Durante la reunión de turno de la mañana, un ingeniero de mantenimiento en una planta de procesamiento de alimentos de tamaño mediano entra con el registro de fallos: ocurrieron tres paradas no planificadas en los últimos cuatro meses, hubo dos devanados de motor dañados en la línea de envasado, y el informe del incidente de arco eléctrico de la sala de compresores que casi hiere a un técnico. La planta tiene un sistema MV tipo Delta y no conectado a tierra, y hasta ahora su sistema nunca ha generado dudas entre nadie. Esta es la situación clásica donde un transformador de puesta a tierra deja de ser un accesorio opcional y se convierte en la diferencia entre un fallo molesto y un evento peligroso que detiene la producción.
En este artículo, se presentan la definición y los principios de funcionamiento del transformador de puesta a tierra; lo que hace que los sistemas no conectados a tierra o en delta de esquina precipiten el sabotaje del equipo; y cómo es posible reparar el daño. También se consideran los métodos zigzag y wye-delta, así como se comparan con otras formas de métodos de puesta a tierra. Se enumeran los criterios de puesta a tierra para la compra. Si tiene servicio de conexión delta, pague por ello y sufre fallos monofásicos, lea este artículo antes de firmar cualquier documento.
Respuesta rápida: A transformador de puesta a tierra es un transformador trifásico utilizado para crear un punto neutro en un sistema que de otro modo no estaría conectado a tierra, para que el sistema pueda ser efectivamente puesto a tierra. Los dos diseños estándar son el transformador zigzag (ZN) y el transformador de puesta a tierra wye-delta. Las clasificaciones típicas varían desde 100 kVA en una pequeña aplicación industrial hasta más de 2,000 kVA para grandes subestaciones de servicios públicos; estas clasificaciones se consideran clasificaciones continuas para aplicaciones neutras, así como clasificaciones de corto tiempo (10 seg, 30 seg, 1 min) para circuitos de fallo. El costo de una unidad de 100-300 kVA oscila entre $2,000 y $6,000, con una unidad de 500-1,000 kVA costando entre $6,000 y $15,000 y una gran instalación de 1,500-3,000 kVA costando entre $15,000-$40,000, ya que los precios varían según la clase de voltaje, impedancia y marca. La puesta a tierra adecuada permite el control de las corrientes de fallo de línea a tierra, limitándolas, asegurando así que ciertos elementos de relé actúen de manera selectiva mientras protegen el sistema de picos de voltaje de hasta 4-5 veces los voltajes de fase normales en caso de una configuración no conectada a tierra.
¿Qué es un transformador de puesta a tierra?
Un transformador de puesta a tierra es un tipo de transformador trifásico que está diseñado específicamente para crear un punto neutro en un sistema de energía que de otro modo no tendría uno. En sistemas con devanados de transformador conectados en configuración delta o devanados conectados en delta en el generador, no puede haber un punto neutro para la puesta a tierra. El transformador de puesta a tierra proporciona el esencial punto neutro para que pueda ser conectado a tierra a través de la impedancia de puesta a tierra, como un resistor de baja resistencia conocido como resistor de puesta a tierra neutra (NGR), reactores, etc., o a través de una puesta a tierra de tipo directo en caso de sistemas sólidamente conectados a tierra.
Es bastante importante entender las limitaciones del transformador de puesta a tierra. No activa las corrientes de carga normales. Durante la operación normal, las corrientes en los devanados son prácticamente cero. Solo sirve para llevar la corriente de secuencia cero desbalanceada resultante de un fallo de línea a tierra y establecer el potencial neutro del sistema. Esta es la razón por la que el transformador de puesta a tierra está clasificado para la operación continua (ya sea por clasificación térmica – kVA) y la clasificación de fallo a corto tiempo (10 seg o 30 seg a alguna corriente nominal).
Por qué su instalación puede estar operando sin conexión a tierra
En muchos entornos industriales, se utiliza un sistema delta sin conexión a tierra debido a su bajo costo de instalación y su capacidad para soportar fallos monofásicos. Sin embargo, esto es engañoso, ya que debido a la ausencia de un camino de retorno después de un fallo de línea a tierra en un sistema delta no conectado a tierra, el sistema no se apaga, sino que sigue funcionando con los otros dos voltajes aumentando de normal a nivel de línea a línea. Si ocurre otro fallo en una fase diferente antes de despejar el primer fallo, se produce un fallo de doble línea a tierra resultando en un cortocircuito fase a fase con las corrientes de fallo ascendiendo a 10-25 kA del tamaño habitual de los sistemas de energía de media tensión.
El efecto indirecto más severo de este tipo de sistemas se debe a los transitorios. De hecho, dado que la presencia de fallos de tierra de reactivación en los sistemas no conectados a tierra puede causar niveles de voltaje que superan el voltaje normal de línea a tierra por 4-5 veces, la efectividad del aislamiento del cable se ve comprometida, los devanados del transformador sufren un estrés severo y el aislamiento del motor se daña muchos años antes de lo previsto. Los ingenieros de sistemas de energía y los aseguradores empujan a diferentes usuarios hacia una puesta a tierra eficiente en parte debido a la comprensión de estos fallos.
Cómo funciona un transformador de puesta a tierra
Los transformadores de puesta a tierra son aplicables cuando las corrientes que operan bajo condiciones equilibradas de tres fases suman cero, consumiendo así solo la corriente de magnetización mínima en el transformador. Una función especial del transformador se revela cuando ocurren fallos. Una corriente de secuencia cero necesita ser devuelta a tierra cada vez que una de las fases sufre fallos como un fallo de línea a tierra. El transformador de puesta a tierra es capaz de proporcionar el camino de retorno.
En cuanto a los transformadores zigzag, consisten en dos devanados iguales aplicados en cada fase de manera opuesta. Esto significa que ahora las dos mitades se cancelan entre sí, resultando en flujos fase a fase cero y enlace cero. Aunque el transformador es pasivo bajo cargas equilibradas, la presencia de corrientes de secuencia cero crea una fuerza magnetomotriz neta, haciendo que el transformador actúe como un camino muy bajo.
Transformadores de puesta a tierra zigzag vs. wye-delta
| Característica | Transformador de puesta a tierra zigzag (ZN) | Transformador de puesta a tierra wye-delta |
|---|---|---|
| Disposición de devanados | Seis devanados iguales, dos por fase, mitades opuestas | Tres devanados conectados en estrella más un delta terciario cerrado |
| Propósito principal | Crear un neutro para la puesta a tierra | Crear un neutro y opcionalmente suministrar carga auxiliar |
| Impedancia de secuencia cero | Baja y bien controlada (5-10% típico) | Se puede ajustar a través del terciario; ligeramente más alto |
| Deber normal de carga | Solo deber sin carga | Puede llevar una pequeña carga auxiliar a través del delta o wye |
| Costo | Más bajo por kVA | Ligeramente más alto |
| Aplicación típica | Sistemas industriales en delta, neutros de generador | Subestaciones de servicios públicos que necesitan suministro auxiliar |
La mayoría de las instalaciones deberían usar este patrón zigzag. El costo adicional del equipo wye-delta solo se justificaría cuando haya una necesidad de suministro monofásico estable para cargas auxiliares en la estación, como iluminación, cargadores de baterías y pequeños electrodomésticos.
Métodos de conexión a tierra comparados
| Método | Corriente de falla a tierra | Protección contra sobretensiones | Selectividad de relé | Costo Relativo |
|---|---|---|---|---|
| No conectado a tierra (sin referencia a tierra) | Solo capacitivo, pero riesgo de doble falla | Pobre; transitorios de hasta 4-5× voltaje de fase | Pobre | Más bajo |
| Conexión a tierra sólida (wye) | Más alto (puede exceder 10 kA) | Excelente | Bueno pero de alta energía | Bajo |
| Conexión a tierra por medio de NGR | Controlado, por ejemplo, 100-400 A | Bueno, libre de transitorios | Excelente para detección | Moderado |
| Puesta a tierra por reactancia | Moderado, diseñado | Buena | Buena | Moderado |
| Transformador de puesta a tierra (zigzag) | Permite cualquiera de los anteriores en sistemas delta | Restaura el apriete adecuado | Permite el relé selectivo | $2,000-$40,000 |
El punto importante aquí es que no es el transformador de puesta a tierra el que determina el valor de la corriente de falla, sino más bien el resistor o reactor de puesta a tierra que conecta el terminal neutro con la tierra. Muchas instalaciones industriales utilizan puesta a tierra por resistencia a través de transformadores zigzag con un límite de 200 A, lo cual se considera la solución ideal ya que la corriente de falla es suficiente para asegurar una detección y desconexión de falla confiables y, al mismo tiempo, no es lo suficientemente alta como para crear los problemas asociados con grandes energías de arco eléctrico.
Especificaciones y calificaciones clave
| Parámetro | Valor Típico | Notas |
|---|---|---|
| Clasificación continua | 100-3,000 kVA | Establecido por carga desbalanceada y deber del sistema |
| Clasificación de corriente de falla | 400-1,200 A por 10 s / 30 s | Debe coincidir con el tiempo de desconexión del relé |
| Clase de voltaje | 480 V a 35 kV | Coincidir con el voltaje línea a línea del sistema |
| Impedancia de secuencia cero | 5-10% típico en base a 10 s | Controla cómo se establece el neutro |
| Clase de aislamiento | Clase B / F / H (seco), sumergido en aceite según IEC | La misma lógica que un transformador de potencia |
| Normas | IEC 60076-1, IEEE C57.12.00, IEEE C57.32 | Más IEEE 142 (prácticas de puesta a tierra) |
Sea preciso al especificar el ciclo de trabajo al redactar la especificación. Un transformador zigzag clasificado para 10 segundos a una corriente de 1,000 A es totalmente diferente a uno clasificado para 1 minuto a la misma corriente, y los fabricantes los valoran de manera diferente. La clasificación de tiempo de falla debe ser compatible con el tiempo máximo de desconexión del sistema de protección para que el transformador nunca se le pida llevar corriente de falla más allá de su capacidad nominal.
Dónde se instalan los transformadores de puesta a tierra
- Plantas de fabricación con sistemas enlazados en delta: producción de alimentos, productos químicos, plantas de cemento y minería donde el devanado del transformador líder es delta y no hay cable neutro.
Puesta a tierra neutra de generadores: generadores diésel y de gas natural cuyos devanados están conectados en delta para hacer posible realizar la puesta a tierra por resistencia y la detección de fallas a tierra con éxito.
Instalaciones marinas y en alta mar: lugares donde tradicionalmente se utilizaba un sistema no conectado a tierra, pero las prácticas modernas requieren la presencia de un referente.
Subestaciones de transformadores de servicios públicos: proporcionando un punto neutro para alimentadores de distribución de tres hilos y proporcionando carga auxiliar de la estación (conexión estrella-delta).
Edificios con 480 V delta: electrificación con cargas que son iguales a 277 V, lo cual no se puede lograr con la salida secundaria delta.
Instalaciones de energía renovable: granjas que utilizan inversores con transformadores delta donde el transformador de tierra proporciona protección contra fallas a tierra. Si la conexión en la placa de su transformador es Dd0 o Dyn11 y no hay neutro disponible y sus cargas incluyen algún equipo monofásico, puede ser un candidato apropiado para un transformador de tierra incluso antes de que el registro de fallas empeore.Aquí están los tamaños de transformadores de puesta a tierra según la configuración estándar de sistemas (en caso de neutro a tierra resistivo y duración de la falla de 10 segundos):
| Voltaje del sistema | Tamaño del servicio | Clasificación típica de Zigzag (Continua) | Clasificación típica de falla | Precio indicativo |
|---|---|---|---|---|
| 480 V delta | 500-1,500 kVA | 100-150 kVA | 400 A / 10 s | $1,500-$3,500 |
| 3 kV / 6.6 kV | 1-5 MVA | 150-300 kVA | 400-600 A / 10 s | $2,500-$6,000 |
| 11 kV | 2-10 MVA | 250-500 kVA | 600-800 A / 10 s | $4,000-$10,000 |
| 22 kV / 33 kV | 10-30 MVA | 500-1,000 kVA | 800-1,200 A / 10 s | $8,000-$20,000 |
Comparación de marcas y precios
| Marca | Origen | Especialización | Rango de precios aproximado |
|---|---|---|---|
| ABB | Suiza/Suecia | Paquetes completos de transformadores de puesta a tierra y NGR | $5,000-$30,000+ |
| Siemens | Alemania | Transformadores de distribución y puesta a tierra para servicios públicos | $6,000-$35,000+ |
| Hitachi Energy | Suiza | Grandes unidades de puesta a tierra para subestaciones | $8,000-$40,000+ |
| Schneider Electric | Francia | Transformadores zigzag para sistemas industriales de LV/MV | $4,000-$20,000 |
| GE / Eaton | EE. UU. | Transformadores de puesta a tierra de LV para servicios de 480 V | $2,500-$15,000 |
| Jiangsu Subian Electric Power | China | Transformadores zigzag y wye-delta de puesta a tierra, probados según IEC 60076 | $1,800-$12,000 |
Proveedores internacionales como ABB, Siemens, Hitachi Energy y Schneider Electric fabrican transformadores de puesta a tierra de alta calidad, y establecen el estándar en calidad y documentación. Sin embargo, sus precios reflejan los altos costos de fabricación y los largos tiempos de entrega de transformadores zigzag a medida. Jiangsu Subian Electric Power proporciona transformadores zigzag y wye-delta que cumplen con las normas IEC 60076-1 y se entregan junto con todos los informes de prueba rutinarios, como impedancia de secuencia cero, aumento de temperatura y rendimiento en caso de falla. Subian entrega transformadores en todo el mundo, ofrece clases de voltaje personalizadas que van desde 400 V hasta 35 kV, y generalmente tiene precios alrededor de 40-60% de precios para productos europeos similares. En cuanto a cualquier equipo de puesta a tierra, es mejor comprar un transformador barato de un fabricante que esté dispuesto a proporcionar datos de prueba que omitir este tipo de transformadores por completo.
Cómo seleccionar el transformador de puesta a tierra adecuado
Verifique si el sistema está realmente sin conexión a tierra. Confirme el grupo de conexión del transformador utilizado (Dyn11, Dd0). Asegúrese de que no haya neutro disponible.
Después de confirmar el sistema sin conexión a tierra, determine el tipo de puesta a tierra que se implementará y la corriente de falla esperada (100-400 A para un sistema industrial con puesta a tierra por resistencia).
Calcule la clasificación en kVA de la unidad teniendo en cuenta la carga desbalanceada en el peor de los casos y la corriente de neutro durante las fallas. La clasificación estándar es típicamente de 100-500 kVA.
Identifique la clasificación de falla, que debe incluir valores de corriente y tiempo (600 A durante 10 segundos) y asegúrese de que corresponda a los tiempos máximos de disparo del inversor.
Asegúrese de que se cumplan completamente la clase de voltaje y los requisitos de aislamiento. Un transformador para el sistema de 11 kV debe ser probado a las clasificaciones máximas de BIL.
Elija la opción zigzag a menos que se requiera energía auxiliar. En ese caso, se debe utilizar wye-delta.
Solicite el informe de prueba. Las pruebas que confirmen el diseño basado en la impedancia de secuencia cero y las pruebas de aumento de temperatura deben realizarse de acuerdo con las normas IEEE C57.12.90 e IEC 60076.
Notas de instalación y protección
En operación normal, el transformador necesita ser protegido contra sobrecargas porque no pasa mucha corriente. Los fusibles y los interruptores automáticos se instalan típicamente en el lado primario y están clasificados para no operar bajo condiciones normales y balanceadas, sino para interrumpir la corriente en caso de una falla interna o sobrecarga prolongada. Además, el neutro debe estar conectado a tierra a través de una impedancia de puesta a tierra (ya sea resistor o reactor), y esta conexión debe consistir, de acuerdo con la corriente de falla, ya sea de un busbar o de un cable grueso.
Monitorear la temperatura es importante. A diferencia del caso de un transformador de carga regular, debido a la naturaleza de las corrientes de secuencia cero, el núcleo y el devanado se calentarán de manera diferente. Muchos sistemas añaden un indicador de temperatura con contactos de alarma y establecen el período de mantenimiento requerido para que las conexiones puedan ser probadas con infrarrojos varias veces al año. El resistor de puesta a tierra debe estar ubicado en un recinto protegido contra las inclemencias del tiempo y ventilado y tener un termómetro, ya que el resistor está diseñado para trabajar a una temperatura de varios cientos de grados Celsius.
Preguntas Frecuentes
¿Cuánto cuesta un transformador de puesta a tierra?
Los precios de una unidad zigzag de 100-300 kVA estarán entre $2000 y $6000 en un rango de voltajes, entre 480 V y 11 kV. El precio de unidades de 500-1,000 kVA generalmente varía entre $6000 y $15,000. El costo de unidades tipo subestación de 1500-3000 kVA puede ser de $15,000 y más. Los precios varían según la clasificación de voltaje, la clasificación de falla y la marca, y los precios cotizados por empresas chinas generalmente son entre 40-60% más baratos que los precios de empresas europeas para unidades con las mismas especificaciones.
¿Qué tamaño de transformador de puesta a tierra necesito?
La determinación del tamaño debe basarse en las fallas. Con la carga de corriente de falla, el transformador de puesta a tierra debe ser adecuado para el servicio industrial de 2000 kVA en un sistema delta de 11 kV. Para ser más precisos, para un servicio industrial de 2000 kVA en un sistema delta de 11 kV y con un resistor de puesta a tierra de 200 A, se considera que un transformador tipo zig-zag de 250-400 kVA y 200 A durante 10 segundos es un equipo generalmente viable. Consulte a su ingeniero para confirmar la carga de secuencia cero, ya que un transformador subdimensionado puede llevar a fallas durante la primera falla.
¿Puede un transformador de puesta a tierra suministrar corriente de carga?
Ineficazmente, en la unidad zigzag. El transformador zigzag prácticamente no está bajo ninguna carga eléctrica en ausencia de lo que se llama una corriente desbalanceada. Si se requiere una conexión a tierra con la capacidad de llevar la carga monofásica, es posible utilizar un transformador de puesta a tierra tipo estrella-delta, que tiene su primario diseñado en configuración estrella y, por lo tanto, puede suministrar cargas auxiliares requeridas para diversos propósitos, mientras que la configuración delta funciona como el conductor de secuencia cero.
¿Cuál es la diferencia entre un transformador de puesta a tierra y un resistor de puesta a tierra (NGR)?
Son complementarios, no alternativas. El transformador de puesta a tierra crea el punto neutro en un sistema delta; el NGR es la impedancia conectada entre ese neutro y tierra que limita la corriente de falla a un valor de diseño. Un NGR de 200 A limita una falla a tierra a 200 A independientemente del nivel de falla potencial del sistema, lo que protege el equipo y limita la energía de arco eléctrico.
¿Es seguro seguir operando un sistema no conectado a tierra con fallas a tierra ocasionales?
No, y este es el error más costoso en la filosofía de puesta a tierra. La primera falla a tierra no se restablece en un sistema no conectado a tierra, sino que aumenta el voltaje de las otras dos fases al voltaje línea a línea y pone el aislamiento bajo 1.73 veces el voltaje aplicado. Una segunda falla a tierra en una fase diferente crea un cortocircuito fase a fase a través de tierra con una magnitud de corriente posiblemente de decenas de kiloamperios junto con transitorios de voltaje cero de 4-5 veces; esta es exactamente la secuencia de fallas que daña motores e instalaciones de cableado.
Referencias
- IEEE 142 — Práctica recomendada para la puesta a tierra de sistemas de energía industriales y comerciales — El Libro Verde; la guía definitiva sobre por qué y cómo poner a tierra sistemas industriales.
- IEEE C57.32 — Requisitos, Terminología y Procedimientos de Prueba para Dispositivos de Puesta a Tierra Neutra — Cubre NGRs, reactores y sus pruebas.
- IEC 60076-1 — Transformadores de potencia, Requisitos generales — La base de prueba y clasificación para diseños de transformadores de puesta a tierra.
- Eaton — Protección de Puesta a Tierra y Fallas a Tierra — Orientación práctica sobre el diseño de sistemas de puesta a tierra para instalaciones de baja tensión.
- OSHA 3075 — Control de Peligros Eléctricos — Contexto de seguridad eléctrica en el lugar de trabajo para los requisitos de puesta a tierra.
- Hitachi Energy — Productos de Transformadores — Especificaciones de referencia para ofertas de transformadores de puesta a tierra.
Conclusión
Si está operando un sistema delta no conectado a tierra, debería quedar claro que los transformadores de puesta a tierra no son una compra insignificante; es una solución de ingeniería diseñada para abordar una serie de problemas inminentes que sin duda llevarán a una falla masiva del sistema. Las principales funciones del transformador de puesta a tierra son proporcionar una conexión a tierra para su sistema, permitir la restricción de la corriente incidente mediante un resistor, garantizar la selectividad de la protección y eliminar el impacto del voltaje pico en todo el equipo conectado.
Conozca el grupo de conexión de su sistema antes de decir que tiene neutro.
Use un transformador zigzag para una puesta a tierra pura y un transformador estrella-delta si hay necesidad de carga adicional.
Elija dimensiones basadas en las clasificaciones de falla y compare la clasificación de 10s con la duración del disparo del relé.
Asegúrese de tener la impedancia de secuencia cero especificada en el informe de prueba.
Para transformadores de puesta a tierra zigzag y estrella-delta certificados construidos según IEC 60076-1 con informes de prueba y precios directos de fábrica, contacte Jiangsu Subian Electric Power a través de su sitio web en www.subian-electric.com y envíeles el voltaje de su sistema, el objetivo de corriente de falla y el ciclo de trabajo.