tensión y dañar el pararrayos, pudiendo incluso provocar su explosión. Estas consecuencias amenazan seriamente el aislamiento de los equipos de la red eléctrica y ponen en peligro su funcionamiento seguro.

Para reducir la corriente capacitiva a tierra en caso de falla a tierra monofásica, es necesario instalar una bobina supresora de arco y otros dispositivos de compensación en el punto neutro del transformador. Por lo tanto, es necesario establecer manualmente un punto neutro para que la bobina supresora de arco pueda conectarse a dicho punto, reduciendo así la corriente de interrupción del cortocircuito a tierra y mejorando la fiabilidad del suministro eléctrico del sistema.

■ Uso actual en el país y en el extranjero

El transformador de puesta a tierra en China suele emplear cableado tipo Z (o en zigzag). Para ahorrar inversión y espacio en la subestación, se suele añadir un tercer devanado al transformador de puesta a tierra para sustituir al transformador que alimenta los equipos de la subestación. Según la norma nacional de reactores, el modo de puesta a tierra del transformador se puede dividir en puesta a tierra directa; puesta a tierra a través de un reactor, resistencia y bobina supresora de arco. La puesta a tierra directa no se ha utilizado en China, pero algunos departamentos de investigación de energía eléctrica han comenzado a debatir este aspecto. El transformador de puesta a tierra en otros países suele adoptar una conexión tipo Z, que se utiliza para sistemas sin puesta a tierra de 10 kV y constituye la protección de puesta a tierra de la red de distribución. Cuando el sistema presenta una falla de puesta a tierra, el transformador de puesta a tierra presenta alta impedancia a la corriente de secuencia positiva y negativa y baja resistencia a la corriente de secuencia cero, lo que garantiza el funcionamiento fiable de la protección de puesta a tierra.

■ Transformador de puesta a tierra trifásico

Transformador de puesta a tierra trifásico. Este tipo de transformador utiliza cableado en zigzag (o tipo Z). La diferencia con los transformadores convencionales radica en que cada bobina de fase se divide en dos grupos y se enrolla en el polo magnético de dicha fase en sentido inverso. La ventaja de esta conexión es que el flujo magnético de secuencia cero puede circular a lo largo del polo magnético, mientras que en los transformadores convencionales el flujo magnético de secuencia cero circula a lo largo del circuito de fuga magnética. Por lo tanto, la impedancia de secuencia cero de los transformadores de puesta a tierra tipo Z es muy pequeña (aproximadamente 10 Ω), mientras que la de los transformadores convencionales es mucho mayor. Según la normativa, la capacidad de un transformador convencional con bobina de supresión de arco no debe superar el 20 % de la capacidad del transformador. Un transformador tipo Z puede equiparse con una bobina de supresión de arco con una capacidad del 90 % al 100 %. Además de la bobina de supresión de arco, el transformador de puesta a tierra también puede equiparse con una carga secundaria, lo que permite sustituir al transformador de la subestación y, por consiguiente, ahorrar en costes de inversión.

■ Transformador de puesta a tierra monofásico

Transformador de puesta a tierra monofásico El transformador de puesta a tierra monofásico se utiliza principalmente para generadores con punto neutro y gabinete de resistencia de puesta a tierra del punto neutro del transformador Satons para reducir el costo y el volumen del gabinete de resistencia.

■ Características de funcionamiento

(1) Baja impedancia de secuencia cero para asegurar la salida de corriente de secuencia cero;

(2) Alta impedancia de excitación para reducir la corriente en vacío;

(3) Baja pérdida en vacío para ahorrar consumo de energía en el funcionamiento diario.

■ Modo de cableado

Conexión YNyn

El transformador con este modo de conexión generalmente adopta un núcleo de hierro trifásico de tres columnas, y el punto neutro en el lado de alta tensión puede conectarse con una bobina supresora de arco para realizar la puesta a tierra. Sin embargo, cuando la corriente monofásica de secuencia cero puesta a tierra fluye a través del devanado del lado de alta tensión, el potencial magnético de secuencia cero generado no puede ser equilibrado por el potencial magnético secundario, y el flujo magnético de secuencia cero en la misma dirección no puede formar un bucle en el núcleo de hierro de tres columnas, por lo que una gran cantidad de flujo magnético de secuencia cero solo puede pasar a través de la abrazadera, el aceite y el cuerpo del tanque de aceite para formar un bucle cerrado, causando así pérdidas adicionales en el tanque de aceite y la abrazadera, lo que resulta en sobrecalentamiento local y limita la utilización de la capacidad del transformador. Las regulaciones operativas pertinentes del sector eléctrico de China han establecido las siguientes disposiciones sobre el estado de funcionamiento de la bobina supresora de arco de conexión del punto neutro del transformador de conexión YNyn:

(1) La capacidad de la bobina supresora de arco no deberá exceder el 20% de la capacidad nominal del transformador;

(2) La caída de tensión de secuencia cero generada por la corriente de secuencia cero que fluye a través de la bobina de supresión de arco en el transformador no deberá exceder el 10% de la tensión de fase nominal;

El modo de conexión del transformador de conexión YNd y la bobina de supresión de arco XL se caracteriza porque la conexión triangular en el lado secundario puede proporcionar una trayectoria cerrada de la corriente de secuencia cero, por lo que la reactancia de secuencia cero es pequeña. Además, dado que el potencial magnético de secuencia cero de los devanados primario y secundario en cada columna del núcleo está equilibrado, la fuga magnética de secuencia cero también es pequeña. Sin embargo, cuando el devanado de conexión YN está en el exterior, la pérdida adicional de secuencia cero causada en el tanque de aceite y otros componentes no se puede evitar por completo. Cuando se conecta con la bobina de supresión de arco, la utilización de su capacidad seguirá siendo limitada. Las investigaciones de prueba extranjeras muestran que el modo de funcionamiento admisible del transformador de puesta a tierra conectado YNd es:

(1) Cuando la carga completa secundaria sea normal, la capacidad de la bobina de supresión de arco conectada en el lado YN no deberá exceder el 50% de la capacidad nominal del transformador;

(2) Cuando la carga secundaria es solo el 50% de la capacidad del transformador en tiempos normales, la capacidad de la bobina de supresión de arco puede ser igual a la capacidad nominal del transformador.

Si bien el lado secundario de esta conexión puede suministrar energía a cargas regionales o a la propia subestación, su aplicación se verá muy limitada porque la conexión triangular dificulta el suministro simultáneo de energía a usuarios híbridos de electricidad e iluminación.

La conexión YN, d abierta, se conecta con la bobina supresora de arco XL, similar a la conexión YNd. El modo de conexión d abierta permite conectar una resistencia o reactor en el lado del triángulo abierto para ajustar la reactancia de secuencia cero del transformador. La conexión de la resistencia también suprime la resonancia ferromagnética de la red. Si se adopta un núcleo de hierro trifásico de cinco columnas, el valor de la impedancia de secuencia cero puede incrementarse considerablemente, e incluso es posible prescindir de la bobina supresora de arco, aunque la estructura es compleja y el costo aumenta. Además, el uso secundario de la conexión de triángulo abierto no satisface las necesidades de suministro eléctrico a cargas regionales ni de autoconsumo, por lo que este método no se utiliza ampliamente.

El transformador con conexión ZN,yn se conecta con la bobina supresora de arco XL, que es un modo de conexión común para transformadores de puesta a tierra. Debido a que el potencial magnético de secuencia cero en los devanados de la mitad superior e inferior en la misma columna del núcleo de hierro del método de conexión en zigzag es del mismo tamaño y dirección opuesta, lo que los contrarresta, el flujo de fuga de secuencia cero se reduce a un valor muy pequeño, por lo que su valor de reactancia de secuencia cero es muy pequeño y su capacidad puede ser igual a la capacidad de la bobina supresora de arco conectada.

El transformador de puesta a tierra, ampliamente utilizado tanto a nivel nacional como internacional, se conecta principalmente de esta manera. Dado que se emplea una conexión en Y en el lado de baja tensión, puede suministrar energía local o autoconsumo de la subestación simultáneamente. La capacidad del lado de baja tensión suele ser menor que la del lado de alta tensión. En la mayoría de los casos, la capacidad del lado de baja tensión se encuentra entre 80 y 200 kVA.

Aunque la capacidad nominal del lado de alta tensión puede ser igual a la capacidad de la bobina supresora de arco conectada, la conexión en forma de Z tendrá 1,15 veces más vueltas que la conexión en forma de Y, por lo que la capacidad real del transformador de puesta a tierra debería ser 1,15 veces la capacidad de la bobina supresora de arco.

■ Principio de funcionamiento

El diagrama de principio de funcionamiento del transformador de puesta a tierra en caso de fallo monofásico en el sistema se ilustra con el cableado ZNyn común. Cuando el transformador de puesta a tierra atraviesa una corriente de secuencia cero de cierta magnitud durante su funcionamiento, la corriente que fluye a través de los dos devanados monofásicos en el mismo núcleo de hierro tiene direcciones opuestas y es igual en magnitud, de modo que el potencial magnético generado por la corriente de secuencia cero es justo opuesto al desplazamiento, por lo que la impedancia de secuencia cero también es muy pequeña.

Cuando falla el transformador de puesta a tierra, el punto neutro puede circular a través de la corriente de compensación. Debido a la baja impedancia de secuencia cero, cuando esta corriente pasa a través del transformador, la caída de tensión generada debe ser mínima para garantizar la seguridad del sistema. Dado que el transformador de puesta a tierra presenta una baja impedancia de secuencia cero, cuando se produce una falla a tierra monofásica en la fase C, la corriente de tierra de la fase C (I) fluye hacia el punto neutro a través de la tierra y se divide en tres partes iguales que fluyen hacia el transformador de puesta a tierra. Como las corrientes trifásicas que fluyen hacia el transformador de puesta a tierra son iguales, el desplazamiento del punto neutro (N) permanece constante y la tensión de línea trifásica se mantiene simétrica.

Sin embargo, en el proceso de fabricación, las vueltas y las dimensiones geométricas de los devanados superior e inferior del devanado de alta tensión no pueden ser completamente iguales, lo que hace imposible que el potencial magnético generado por la corriente de secuencia cero se desfase exactamente en la dirección opuesta, y aún así genera una cierta impedancia de secuencia cero, generalmente alrededor de 6-10 Ω. En comparación con la impedancia de secuencia cero del transformador conectado en estrella de 600 Ω, sus ventajas son evidentes. Además, el transformador de puesta a tierra en zigzag también puede hacer que la corriente en vacío y la pérdida en vacío sean lo más pequeñas posible. En comparación con el transformador de conexión en estrella ordinario, cada núcleo de hierro de fase del transformador de conexión en zigzag está compuesto por devanados de dos columnas de núcleo de hierro. Según su diagrama vectorial, en comparación con el transformador de conexión en estrella ordinario, necesita ser bobinado 1,16 veces más cuando el voltaje es el mismo. La amplitud de la impedancia de secuencia cero y la impedancia de secuencia positiva de la red de distribución urbana con puesta a tierra monofásica bajo el modo de puesta a tierra de resistencia del punto neutro difieren mucho. Cuando circulan corrientes trifásicas de secuencia positiva y negativa, el potencial magnético en cada columna del núcleo de hierro del transformador de puesta a tierra es la suma de los fasores del potencial magnético de dos devanados de fases diferentes en dicha columna. El potencial magnético en las tres columnas del núcleo de hierro es un conjunto de magnitudes de equilibrio trifásicas con una diferencia de fase de 120°. El flujo magnético generado puede formar un bucle en las tres columnas del núcleo de hierro. La resistencia magnética del circuito magnético es pequeña, el flujo magnético es grande y el potencial inducido es grande, lo que se traduce en una gran impedancia de secuencia positiva y negativa. Por lo tanto, el transformador de puesta a tierra presenta una gran impedancia de secuencia positiva y negativa y una pequeña impedancia de secuencia cero.

■ Parámetros técnicos principales

Para satisfacer las necesidades de compensación de puesta a tierra de la bobina de supresión de arco en la red de distribución, y también para satisfacer las necesidades de la carga de energía e iluminación de la subestación, se selecciona un transformador de conexión tipo Z, y los parámetros principales del transformador de puesta a tierra deben configurarse de manera razonable.

(1) La capacidad del lado primario del transformador de puesta a tierra con capacidad nominal debe coincidir con la capacidad de la bobina supresora de arco. Según la especificación de capacidad de la bobina supresora de arco existente, se recomienda establecer la capacidad del transformador de puesta a tierra entre 1,05 y 1,15 veces la capacidad de la bobina supresora de arco. Por ejemplo, la capacidad del transformador de puesta a tierra equipado con una bobina supresora de arco de 200 kVA es de 215 kVA.

(2) Corriente total que fluye a través del punto neutro del transformador en caso de falla monofásica de la corriente de compensación del punto neutro:

Dónde:

U es la tensión de línea de la red de distribución (V); Zx es la impedancia de la bobina de supresión de arco (Ω);

Zd es la impedancia primaria de secuencia cero del transformador de puesta a tierra (Ω/fase);

Zs es la impedancia del sistema (Ω);

La duración de la corriente de compensación del punto neutro deberá ser la misma que la de la bobina de supresión de arco, que será de 2 horas según lo especificado.

(3) Impedancia de secuencia cero La impedancia de secuencia cero es un parámetro importante del transformador de puesta a tierra, que influye significativamente en la protección del relé para limitar la corriente de cortocircuito de puesta a tierra monofásica y suprimir la sobretensión. Para los transformadores de puesta a tierra conectados en zigzag (tipo Z) y en estrella/delta abierta sin bobinas secundarias, solo existe una impedancia, la impedancia de secuencia cero, de modo que el departamento de fabricación pueda cumplir con los requisitos del departamento de energía.

(4) La pérdida es un parámetro de rendimiento importante del transformador de puesta a tierra. Para un transformador de puesta a tierra con bobina secundaria, su pérdida en vacío puede ser la misma que la de un transformador de doble bobinado con la misma capacidad. En cuanto a la pérdida en carga, cuando el lado secundario está en plena carga, la pérdida en el lado primario es menor que la de un transformador de doble bobinado con la misma capacidad que el lado secundario debido a la baja carga en el lado primario.

(5) Según la norma nacional, el aumento de temperatura del transformador de puesta a tierra es el siguiente:

1) El aumento de temperatura bajo la corriente continua nominal deberá cumplir con las disposiciones de la norma nacional para transformadores de tipo seco de transformadores de potencia generales, pero es principalmente aplicable a los transformadores de puesta a tierra con carga frecuente en el lado secundario;

2) Cuando la duración de la corriente de carga de corto tiempo sea menor a 10 s (principalmente cuando el punto neutro está conectado con la resistencia), el aumento de temperatura deberá cumplir con las disposiciones de la norma nacional para transformadores de potencia sobre el límite de aumento de temperatura en condiciones de cortocircuito;

3) El aumento de temperatura del transformador de puesta a tierra y de la bobina de supresión de arco cuando funcionan conjuntamente deberá cumplir con las disposiciones relativas al aumento de temperatura de la bobina de supresión de arco: la temperatura del devanado que fluye continuamente a través de la corriente nominal es de 80 K, lo que se aplica principalmente al transformador de puesta a tierra con conexión estrella/delta abierta; para el devanado con un tiempo máximo de flujo de corriente nominal especificado de 2 h, la temperatura especificada es de 100 K.