Guía de transformadores Zig-Zag

 

Esta guía proporciona una descripción general completa de las configuraciones de devanados de propósito-especial-de los transformadores en zigzag ampliamente utilizadas para conexión a tierra, mitigación de armónicos, mejora de la calidad de la energía y conversión de energía CA-CC en sistemas eléctricos modernos. La guía cubre los principios fundamentales de operación, características técnicas, consideraciones de diseño, comparación con esquemas de puesta a tierra alternativos y escenarios de aplicación detallados que incluyen puesta a tierra del neutro del sistema, cancelación de armónicos y sistemas integrados de conversión de energía. La guía también incluye consideraciones prácticas para la selección, el tamaño, la protección y el cumplimiento de estándares relevantes como IEEE C57.105 e IEC 60076.

Los sistemas eléctricos trifásicos-modernos a menudo funcionan con transformadores secundarios-conectados en delta, que carecen de un punto neutro natural para fines de conexión a tierra. En términos más generales, los sistemas trifásicos-sin conexión a tierra-ya sean configuraciones en triángulo u otras fuentes-presentan importantes desafíos operativos, incluida la ausencia de una referencia a tierra definida, el riesgo de sobretensiones transitorias durante fallas de línea-a-tierra y dificultades en la detección y localización de fallas. El transformador en zig-zag (también conocido como transformador-en estrella interconectado o de puesta a tierra) se desarrolló para abordar estos desafíos.

Un transformador en zigzag es un transformador-de propósito especial con una configuración de devanado donde cada salida es la suma vectorial de dos fases desplazadas en 120 grados. Cada rama del núcleo magnético se divide en dos secciones de bobinado enrolladas en direcciones opuestas y las bobinas se interconectan en diferentes fases para crear un efecto de cancelación de corrientes equilibradas y al mismo tiempo permitir que las corrientes de secuencia cero-fluyan libremente a través de la conexión neutra.

Si bien la conexión a tierra neutra es la aplicación más destacada, los transformadores en zig-zag han evolucionado hasta convertirse en una plataforma versátil que cumple múltiples funciones: proporcionar una ruta de baja-impedancia para corrientes de falla a tierra-, suprimir armónicos triples, equilibrar corrientes de carga y servir como componente integral en sistemas unificados de conversión de energía de CA-CC.

 

 

 

Aunque la disposición interna puede parecer complicada, el principio de funcionamiento se rige fundamentalmente por la ley de Ampere:-el equilibrio magnético entre los devanados del mismo núcleo dicta que la corriente que fluye en un devanado debe ir acompañada de la corriente correspondiente en el otro devanado de ese extremo.

2.2 Análisis del flujo actual en condiciones de falla

Para apreciar cómo se habilitan las corrientes de secuencia cero-, considere una falla de línea-a-tierra en una fase de un sistema que de otro modo no estaría conectado a tierra. La disposición de devanados conectados cruzadamente-crea una ruta de propagación de corriente interdependiente. La corriente que fluye hacia arriba desde el punto neutro a través del devanado inferior de la fase A pasa a través del devanado superior de la fase C hacia la conexión a la red. Esto induce una corriente correspondiente en el devanado inferior de la fase C, que a su vez se propaga a la red a través de la fase B. La secuencia continúa involucrando a las tres fases. La observación crítica es que todas las corrientes en los devanados superiores, inferiores y la conexión a tierra están en fase entre sí, identificándolas inequívocamente como corrientes de secuencia cero-.

La suma de estas corrientes de secuencia cero-en las tres fases es igual a la corriente total de falla a tierra.. En condiciones normales de funcionamiento equilibrado, los voltajes desfasados-se cancelan y sólo circula una pequeña corriente excitante. Sólo en condiciones de desequilibrio-como fallas a tierra o cargas desequilibradas-las corrientes de secuencia cero-pueden fluir a través del transformador.

2.3 Características de impedancia

En funcionamiento normal, el transformador en zig-zag presenta una alta impedancia a las corrientes de secuencia positiva- y negativa-, lo que lo hace esencialmente invisible para el sistema eléctrico durante condiciones de equilibrio. Sin embargo, para corrientes de secuencia cero-, el transformador presenta una baja impedancia, lo que efectivamente cortocircuita-el neutro a tierra para corrientes de falla.

Los parámetros clave que gobiernan la impedancia de secuencia cero-incluyen el número de vueltas del devanado, la geometría del núcleo, la inductancia de fuga entre las dos mitades de cada rama y las propiedades magnéticas del material del núcleo. La capacidad del diseño del núcleo de hierro para limitar el flujo de flujos armónicos triples-es otra ventaja única que distingue las configuraciones en zig-zag de otros esquemas de puesta a tierra.

2.4 Requisitos críticos de instalación

Una condición de circuito-de fase abierta-como un fusible fundido o una conexión suelta-interrumpe la interdependencia de las corrientes de los devanados. Con una fase desconectada, la cadena de propagación de corriente necesaria para el flujo de secuencia cero-se rompe y el transformador de puesta a tierra ya no puede conducir corriente de falla a tierra. Por lo tanto, los transformadores de puesta a tierra deben estar sólidamente conectados tanto a tierra como a red sin dispositivos mecánicos intermedios de conmutación que puedan interrumpir la continuidad inadvertidamente.

 

 

 

 

Dos tipos principales detransformadores de puesta a tierrase utilizan en sistemas de energía: el transformador en zig-zag (estrella-interconectada) y eltransformador estrella-delta. La elección entre ellos conlleva importantes implicaciones de costo, tamaño y rendimiento.

3.1 Dimensionamiento y potencia nominal

La disposición en zig-zag ofrece una eficiencia considerablemente mayor que la configuración en estrella-triángulo conectada a tierra. En un transformador en zig-zag, cada devanado transporta menos que el voltaje de línea-a-tierra-por un factor de- que permite una clasificación de potencia total más baja:. Por el contrario, un transformador estrella-delta conectado a tierra requierepara la misma corriente neutra. Esta diferencia sustancial hace que los transformadores en zig-zag sean aproximadamente un-tercio más pequeños en kVA que los transformadores en estrella-delta para requisitos de corriente neutra idénticos.

Los fabricantes informan que los transformadores en zig-zag ofrecen un costo menor y una huella física más pequeña que los transformadores en estrella-delta para la misma especificación de impedancia de secuencia cero-, lo que los convierte en la opción preferida en la mayoría de las aplicaciones de puesta a tierra.

3.2 Rendimiento armónico

Los transformadores en estrella-delta hacen circular armónicos triples (3.º, 9.º, 15.º, etc.) dentro del devanado en triángulo, pero no eliminan las corrientes neutrales generadas por cargas desequilibradas. Los transformadores en zig-, por el contrario, recirculan las corrientes del tercer armónico desde el neutro hacia el lado de la carga, reduciendo activamente los armónicos en el lado secundario. Este es un mecanismo fundamentalmente diferente de los transformadores en estrella delta-, donde los armónicos triples simplemente quedan atrapados dentro del circuito delta cerrado.

3.3 Tiempo nominal y servicio térmico

Ambos tipos sirven como dispositivos de corto-tiempo, normalmente clasificados para duraciones de falla de 10-segundos o 1-minutos en lugar de funcionamiento continuo. ANSI/IEEE Std. 32-1972 requiere una calificación continua del 3% para una unidad con calificación de 10-segundos, lo que significa que la calificación de corto tiempo equivale aproximadamente a 33 veces la calificación continua. Un banco con calificación de 1 minuto tiene una calificación actual continua del 7%. Esta característica de servicio intermitente reduce el tamaño y el costo de fabricación en relación con los transformadores de servicio continuo de capacidad equivalente, aunque una gestión térmica cuidadosa sigue siendo esencial.

 

 

 

 

4.1 Impedancia de secuencia cero-

La impedancia de secuencia cero-es posiblemente el parámetro más crítico para el diseño de transformadores en zig-zag. Determina tanto la magnitud de la corriente de falla a tierra-como la regulación de voltaje en condiciones de desequilibrio. La impedancia del transformador por sí sola puede limitar la corriente de falla a los niveles deseados; alternativamente, una resistencia o reactor externo insertado en el neutro proporciona capacidad limitadora adicional.

4.2 Inductancia de fuga y pérdidas sin-carga

Los dos parámetros de diseño más importantes son-las pérdidas sin carga (histéresis y pérdidas por corrientes parásitas) y la impedancia de fuga. Los avances recientes en métodos analíticos y modelado de elementos finitos han permitido un cálculo más preciso de la inductancia de fuga en transformadores en zigzag, lo que beneficia tanto a los investigadores como a los diseñadores de transformadores a la hora de optimizar este tipo. La reactancia de fuga influye en el comportamiento limitante de corriente-del transformador durante fallas y en su rendimiento general de regulación de voltaje.

4.3 Calificaciones-de corto plazo y continuas

Los transformadores de puesta a tierra funcionan con clasificaciones distintivas de corto-tiempo y continuo. Un circuito con un desequilibrio de carga mínimo puede funcionar con un transformador clasificado predominantemente para fallas de corta-duración en lugar de operación continua. La calificación continua para una unidad de 10-segundos suele ser el 3 % de la calificación de tiempo corto-, mientras que para una unidad de 1-minuto es el 7%. Los ejemplos de dimensionamiento ilustran este principio: en un sistema de 12,47 kV que suministra una corriente de falla a tierra de 6000 A, un transformador en zig-zag requeriría una clasificación de corta duración de 24,9 MVA. Esta clasificación intermitente corresponde a una clasificación continua de aproximadamente 0,75 MVA, lo que permite al banco manejar 180 A de corriente neutra de forma continua.

 

 

 

5.1 Desafíos de protección

Proteger redes de media-tensión con transformadores de puesta a tierra en zig-zag es un desafío. La unidad diferencial del transformador puede carecer de sensibilidad para detectar fallas a tierra internas en el lado delta debido a la limitación de corriente en zig-zag inherente combinada con los efectos de la relación del transformador de potencia y las contribuciones de corriente capacitiva de los alimentadores de MT. Una unidad de falla a tierra restringida puede mejorar la sensibilidad, aunque las fallas a tierra externas de fase-fase-con saturación del transformador de corriente requieren atención especial.

Las unidades de comparación direccionales convencionales que comparan el ángulo entre la corriente de tierra y la de neutro no son adecuadas. En cambio, se han propuesto como sustitutos eficaces detectores de fallas externos que supervisan las unidades diferenciales de los transformadores. Para la protección direccional del neutro, las unidades convencionales que comparan el voltaje del neutro y los ángulos de fase de la corriente activan incorrectamente condiciones de falla directa en alimentadores en buen estado; Las unidades direccionales basadas en la magnitud de la impedancia de secuencia cero-ofrecen una solución más confiable.

5.2 Normas aplicables

El diseño, las pruebas y la aplicación de transformadores en zig-zag se rigen por múltiples estándares. IEEE C57.105-2019 describe las conexiones y configuraciones de transformadores en sistemas eléctricos trifásicos-, incluidas todas las combinaciones de delta y estrella, con y sin conexión a tierra, conectadas en T-, en zigzag y otras conexiones especiales, que cubren tanto dos-devanados como autotransformadores. Otros estándares relevantes incluyen IEEE C57.32 para dispositivos de puesta a tierra de neutro, IEC 60076-25 para resistencias de puesta a tierra de neutro e IS 2026/IS 5553 para pruebas y cumplimiento de rendimiento.

Es importante reconocer que IEEE C57.105 se escribió originalmente para sistemas de distribución con voltajes primarios de hasta 34,5 kV, aunque sus principios se extienden más ampliamente.

 

 

 

6.1 Puesta a tierra del neutro del sistema

La aplicación principal y más extendida de los transformadores en zig-zag es crear un neutro conectado a tierra para sistemas trifásicos-sin conexión a tierra-particularmente secundarios de transformadores conectados en delta-y buses de generadores o inversores sin conexión a tierra. Esta aplicación cumple múltiples funciones críticas: reducir la tensión de sobretensión en el aislamiento durante fallas de una sola línea-a-tierra, proporcionar una referencia de tierra definida para relés de protección y permitir el funcionamiento continuo durante condiciones de desequilibrio.

En los sistemas fotovoltaicos y de recursos energéticos distribuidos, los inversores tradicionales a menudo carecen de una conexión neutra sólida, lo que provoca desequilibrios de voltaje y una conexión a tierra ineficaz. Los transformadores en zig-zag establecen un camino estable y de baja-impedancia a tierra, estabilizando el sistema en condiciones de falla. Para redes de media-tensión con conexión a tierra de alta-resistencia, el transformador de conexión a tierra en zigzag combinado con resistencias de conexión a tierra neutras proporciona sensibilidad de detección de fallas sin requerir un disparo inmediato-una configuración que ofrece una protección sólida para procesos industriales críticos.

 

La función de los transformadores Zig Zag:

Parques Eólicos

• Proporciona un punto neutro artificial para sistemas de recolección de voltaje medio-(por ejemplo, 35 kV) para permitir la conexión a tierra.
• Ofrece una ruta de baja-impedancia para fallas de línea única-a-tierra, lo que limita las sobretensiones.
• Suprime los armónicos triples (3.º, 9.º, etc.) de los convertidores de turbinas eólicas.
• Más pequeños y livianos que los transformadores de puesta a tierra Δ-Y, ideales para energía eólica marina

Sistemas solares (FV)

• Establece una referencia de conexión a tierra para el lado de CA del inversor donde el neutro no está disponible
• Mitiga el desequilibrio trifásico-y los armónicos-generados por el inversor
• Mejora la capacidad de paso-de bajo voltaje-(LVRT), evitando la desconexión
• Puede servir como filtro inductor integrado en sistemas de almacenamiento fotovoltaico +

Los dispositivos de interconexión flexibles en las redes de distribución modernas han demostrado el atractivo de la conexión a tierra de transformadores en zig-zag en los lados de media- y baja-tensión, superando a las alternativas de conexión a tierra de gran reactancia y de punto medio en comparaciones integrales de rendimiento.

6.2 Mitigación Armónica

Los transformadores en zig-zag desempeñan un papel importante en la mitigación de los problemas de corriente neutra causados ​​por cargas no-lineales. Los sistemas de distribución trifásicos de cuatro-cables sufren cada vez más sobrecargas de conductores neutros debido a la proliferación de fuentes de alimentación de modo conmutado-, variadores de frecuencia-variables y otras cargas electrónicas no-lineales. El primario conectado en delta-de un transformador de distribución convencional solo elimina los armónicos triples en condiciones de carga perfectamente equilibradas; Las cargas desequilibradas aún generan corrientes neutras.

Los transformadores en zig-zag abordan este problema proporcionando una ruta de baja-impedancia para armónicos triples y al mismo tiempo mantienen una alta impedancia para las corrientes de frecuencia fundamental. El emparejamiento estratégico de transformadores delta-zigzag con delta-estrella puede cancelar los armónicos 5.° y 7.°, ​​logrando efectivamente un rendimiento del sistema de 12-pulsos. Para sistemas más grandes, varios transformadores pequeños en zigzag colocados cerca de las cargas mantienen las corrientes neutrales localizadas, eliminando la necesidad de conductores neutros de gran tamaño y mejorando el equilibrio fundamental de la corriente de carga.

6.3 Conversión de energía CA-CC integrada

Más allá de las funciones tradicionales de calidad de la energía, los transformadores en zig-zag han encontrado aplicación en sistemas unificados de conversión de energía CA-CC que combinan fuentes de energía de red (CA) y fotovoltaica (CC). Las inductancias de fuga del devanado de los transformadores en zig-zag se pueden utilizar como inductancias de refuerzo integradas en sistemas unificados de CA-CC, lo que reduce el número de componentes y el volumen general del sistema en comparación con los diseños convencionales con inductores separados. Los enfoques clásicos con expresiones apropiadas de inductancia de fuga para devanados con geometría rectangular respaldan la metodología de diseño.

Las aplicaciones avanzadas incluyen rectificadores de múltiples-pulsos armónicos-de derivación en zigzag de tres-etapas, doble-toma baja-, donde la configuración del transformador en zigzag admite la corrección del factor de potencia y la atenuación de armónicos en sistemas electrónicos de potencia de alto-rendimiento.

6.4 Instalaciones de laboratorio y de investigación

Las instalaciones de investigación-incluidos aceleradores de partículas y sistemas de distribución de energía experimentales-han implementado transformadores en zig-zag como soluciones rentables-para reducir las corrientes neutras causadas por cargas electrónicas no-lineales. El costo relativamente bajo, la simplicidad, la facilidad de instalación en los sistemas de distribución existentes y la capacidad de mantener localizadas las corrientes neutras hacen que los transformadores en zig-zag sean atractivos en entornos experimentales donde la calidad de la energía afecta directamente la medición y el rendimiento del equipo.

 

 

 

 

7.1 Determinación de los requisitos de corriente de falla a tierra-

El primer paso para dimensionar un transformador en zig-zag es determinar el nivel de corriente de falla a tierra- deseado. Los ingenieros de diseño deben decidir si confiar únicamente en la impedancia interna de secuencia cero-del transformador para la limitación de corriente o insertar una resistencia externa. Para sistemas de puesta a tierra de alta-resistencia, las corrientes de falla generalmente se limitan a 5 a 10 A para sistemas de voltaje medio-. Los sistemas de baja-resistencia pueden permitir corrientes de falla de 200 A o más.

7.2 Cálculo de la clasificación de kVA

Para una corriente neutra dada () y la línea del sistema-a-voltaje a tierra (), la clasificación de kVA-a corto plazo para un transformador en zig-zag es:

También se debe especificar la calificación continua. Para un dispositivo de 10-segundos, la calificación continua equivale al 3 % de la calificación de corto tiempo, mientras que un dispositivo de 1 minuto requiere el 7 %.

7.3 Consideraciones de aplicación

A diferencia de los transformadores de potencia convencionales, los transformadores de puesta a tierra son dispositivos de funcionamiento-intermitente. Su capacidad para soportar altas corrientes de falla durante períodos cortos permite una reducción significativa de costos en comparación con un transformador de servicio continuo-con clasificación equivalente. Sin embargo, los diseñadores deben verificar que la capacidad de resistencia térmica coincida con el tiempo de limpieza esperado de los dispositivos de protección aguas arriba. Los transformadores de conexión a tierra se pueden especificar para conexión a tierra sólida o para uso con una resistencia de conexión a tierra neutra externa-esta última ofrece flexibilidad para controlar la magnitud de la corriente de falla a tierra-.

7.4 Instalación y puesta en servicio

La instalación adecuada en el campo es fundamental para un funcionamiento confiable. Las actividades previas a la puesta en marcha deben incluir pruebas de resistencia de aislamiento, verificación de la relación de devanado y validación del cambio de fase. La integridad de la ruta neutra debe verificarse minuciosamente.-La interrupción de cualquier conexión de fase a la red puede dejar inoperativa la función de conexión a tierra. Las pruebas de puesta en servicio deben validar que el transformador presenta una impedancia de secuencia cero-baja y al mismo tiempo mantiene una impedancia de secuencia positiva- y negativa-alta en condiciones normales de funcionamiento.

Para funcionamiento a 50 Hz o 60 Hz, los gabinetes deben cumplir con los requisitos ambientales para instalación en interiores o exteriores, generalmente con gabinetes ventilados Tipo 3R para uso en exteriores.

 

 

 

8.1 Sensibilidad de continuidad de fase

Una limitación fundamental de los transformadores en zig-zag es su dependencia de que las tres fases estén conectadas. La ausencia de una conexión monofásica a la red interrumpe la propagación de corriente interdependiente del devanado, eliminando la capacidad de conducir corriente de falla a tierra. Esta sensibilidad exige conexiones de fase confiables y es un argumento en contra de la inserción de dispositivos de conmutación que podrían crear inadvertidamente condiciones de circuito abierto-.

A diferencia de los dispositivos de protección independientes, los transformadores de puesta a tierra en zig-zag deben permanecer en servicio continuamente mientras la fuente de alimentación trifásica-está activa. Si se pierde el transformador de conexión a tierra, una sola falla de línea-a-tierra puede causar altos voltajes de fase-a-neutro en fases sin falla, y los desequilibrios de carga pueden provocar cambios de neutro y sobretensiones.

8.2 Saturación bajo inyección de CC

En los sistemas de energía modernos, la inyección de corriente CC-ya sea desde inversores conectados a la red-, perturbaciones geomagnéticas u otras fuentes-puede provocar la saturación del núcleo del transformador de conexión a tierra. La saturación reduce la efectividad del transformador para proporcionar una ruta de tierra de baja-impedancia y puede provocar sobrecalentamiento. Es posible que se requieran precauciones especiales en el diseño o monitoreo adicional para sistemas con un contenido significativo de CC.

8.3 Complejidad de la detección de fallas

Los ingenieros de protección deben reconocer que los relés diferenciales convencionales pueden ser inadecuados para la detección de fallas internas-a tierra con transformadores en zig-zag. Es posible que se requieran esquemas de protección especializados-que incluyen unidades de falla a tierra restringida, detectores de fallas externos y unidades direccionales basadas en magnitud--para una cobertura de protección integral.

 

 

 

Los transformadores en zig-zag son componentes críticos para los sistemas eléctricos trifásicos- modernos. Al proporcionar una ruta de baja-impedancia para corrientes-de secuencia cero y al mismo tiempo presentar una alta impedancia para los componentes de secuencia positiva- y negativa-, cierran la brecha entre los sistemas delta/estrella sin conexión a tierra y los beneficios operacionales y de seguridad de la operación con neutro conectado a tierra.

Las conclusiones clave incluyen:

• Construcción: Seis medios-devanados cruzados-conectados entre fases en un núcleo de tres-extremidades
• Principio de funcionamiento: El equilibrio de giro-de amperios permite el flujo de corriente de secuencia-cero y cancela las corrientes equilibradas.
• Aplicación primaria: Conexión a tierra neutra para sistemas trifásicos-sin conexión a tierra (sistemas generadores o alimentados en delta-)
• Ventajas de rendimiento: Mayor eficiencia y tamaño más pequeño que los transformadores de puesta a tierra en estrella-delta
• Aplicaciones secundarias: Mitigación de armónicos (especialmente armónicos triples), equilibrio de carga, conversión de CA-CC integrada
• Consideraciones de diseño: Dimensionamiento basado en clasificaciones de fallas de corta-duración (10 segundos o 1 minuto), capacidad continua del 3 % al 7 %.
• Requisitos de protección: Se requieren esquemas especializados; La protección diferencial convencional puede ser insuficiente.
• Instalación crítica: Es imprescindible realizar conexiones de fase sólida a la red; sin dispositivos de conmutación en la ruta de conexión a tierra

La selección entre un transformador de puesta a tierra en zig-zag y en estrella-delta depende en última instancia de los requisitos específicos del sistema: necesidades de limitación de corriente de falla, presupuesto y espacio disponibles, requisitos de mitigación de armónicos y el deseo de disponibilidad de energía auxiliar. Para la mayoría de las aplicaciones de puesta a tierra, la eficiencia superior, el tamaño más pequeño y el mejor rendimiento armónico del transformador en zig-zag lo convierten en la opción preferida para instalaciones nuevas.