Transformadores de puesta a tierra: cuándo especificar una unidad en zigzag y cómo asignarle correctamente su calificación

La primavera pasada, un ingeniero de planta de Ohio nos envió un correo electrónico acerca de un anillo de 13,8 kV que alimentaba tres edificios productivos. Una falla de fase a tierra había estado recorriendo ese sistema durante dos semanas: los relés de protección prácticamente no detectaban nada, porque el anillo constituía un sistema sin conexión a tierra sin una trayectoria de secuencia cero para que la corriente de falla regresara. Para cuando su contratista halló la empalme de cable quemado, ya habían fallado dos variadores de velocidad para motores de 500 hp en las fases sanas. La solución que encargó fue un transformador de puesta a tierra de clase 15 kV transformador de puesta a tierra con devanado en zigzag. Su pregunta para nosotros fue breve: «¿Qué calificación de corriente debo indicar en la orden de compra: 10 segundos o continua?»

Esa pregunta es más frecuente de lo que debería ser, y precisamente ahí es donde los pliegos de especificaciones cometen errores. A continuación explicamos a los compradores lo que les decimos cuando esa pregunta surge en sus proyectos.

 

 

Qué hace realmente un transformador de puesta a tierra

No es un transformador de distribución en el sentido habitual. Una unidad de puesta a tierra como esta casi no soporta carga durante su funcionamiento normal. Su función consiste en crear un punto neutro artificial en un sistema que carece de uno —típicamente un sistema conectado en triángulo o un sistema conectado en estrella cuya borna neutra no está disponible o no se permite conectar directamente a tierra.

Cuando ocurre una falla entre fase y tierra en un sistema sin conexión a tierra, la corriente de falla no tiene dónde fluir, salvo a través de la capacitancia distribuida de los cables y los devanados, la cual es pequeña. Por lo tanto, la protección no puede despejar la falla, y el sistema sigue operando con una fase a potencial de tierra, mientras que las fases sanas se elevan al voltaje de línea a línea completo —aproximadamente 1,73 veces el voltaje de fase normal, con posibles sobretensiones transitorias durante arcos intermitentes. Los motores y los cables conectados a las fases sanas soportan esta tensión, lo que provoca fallos de aislamiento, frecuentemente semanas después y lejos del lugar real de la falla.

Conecte una unidad en zigzag con su neutro conectado a tierra, y la imagen cambia. El devanado ofrece una trayectoria de secuencia cero de baja impedancia; la corriente de falla regresa a través del transformador, y los dispositivos de protección finalmente la detectan y disparan. En un devanado en zigzag (estrella interconectada), cada fase conduce aproximadamente un tercio de la corriente de falla de secuencia cero, razón por la cual estas unidades son físicamente pequeñas en comparación con la carga que protegen.

 

Zigzag frente a Estrella-Triángulo: ¿Qué tipo de devanado debe incluirse en sus especificaciones?

Los compradores nos preguntan acerca de dos formas comunes de construir un transformador de puesta a tierra : el zigzag y el estrella-triángulo.

Comparación	Zigzag (estrella interconectada)	Estrella-Triángulo
Corriente de carga normal	Casi nula — solo corriente de magnetización	También puede alimentar una carga auxiliar en triángulo si así se especifica
Impedancia de secuencia cero	Bajo, controlable por diseño	Bajo, establecido por la geometría del devanado
Tamaño físico	Compacto, de menor costo	Más grande, de mayor costo
Uso típico	Función exclusiva de puesta a tierra en sistemas de 480 V a 34,5 kV	Puesta a tierra más carga auxiliar o de servicio de estación
Valores nominales comunes	400 A durante 10 s; continuo para servicio HRG	A menudo clasificado para servicio continuo

Para un proyecto cuya única necesidad es un punto neutro, el transformador en zigzag es casi siempre la opción correcta: es más pequeño, más económico y más fácil de montar dentro de un recinto exterior. Fabricamos ambos tipos en nuestra fábrica, pero aproximadamente nueve de cada diez pedidos de puesta a tierra que enviamos son unidades en zigzag. Especifique conexión estrella-triángulo únicamente cuando la unidad deba alimentar también una carga auxiliar, como un tablero de servicios de estación en el lado triángulo.

 

Clasificación continua frente a clasificación de corta duración: la decisión de especificación que más importa

Esta es la decisión que provocó la llamada telefónica del ingeniero de Ohio y es la que cometen error la mayoría de los compradores.

A transformador de puesta a tierra que funciona con un sistema de puesta a tierra de baja resistencia está diseñado para funcionamiento de corta duración . El resistor de puesta a tierra del neutro (NGR) limita la corriente de falla a tierra a un valor establecido —comúnmente 400 A, a veces 200 A o 600 A— y el esquema de protección elimina la falla en cuestión de segundos. Por lo tanto, el transformador está clasificado para soportar dicha corriente durante una duración definida, normalmente 10 segundos, según los procedimientos de ensayo IEEE C57.32. Clasificar una unidad de corta duración como «continua» implica un gasto innecesario en cobre y núcleo; clasificar una unidad de servicio continuo como «10 segundos» representa un riesgo para la seguridad.

En un conexión a tierra de alta resistencia (HRG), la corriente se limita intencionalmente a aproximadamente 5 A o 10 A, y el sistema sigue operando con la falla activa mientras el personal de mantenimiento la localiza. Esa unidad debe estar clasificada continuo para servicio continuo, porque conduce corriente de forma indefinida. Confundir ambos tipos en una especificación es el error más frecuente que observamos en las solicitudes de cotización (RFQ): un comprador escribe «transformador de puesta a tierra, 400 A» y omite el ciclo de trabajo, por lo que el fabricante cotiza la máquina incorrecta.

 

Poner a tierra el sistema primero: sin conexión a tierra, sólida, de baja resistencia o HRG

Antes de que nadie pueda calificar una unidad de puesta a tierra, debe decidirse la filosofía del sistema de puesta a tierra, porque esta determina la corriente, el régimen de servicio y el esquema de protección.

• Sistemas sin conexión a tierra son legales en muchos códigos industriales —el Artículo 250.21 de la NEC aún los permite—, pero toleran la primera falla de forma silenciosa y exponen al equipo sano a sobretensiones. Esta es la configuración que normalmente impulsa a los compradores a añadir una unidad de puesta a tierra posteriormente.
• Sistemas en estrella con conexión sólida a tierra no requieren una unidad de puesta a tierra cuando el neutro está disponible y su uso está permitido. Las unidades en zigzag aparecen cuando el neutro no es accesible o no se permite la conexión sólida a tierra.
• Sistemas con conexión a tierra de baja resistencia (típicamente 200–800 A, régimen de servicio de 10 segundos) son la opción estándar para la distribución industrial de media tensión. Una unidad en zigzag más una resistencia de puesta a tierra (NGR) ofrecen detección fiable de fallas con daños limitados en el punto de falla.
• Sistemas con conexión a tierra de alta resistencia los sistemas (5–10 A, continuos) mantienen la planta en funcionamiento tras una única falla, con una alarma; son comunes en procesos de 480 V que no pueden permitirse una parada no planificada. La norma NEC 250.36 regula la conexión a tierra resistiva de alta resistencia (HRG) en sistemas de 480 V a 1000 V.

Como referencia, la práctica de puesta a tierra que determina cuál de estas opciones se adapta a su planta se describe en la Práctica recomendada IEEE 142 para la puesta a tierra de sistemas eléctricos industriales y comerciales , que consideramos como línea base cada vez que un cliente nos solicita revisar su filosofía de sistema.

 

Qué debe figurar en la hoja de especificaciones

Cuando envíe una solicitud de cotización (RFQ) para un transformador de puesta a tierra nGR

1. Una hoja de especificaciones completa responde estos puntos —y un ingeniero de cotización detecta inmediatamente si alguno falta:
2. Tensión entre líneas del sistema y frecuencia (por ejemplo, 13,8 kV, 60 Hz), y la clase BIL requerida para el sistema de aislamiento. método de puesta a tierra del neutro: baja resistencia, con corriente y tiempo del NGR (400 A, 10 s), o HRG en servicio continuo (5 A o 10 A).
3. Regulación continua o de corta duración, indicada explícitamente; nunca dejar esto a la inferencia.
4. Si se incluye una resistencia de puesta a tierra neutra y su valor óhmico, ya que el devanado en zigzag por sí solo no limita la corriente.
5. Carcasa y entorno: interior, exterior, estilo montado sobre pedestal o montado sobre estructura de subestación, además de la clase de temperatura.
6. Norma de ensayo aplicable: fabricamos y ensayamos según IEEE C57.32 , que cubre los requisitos, la terminología y los procedimientos de ensayo para dispositivos de puesta a tierra neutra, incluidos los ensayos de elevación de temperatura y de corriente de corta duración.
7. Disposición del devanado en triángulo o en zigzag, y si la unidad debe soportar alguna carga auxiliar.

A transformador en zigzag para un sistema de clase 15 kV, 400 A durante 10 segundos, es una máquina pequeña y ligera comparada con los transformadores de distribución que la rodean. Pero «pequeña» no significa sencilla: la impedancia de secuencia cero, la coordinación del aislamiento en el neutro y la capacidad térmica de corta duración deben diseñarse rigurosamente, no improvisarse.

 

Cómo fabricamos y ensayamos las unidades de puesta a tierra en Ryan

 

 

Desde 2023 trabajamos como socio oficial de empresa conjunta de Eaton, y esa cooperación determina nuestra forma de tratar unidades especializadas como esta: pasan por la misma disciplina que nuestra línea principal de distribución, no como un trabajo secundario. Nuestra fábrica de 120 000 m² opera con más de 180 conjuntos de equipos, y los transformadores de puesta a tierra salen de la planta únicamente tras emitirse un informe de prueba de fábrica que incluye ensayos de relación de vueltas, resistencia de aislamiento, tensión aplicada y tensión inducida, y, cuando la potencia nominal lo exige, un ensayo de corriente de corta duración presenciado por nuestro equipo de aseguramiento de calidad.

Un hábito del área de pruebas: cuando la solicitud de cotización (RFQ) de un cliente indica únicamente «transformador de puesta a tierra» y nada más, realizamos una llamada previa a la emisión de la cotización. Durante el último año hemos detectado especificaciones que habrían llevado al envío de una unidad con calificación continua para una aplicación de régimen de 10 segundos, y de un transformador en zigzag pedido para un sistema que en realidad requería un transformador en estrella-triángulo con carga auxiliar. Esas preguntas toman cinco minutos por teléfono y evitan meses de problemas posteriores.

 

Conclusión para los compradores

Si su instalación opera un sistema de media tensión sin conexión a tierra o un sistema delta en el que no está disponible un neutro sólido, un transformador de puesta a tierra con devanado en zigzag es la solución práctica: proporciona una ruta de secuencia cero para la protección, limita las sobretensiones en los equipos sanos y permite finalmente que los relés detecten fallas a tierra. Seleccione el devanado según si necesita capacidad de carga auxiliar, y seleccione el ciclo de trabajo según su método de puesta a tierra: calificaciones de 10 segundos para sistemas de baja resistencia limitados por NGR, y calificaciones continuas para HRG.

Envíenos su tensión del sistema, su filosofía de puesta a tierra y su corriente de falla objetivo, y le confirmaremos la calificación antes de que realice su compromiso. Envíe un correo electrónico a [email protected]o solicite una cotización mediante la página de contacto: la revisión de especificaciones es gratuita y constituye el paso clave para evitar que un sistema sin conexión a tierra se convierta en una interrupción no planificada.

 

Sobre el autor

Ryan Electric es un fabricante de transformadores en China, fundado en 2007, que atiende a empresas eléctricas, centros de datos y clientes industriales en Norteamérica, el sudeste asiático y el Medio Oriente. Este artículo fue elaborado por nuestro equipo de ingeniería y contenido, basándose en la experiencia obtenida durante las pruebas realizadas en fábrica y en los comentarios recibidos en campo sobre proyectos de transformadores enviados a nivel mundial.