Principio y Función del Transformador de Conexión a Tierra Monofásico

Propósito de la conexión a tierra

En sistemas trifásicos, el transformador de puesta a tierra proporciona un neutro artificial al sistema, permitiendo una conexión a tierra directa o a través de inductancias, resistencias o bobinas de extinción de arco. Los objetivos principales son:

1. Transmitir la carga inductiva de la línea a tierra para evitar daños en la línea y equipos.

2. Minimizar las oscilaciones de alta tensión en sistemas con neutro aislado.

3. Cooperar con la bobina de extinción de arco para compensar la corriente capacitiva generada por una falla monofásica a tierra, eliminando automáticamente el arco eléctrico intermitente.

4. Integrarse con dispositivos de protección para eliminar fallas en etapas iniciales mediante conexión a tierra directa.

Adicionalmente, el transformador de puesta a tierra puede configurarse con un devanado secundario para suministrar energía auxiliar en subestaciones.

Principio de funcionamiento

El transformador de puesta a tierra utiliza una conexión en Z (o "zigzag"), a diferencia de los transformadores convencionales. En este diseño, cada devanado de fase se distribuye en dos columnas magnéticas, permitiendo que el flujo de secuencia cero circule libremente por el núcleo. Esto reduce significativamente la impedancia de secuencia cero (aprox. 10 Ω), mientras que en transformadores convencionales esta impedancia es mucho mayor, obligando al flujo de secuencia cero a circular por rutas de dispersión.

Ventajas de la conexión Z:

• Puede acoplar bobinas de extinción de arco del 90% al 100% de su capacidad, frente al 20% máximo en transformadores convencionales.

• Reduce costos de inversión y espacio en subestaciones.

Configuraciones prácticas

En China, estos transformadores suelen incluir un tercer devanado para alimentar equipos auxiliares de la subestación, reemplazando transformadores separados. Los métodos de conexión a tierra permitidos incluyen:

• A través de reactancias, resistencias o bobinas de extinción de arco.

• La conexión directa a tierra no se utiliza actualmente, pero está en investigación.

En aplicaciones internacionales, los transformadores tipo Z se emplean en redes de 10 kV no conectadas a tierra para protección contra fallas. Durante una falla a tierra, ofrecen:

• Alta impedancia a corrientes de secuencia positiva y negativa.

• Baja impedancia a corrientes de secuencia cero, garantizando una protección fiable.

Regulaciones técnicas

Según los estándares chinos, para transformadores con neutro conectado a bobinas de extinción de arco:

1. La capacidad de la bobina no debe exceder el 20% de la capacidad del transformador.

2. La corriente de secuencia cero generada no debe superar el 10% de la corriente de fase nominal.

3. La corriente trifásica total de secuencia cero no debe exceder el 60% de la corriente de fase nominal.

Estas limitaciones buscan evitar sobrecalentamientos locales por flujos de secuencia cero, que podrían dañar los puntos críticos del aislamiento. Por ello, los transformadores convencionales tipo YNyn tienen uso restringido en estas aplicaciones debido a su alta impedancia de secuencia cero.