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Una descripción general del transformador de puesta a tierra.
Oct 13, 2025
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Un transformador de puesta a tierra, también conocido como transformador de puesta a tierra, es un tipo de transformador auxiliar utilizado en sistemas de energía eléctrica trifásicos -. Por lo general, se emplea en sistemas de energía sin un punto neutral natural para proporcionar una conexión neutral artificial para la conexión a tierra, ya sea directamente o mediante una impedancia como un reactor de supresión de arco, una resistencia o un reactor limitador de corriente -. Durante fallas a tierra de línea - a -, ofrece una ruta de baja impedancia - para corrientes de falla de secuencia cero - (al tiempo que presenta alta impedancia para corrientes de secuencia positiva y negativa), limitando las corrientes de falla y las sobretensiones transitorias para garantizar un funcionamiento confiable del sistema de protección de puesta a tierra; además, normalmente transporta corriente de tierra de circuito - de cortocircuito hasta que el disyuntor soluciona la falla, por lo que tiene clasificaciones de tiempo - cortas. La clasificación de kVA de un transformador de puesta a tierra depende de la tensión de la línea normal - a - del neutro y del valor de la corriente de falla dentro de un tiempo específico, como de segundos a minutos. Además, puede adoptar un devanado secundario (bajo - voltaje) para suministrar energía continuamente a las estaciones de subestación, y permite que los sistemas trifásicos - conectados en delta - acomoden cargas de fase - a - neutral al proporcionar una ruta de retorno para la corriente al neutro; durante fallas monofásicas -, limita la corriente de falla en el neutro para mejorar la restauración de la línea eléctrica.
I. Tipos de transformador de puesta a tierra
1. Transformador de puesta a tierra conectado Yₙ,d-
Es un transformador trifásico-conestrella-conectada (Yₙ, con un cable neutro)devanado primario y undelta-conectado (d)devanado secundario.
El devanado secundario conectado en delta-puede transportar corriente circulante para equilibrar la corriente en el devanado primario.
El devanado secundario en triángulo también se puede conectar comodelta abierto; Al insertar resistencias o reactores en el extremo abierto, se puede ajustar la impedancia de secuencia cero-del transformador de puesta a tierra.
Además, los terminales del devanado secundario se pueden sacar para servir como fuente de energía auxiliar para la subestación.
2. Transformador de puesta a tierra conectado en Zₙ-(conectado en zig-zag-)
Es un transformador trifásico-condevanados conectados en zig-zag-.
Debido al modo de conexión inherente de los devanados en zig-zag, las corrientes de falla se pueden equilibrar mutuamente entre dos devanados conectados en serie-.
Se puede agregar un devanado de bajo-voltaje a este transformador para que actúe como fuente de energía auxiliar para la subestación.
Notas adicionales sobre operación y estructura
- Estructura: Los transformadores de puesta a tierra son estructuralmente similares a los transformadores de potencia ordinarios de tipo-núcleo-trifásico.
- funcionamiento normal: Sólo la corriente de excitación fluye a través del lado primario del transformador de puesta a tierra; el lado secundario (si está presente) no tiene corriente.
- Falla a tierra monofásica-: Tanto los devanados conectados en delta-del transformador principal de la subestación como los devanados trifásicos-del transformador de puesta a tierra transportan corriente de cortocircuito-. Al seleccionar correctamente la impedancia limitadora de corriente-Z, la corriente de cortocircuito-por fase se puede controlar para que no exceda la corriente de fase nominal de los devanados del transformador principal. La duración estándar de dicha corriente de cortocircuito-es de 10 segundos.
II. El principio de funcionamiento del transformador de puesta a tierra.
En funcionamiento normal, el devanado primario del transformador de puesta a tierra se conecta a los conductores de fase del sistema eléctrico, mientras que su devanado secundario está puesto a tierra. En este momento, el transformador funciona como un transformador convencional, aumentando o disminuyendo el voltaje según los requisitos.
Para limitar las corrientes de falla, la impedancia del transformador de puesta a tierra, junto con cualquier resistencia o reactor de puesta a tierra adicional, restringe la magnitud de las corrientes de falla que fluyen a través del sistema. Al controlar estas corrientes de falla, el transformador de puesta a tierra ayuda a mantener la estabilidad del sistema y protege los equipos sensibles contra daños.
Cuando surge una falla (como una falla de línea-a-tierra) en el sistema, las corrientes de falla fluyen a través del devanado secundario del transformador de puesta a tierra hasta tierra. Esto crea una ruta de baja-impedancia para que las corrientes de falla se disipen de manera segura, evitando daños al equipo y reduciendo el riesgo de peligros eléctricos.
En términos de seguridad y protección, el transformador de puesta a tierra garantiza la seguridad del personal y los equipos en el sistema eléctrico al proporcionar un camino confiable a tierra. Ayuda a prevenir descargas eléctricas, incendios y otros peligros asociados con condiciones de falla, contribuyendo así a un entorno de trabajo más seguro y una mayor confiabilidad del sistema.
III. La función del transformador de puesta a tierra
El transformador de puesta a tierra es un equipo eléctrico especializado desarrollado para abordar la falta de puntos neutros en configuraciones específicas de la red eléctrica y garantizar el funcionamiento seguro del sistema cuando ocurren fallas a tierra. Sus funciones principales y características de trabajo se reflejan principalmente en los siguientes aspectos:
1. Proporcionar un punto neutral artificial para equipos clave
En sistemas de puesta a tierra de pequeña-corriente, la bobina de supresión de arco es crucial para compensar la corriente capacitiva de puesta a tierra cuando la red eléctrica tiene una falla a tierra monofásica-. Sin embargo, el lado conectado en delta-del transformador principal (una configuración común para el lado de voltaje de distribución de los transformadores principales en redes eléctricas de 6 kV, 11 kV y 33 kV) no tiene un punto neutro natural, lo que hace imposible instalar la bobina de supresión de arco directamente.
El transformador de puesta a tierra soluciona este problema creando unapunto neutro artificial. Este punto neutro no sólo permite la conexión eficaz de la bobina de supresión de arco sino que también proporciona un punto de conexión para la resistencia de puesta a tierra. Cuando la red eléctrica adopta un modo de operación con neutro sin conexión a tierra (un modo común en las primeras etapas de la construcción de la red eléctrica debido a su simplicidad y baja inversión), el punto neutro artificial establecido por el transformador de puesta a tierra se convierte en un prerrequisito clave para la protección de fallas posterior.
2. Mitigar los riesgos de los sistemas neutros sin conexión a tierra y garantizar una acción de protección confiable
En sistemas neutros sin conexión a tierra, aunque el voltaje de línea permanece simétrico cuando ocurre una falla a tierra monofásica-(lo que tiene poco impacto en el consumo continuo de energía de los usuarios), esta ventaja solo se mantiene cuando la corriente capacitiva de conexión a tierra es pequeña (menos de 10 A; las fallas transitorias pueden incluso extinguirse automáticamente). Con la expansión de la industria eléctrica y el aumento de los circuitos de cables urbanos, la corriente capacitiva de puesta a tierra suele superar los 10 A, lo que genera tres riesgos principales:
Extinción y reencendido intermitente del arco de puesta a tierra, generando sobretensión de puesta a tierra del arco (hasta 4U, donde U es el valor pico de la tensión de fase normal) que daña el aislamiento de los equipos;
Arcos continuos que provocan la disociación del aire, lo que fácilmente conduce a cortocircuitos entre fases-a-fases;
Sobretensión de resonancia ferromagnética, que puede quemar transformadores de tensión o provocar explosiones de pararrayos.
Al conectar una resistencia de puesta a tierra al punto neutro artificial, el transformador de puesta a tierra proporciona suficiente corriente de secuencia cero-y tensión de secuencia cero-para el sistema. Esto permite que el dispositivo de protección de secuencia cero-altamente sensible identifique rápidamente fallas a tierra monofásicas-y corte la línea defectuosa en poco tiempo, evitando fundamentalmente que los riesgos anteriores se expandan y salvaguardando el aislamiento de los equipos de la red y el funcionamiento seguro general de la red eléctrica.
3. Presentar características electromagnéticas especiales para adaptarse a condiciones de falla
El transformador de puesta a tierra tiene características de impedancia únicas para diferentes tipos de corrientes, lo cual es la clave para su funcionamiento estable:
Alta impedancia a corrientes de secuencia positiva y negativa.: En condiciones normales de funcionamiento, sólo fluye una pequeña corriente de excitación a través de los devanados del transformador de puesta a tierra. En este momento, el transformador está en estado descargado (muchos transformadores de puesta a tierra incluso no tienen devanados secundarios, lo que simplifica aún más su estructura para este escenario descargado).
Baja impedancia a corrientes de secuencia-cero: El transformador de puesta a tierra suele adoptar un cableado tipo Z-(zigzag), donde cada bobina de fase está enrollada en dos polos con núcleo de hierro respectivamente. Cuando se genera una corriente de secuencia cero-debido a una falla a tierra, los dos devanados en el mismo polo del núcleo de hierro se conectan en serie con polaridad inversa. Sus fuerzas electromotrices inducidas son iguales en magnitud y opuestas en dirección, anulándose entre sí-lo que da como resultado una impedancia de secuencia cero- extremadamente baja (alrededor de 10 Ω, mucho más pequeña que la de los transformadores ordinarios). Esta baja impedancia garantiza que la corriente de secuencia cero- pueda fluir suavemente a través de la resistencia de puesta a tierra del punto neutro y el transformador de puesta a tierra, creando las condiciones para la protección contra fallas.
Esta característica de impedancia determina también el modo de funcionamiento del transformador de puesta a tierra:operación de descarga-a largo plazo y operación de sobrecarga a corto-plazo. Solo funciona durante el período desde que ocurre una falla a tierra hasta el momento en que la protección de secuencia cero-corta la línea defectuosa y la corriente de falla pasa a través de ella solo brevemente.
4. Mejorar la eficiencia del emparejamiento y reducir los costos de inversión
En comparación con los transformadores ordinarios, el transformador de puesta a tierra tiene ventajas obvias al combinarlo con bobinas de supresión de arco: las regulaciones estipulan que cuando los transformadores ordinarios se utilizan con bobinas de supresión de arco, la capacidad de la bobina de supresión de arco no puede exceder el 20% de la capacidad del transformador; mientras que los transformadores de puesta a tierra tipo Z- pueden igualar bobinas de supresión de arco con entre el 90% y el 100% de su propia capacidad, mejorando significativamente la eficiencia de la compensación de corriente capacitiva.
Además, algunos transformadores de puesta a tierra se pueden conectar a cargas secundarias mientras realizan funciones de protección de puesta a tierra. Esto significa que pueden reemplazar los transformadores de distribución comunes en escenarios específicos, integrando dos funciones en un solo dispositivo y reduciendo efectivamente el costo de inversión general de la construcción de la red eléctrica.
En resumen, el transformador de puesta a tierra no es sólo un "constructor de puntos neutros" para redes eléctricas que carecen de puntos neutros naturales, sino también un "protector de fallas" que optimiza las características de impedancia de corriente y garantiza una acción de protección confiable. Su estructura especial y modo de funcionamiento lo convierten en un equipo clave indispensable en las redes eléctricas modernas, especialmente en redes eléctricas urbanas con grandes corrientes capacitivas.
IV. Aplicación del transformador de puesta a tierra.
La función principal de un transformador de puesta a tierra es proporcionar unapunto neutro de puesta a tierrapara sistemas de energía sin conexión a tierra o con baja-corriente conectada a tierra. Se utiliza principalmente en escenarios donde se requiere conexión a tierra para lograr protección contra fallas y estabilidad de voltaje, abarcando redes de distribución, campos industriales, nuevos sistemas de energía, etc.
1. Redes de distribución de voltaje medio y bajo-
Este es el campo de aplicación más importante de los transformadores de puesta a tierra, especialmente adecuado para sistemas de distribución de media-tensión, como 10 kV y 20 kV.
- La mayoría de las redes de distribución de voltaje medio-adoptan el modo "neutro sin conexión a tierra" o "neutro conectado a tierra a través de una bobina de supresión de arco", e inherentemente carecen de un punto de conexión a tierra neutro natural.
- Los transformadores de puesta a tierra proporcionan un terminal neutro a través de una conexión en estrella (Y), que luego se conecta a tierra con una resistencia de conexión a tierra o una bobina de supresión de arco para lograrmanejo de fallas a tierra monofásicas-.
- Función: cuando ocurre una falla a tierra monofásica-en la línea, puede limitar la corriente de falla, evitar daños al equipo por sobretensión y ayudar a los dispositivos de protección de relés a localizar rápidamente el punto de falla.
2. Sistemas de equipos industriales-de alto voltaje
Los motores, transformadores y otros equipos de alto voltaje- en grandes fábricas y parques industriales a menudo requieren transformadores de puesta a tierra para garantizar la seguridad operativa.
- En los sistemas industriales, los motores de alto-voltaje (6 kV, 10 kV), los equipos rectificadores, etc., si están diseñados con un neutro sin conexión a tierra, son propensos a sufrir cortocircuitos entre fases-a-fases debido a una falla del aislamiento.
- Los transformadores de puesta a tierra proporcionan un punto de conexión a tierra neutro para el sistema de suministro de energía de dichos equipos y cooperan con los dispositivos de protección de conexión a tierra para lograrDetección de corriente de falla y disparo rápido..
- Escenarios típicos: sistemas de suministro de energía de alto-voltaje en industrias petroquímicas, metalúrgicas y mineras, que deben garantizar una producción continua y evitar la expansión de fallas.
3. Nuevos sistemas de generación de energía
Los transformadores de puesta a tierra son equipos de soporte clave en las estaciones de refuerzo y líneas de captación de plantas de energía fotovoltaica y parques eólicos.
- Los inversores y transformadores de tipo caja-en los nuevos sistemas de energía suelen adoptar el diseño de "neutro sin conexión a tierra" para reducir el impacto de las fallas a tierra en la eficiencia de la generación de energía.
- Los transformadores de puesta a tierra proporcionan puntos de conexión a tierra neutros para los sistemas de 110 kV y 35 kV en estaciones de refuerzo y cooperan con resistencias de conexión a tierra para limitar la corriente de falla, protegiendo equipos de precisión como inversores y transformadores.
- Función: Previene el apagado de toda la unidad de generación de energía causado por fallas a tierra monofásicas-y mejora la confiabilidad del suministro de energía de nuevos sistemas de energía.
4. Sistemas de suministro de energía para escenarios especiales-
Algunos escenarios especiales con altos requisitos de seguridad también requieren transformadores de puesta a tierra para lograr una protección precisa de la puesta a tierra.
- Fuente de alimentación de tracción ferroviaria: En las subestaciones de tracción de los ferrocarriles y metros de alta-velocidad, la red de tracción de 27,5 kV adopta un suministro de energía monofásico. Se necesitan transformadores de puesta a tierra para equilibrar el voltaje y suprimir la corriente de secuencia cero-.
- Plataformas petroleras/energía eólica marina: El aislamiento de equipos en ambientes marinos es propenso a la corrosión. Los transformadores de puesta a tierra, junto con los dispositivos de puesta a tierra-resistentes a la corrosión, garantizan la descarga segura de corriente en caso de fallas, evitando daños al equipo o descargas eléctricas personales.
V. Factores clave para seleccionar un transformador de puesta a tierra
1. Voltaje del sistema y modo de conexión a tierra
Haga coincidir el voltaje nominal del transformador con el de la red (6kV/11kV/33kV) para compatibilidad de aislamiento. Seleccione según el tipo de conexión a tierra: los sistemas de bobinas de supresión de arco necesitan modelos que admitan una combinación de bobinas de alta-capacidad; La conexión a tierra de pequeña-resistencia requiere una baja impedancia de secuencia-cero para garantizar la activación de la protección.
2. Diseño de devanado e impedancia de secuencia-cero
Dé prioridad a los devanados de tipo Z-(zigzag), que proporcionan una impedancia de secuencia cero-ultra-baja (~10 Ω) y permiten una utilización del 90 % al 100 % de la capacidad de la bobina de supresión de arco. Asegúrese de que la impedancia se alinee con los requisitos de corriente de falla del sistema para facilitar una transmisión efectiva de corriente de secuencia cero-.
3. Corriente capacitiva de puesta a tierra y dimensionamiento de capacidad
Calculate the grid's total grounding capacitive current (critical for systems >10A). Dimensione el transformador para manejar la corriente de compensación de la bobina de supresión de arco o la corriente de falla a corto plazo-de las resistencias de conexión a tierra, evitando la sobrecarga durante las fallas.
4. Rasgos operativos y capacidad de resistencia
Adáptese a su operación de "largo-plazo sin-carga, corto-sobrecarga": verifique la corriente soportada de corto-tiempo (para tolerar corrientes de falla durante segundos) y priorice la pérdida baja sin-carga para reducir el desperdicio de energía durante el funcionamiento normal.
5. Requisitos ambientales y de instalación
Para entornos hostiles (polvo, humedad, altas temperaturas), elija modelos con niveles de protección adecuados (p. ej., IP54) y resistencia a la corrosión/calor. En áreas-de espacio limitado (estaciones urbanas, aparamenta interior), opte por diseños compactos.
6. Cumplimiento de estándares y certificaciones
Garantice el cumplimiento de los estándares internacionales (IEC 60076) o nacionales (por ejemplo, GB/T 6451). Verificar certificaciones válidas (CE, CCC) para garantizar la seguridad, compatibilidad y confiabilidad en la operación de la red.
VI. Inconvenientes del funcionamiento sin conexión a tierra del punto neutro del transformador
El funcionamiento sin conexión a tierra del punto neutro del transformador tiene las siguientes cinco desventajas:
- Requisitos y costos de alto nivel de aislamiento.: Cuando ocurre una falla de conexión a tierra monofásica-, el voltaje de la fase sin falla-aumenta √3 veces. Como resultado, los equipos eléctricos en el sistema de energía necesitan tener un grado de aislamiento más alto, lo que eleva significativamente tanto el costo de fabricación como el costo de mantenimiento posterior del equipo.
- Peligro de sobretensión en la conexión a tierra del arco: Si la corriente de conexión a tierra monofásica-es pequeña, el arco se extinguirá cuando la corriente pase por cero y la falla desaparecerá. Sin embargo, cuando la corriente supera los 30 amperios, se generará un arco estable, formando una conexión a tierra de arco continuo. Esto no solo daña el equipo sino que también puede causar cortocircuitos bifásicos o incluso trifásicos-.
- Dificultad para seleccionar la protección del relé de puesta a tierra.: Es difícil lograr una protección sensible y selectiva. Especialmente para las redes eléctricas con bobinas de supresión de arco, la configuración y el funcionamiento preciso de dicha protección se vuelven más difíciles, lo que fácilmente afecta la detección y el aislamiento oportunos de fallas.
- La desconexión puede causar sobretensión de resonancia.: Acciones como la rotura de cables, las operaciones de conmutación de interruptores en diferentes momentos y la fusión de fusibles en diferentes períodos pueden provocar una sobretensión de ferrorresonancia. Esta sobretensión puede provocar la explosión del pararrayos, la secuencia de fase inversa de los transformadores de carga y la descarga disruptiva del aislamiento de los equipos eléctricos.
- Sobretensión de resonancia del transformador de tensión electromagnética.: Debido a la asimetría de los parámetros de la red eléctrica, el desplazamiento del punto neutro a menudo provoca una sobretensión de ferroresonancia, que con frecuencia funde el fusible de alto-voltaje del transformador de voltaje electromagnético. En casos severos, puede incluso quemar el propio transformador.
VII. Ventajas del funcionamiento sin conexión a tierra del punto neutro del transformador
- Alta confiabilidad del suministro de energía: Pocos cambios en los voltajes/corrientes trifásicos-durante fallas de conexión a tierra monofásicas-; sin disparos inmediatos, las fallas se solucionan en aproximadamente 2 horas, lo que garantiza energía continua.
- Baja interferencia a los sistemas de comunicación/señal: interferencia electromagnética débil bajo funcionamiento simétrico trifásico-; una pequeña corriente de conexión a tierra causa un impacto mínimo; Los arcos se autoextinguen en sistemas pequeños (p. ej., redes rurales).
- Facilita la detección y ubicación de fallas: una pequeña corriente de conexión a tierra distintiva ayuda a los dispositivos de protección a identificar y localizar fallas.
- Reduce la demanda de dispositivos limitadores de corriente-: la pequeña corriente de conexión a tierra elimina la necesidad de equipos limitadores de corriente-de gran capacidad-, lo que reduce costos y simplifica el diseño.
- Mejor control de sobretensión en escenarios específicos: más fácil de controlar las fluctuaciones de voltaje durante procesos normales/transitorios, lo que reduce los riesgos de daños por sobretensión.
- Mejora la estabilidad transitoria del sistema: es más fácil mantener-el equilibrio de voltaje trifásico durante los transitorios, lo que reduce los impactos en los equipos clave y evita problemas en cascada.
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