Explicación de la conexión a tierra del neutro del transformador: comparación de las conexiones a tierra sólida, resistiva y en zig-zag

El plan de interruptores especificaba una conexión a tierra de alta resistencia de 5 A con una resistencia de 10 segundos. El contratista instaló exactamente eso. Nadie midió la corriente de carga del sistema, que, debido al cable blindado de 5 kV, los limitadores de sobretensión y los filtros de entrada del variador en esa planta, ascendía aproximadamente a 6,8 A. En la primera falla fase-tierra, la resistencia soportó toda la corriente capacitiva; el relé de detección nunca registró un aumento y la planta funcionó durante dos días con una fase conectada a tierra. La segunda falla, en una fase distinta, convirtió una molestia en un arco eléctrico fase-fase. Todo se había construido conforme al plano. No obstante, el esquema de conexión a tierra era incorrecto.

Conexión a tierra del neutro del transformador es la decisión de diseño que determina la cantidad de corriente que fluye cuando falla el aislamiento, si la protección se activa o simplemente emite una alarma y cuánta de esa corriente deben soportar el transformador, los cables y el equipo de conmutación. Se toma una sola vez, en la fase de diseño, y normalmente ocupa una única línea de una especificación.

Cuatro métodos cubren casi todos los sistemas industriales, de servicios públicos y de centros de datos: conexión a tierra sólida, conexión a tierra de baja resistencia, conexión a tierra de alta resistencia y conexión a tierra mediante un transformador de conexión a tierra en zig-zag o estrella-delta. Cada uno responde a una pregunta distinta, y la respuesta correcta depende de lo que se desea que haga el sistema ante la primera falla a tierra.

 

Qué determina la conexión a tierra del neutro del transformador

Una falla a tierra completa un circuito entre un conductor de fase y la tierra. La corriente que fluye está determinada por la impedancia de la trayectoria de retorno, y dicha trayectoria de retorno se crea mediante la conexión entre el neutro del sistema y el sistema de electrodos de puesta a tierra. Al modificar esa conexión, se modifica la corriente de falla, la velocidad de detección y la magnitud de los daños causados por la falla mientras se elimina.

En la especificación merecen mención dos referencias. IEEE Std 3003.1-2019 trata sobre la puesta a tierra de sistemas en instalaciones industriales y comerciales y constituye el sucesor moderno de la serie de manuales conocida como Green Book; IEEE Std C62.92.1-2016 trata sobre la puesta a tierra del neutro en sistemas de servicios públicos con tensión nominal superior a 1 000 V. Ambas normas se basan en el mismo compromiso: la corriente de falla a tierra debe ser lo suficientemente alta para garantizar una detección fiable, pero lo suficientemente baja para evitar la destrucción de los equipos.

La tabla siguiente resume los cuatro métodos.

Método	Corriente de falla típica	Filosofía de detección	Dónde Encaja
Conexión a tierra sólida	Hasta el valor trifásico en cortocircuito	Sobrecorriente instantánea, disparo	480 V y menos, distribución de baja tensión
Tierra de baja resistencia (LRG)	100 A - 1.000 A, comúnmente 200 A - 400 A	Relés de sobrecorriente, coordinación selectiva	Distribución industrial de media tensión que requiere disparo selectivo
Tierra de alta resistencia (HRG)	5 A - 25 A	Relé sensible, primera señalización por alarma	Instalaciones con muchos variadores, procesos continuos, centros de datos
Transformador de puesta a tierra en zigzag	Establecido por el diseño de la resistencia o del transformador	Relé sensible	Sistemas delta, sin neutro accesible

 

Puesta a tierra sólida: el menor costo y la mayor corriente de falla

En un sistema con puesta a tierra sólida, el neutro se conecta directamente al sistema de electrodos de puesta a tierra. Nada limita la corriente, por lo que una falla fase-tierra puede alcanzar valores cercanos al valor trifásico en cortocircuito disponible en ese punto: decenas de kiloamperios en una unidad de 2000 kVA a 480 V. Esto no es un defecto de diseño; es precisamente su propósito. La falla es grande, todos los dispositivos de protección la detectan y se despeja en ciclos.

La factura llega a otro lugar. La rigidez del bus, las calificaciones de interrupción del interruptor y el cálculo de la energía incidente en el estudio de arco eléctrico escalan con esa corriente. La conexión a tierra sólida sigue siendo la opción práctica para la mayoría de los sistemas de 480 V, porque el voltaje fase-tierra se mantiene en 277 V y las exigencias de aislamiento y de los supresores de sobretensión permanecen moderadas. Donde deja de tener sentido es en media tensión, donde la misma lógica genera corrientes de falla que ni el transformador, ni los cables ni el equipo de conmutación desean ver.

Una consecuencia sorprende a las personas. En un sistema con conexión a tierra sólida, la mayoría de las fallas comienzan como un evento simple fase-tierra y se eliminan antes de que se agraven. En un sistema sin conexión a tierra o con conexión a tierra de alta resistencia, la primera falla frecuentemente no se elimina en absoluto.

 

Conexión a tierra mediante resistencia: baja resistencia frente a alta resistencia

Insertar una resistencia entre el neutro y la tierra convierte una filosofía de diseño en un valor numérico. La conexión a tierra de baja resistencia limita típicamente la corriente a unos cientos de amperios: de 200 A a 400 A es habitual en sistemas de media tensión, lo cual sigue siendo suficiente para que los relés estándar de sobrecorriente lo detecten y coordinen su actuación. Por eso se emplea la conexión a tierra de baja resistencia (LRG) cuando la planta requiere que un alimentador defectuoso se desconecte de forma selectiva, en lugar de desconectar el interruptor principal.

La conexión a tierra de alta resistencia va mucho más lejos y limita la corriente de fallo a tierra a 5 A, 10 A o 25 A. A esos niveles, el fallo normalmente activa una alarma en vez de una desconexión, y la planta sigue operando mientras el personal de mantenimiento lo localiza. Los sistemas industriales con gran cantidad de variadores, las plantas de proceso continuo que no pueden tolerar una desconexión y la distribución de media tensión en centros de datos recurren a este enfoque. El transformador y los cables ya no deben soportar un evento de varios kiloamperios, y el riesgo de arco eléctrico derivado de un fallo a tierra disminuye conforme baja la corriente.

Aquí está la parte que la mayoría de los compradores pasan por alto. Un sistema a tierra de alta resistencia solo funciona si la corriente que atraviesa la resistencia es superior a la corriente de carga del sistema. La corriente de carga de los cables blindados, los pararrayos y los filtros de entrada del variador es una corriente real, y, en caso de una falla a tierra, fluye simultáneamente a través de la resistencia y de la falla. Si la corriente de la resistencia es menor que dicha corriente, el relé no puede distinguir una falla de la corriente capacitiva normal, lo cual es exactamente lo que ocurrió en el ejemplo con el que se inició este artículo. La secuencia correcta consiste en medir primero la corriente capacitiva de la instalación real, seleccionar una corriente para la resistencia ligeramente superior a dicha medición y, solo entonces, ajustar el retardo temporal.

 

 

Transformadores zig-zag de puesta a tierra: Una neutra donde no existe

Todo lo anterior supone una conexión neutra a la que se puede conectar una resistencia. Una fuente conectada en delta, o un transformador cuyo neutro secundario no está disponible, no ofrece dicho punto. Una unidad en zig-zag resuelve ese problema. Sus devanados presentan una impedancia baja ante corrientes de secuencia cero, creando así una ruta de retorno intencional para la corriente de falla a tierra, mientras que presentan una impedancia alta ante corrientes de secuencia positiva y negativa, de modo que la unidad conduce casi ninguna corriente de carga durante su funcionamiento normal. Una unidad en estrella-delta realiza la misma función mediante una disposición distinta de los devanados.

Ese comportamiento es la razón por la cual una transformador de puesta a tierra se especifica a partir de una hoja de datos completamente distinta a la de un transformador de carga. Los valores que deben coincidir son la corriente neutra de corta duración y su tiempo de aplicación: 10 segundos y 1 minuto son las calificaciones habituales, además de una capacidad continua de corriente neutra para soportar el desequilibrio generado durante la operación normal, que, en una unidad zig-zag, suele representar solo unos pocos por ciento del valor de corta duración. Si se especifica únicamente con base en el valor de corta duración, un desequilibrio persistente provocará su sobrecalentamiento. Si se especifica como si fuera un transformador de carga, se adquirirá cobre que nunca se utilizará.

En sistemas con gran cantidad de variadores de frecuencia, la unidad zig-zag suele combinarse con una resistencia. La resistencia determina la corriente que atraviesa el sistema; el transformador proporciona el neutro necesario para dicha resistencia.

 

Dimensionamiento de la resistencia: cuatro valores que determinan si el sistema funcionará

Una resistencia de puesta a tierra del neutro es un dispositivo de corta duración con un número reducido de calificaciones críticas. Estos cuatro valores determinan si el sistema funcionará correctamente en servicio:

• Corriente capacitiva medida. Mídalo en la instalación real, a la tensión real. Los valores de la tabla son un punto de partida, no una respuesta.
• Corriente de paso. 5 A, 10 A o 25 A para la puesta a tierra de alta resistencia; 200 A a 400 A para la puesta a tierra de baja resistencia. En ambos casos debe superar la corriente capacitiva medida, con margen.
• Tiempo de duración. Diez segundos y un minuto son valores típicos. Una resistencia de 400 A y 10 segundos en un sistema de 13,8 kV disipa aproximadamente 3,2 MW mientras conduce la falla —unos 32 MJ de energía en diez segundos. Una falla mantenida en el sistema lo destruirá.
• Tensión nominal y nivel de aislamiento. Durante una falla a tierra, la resistencia soporta continuamente la tensión de línea a neutro del sistema completo durante toda la duración del evento.

Dos elementos adicionales pertenecen a la misma conversación, pero no aparecen en la hoja de datos de la resistencia: el esquema de detección —qué hace el relé con la corriente que detecta, y si emite una alarma o abre el circuito— y, en el caso de la puesta a tierra de baja resistencia, si el estudio de coordinación sigue siendo válido una vez limitada la corriente.

 

Cómo Ryan Electric apoya el diseño de puesta a tierra en pedidos personalizados

El diseño de la puesta a tierra comienza en el transformador, porque la configuración del devanado determina si existe o no un neutro. En un transformador trifásico personalizado con secundario en estrella, sacamos el neutro mediante una camisa aislada clasificada para la corriente de falla a tierra especificada en el estudio, y suministramos los datos de configuración del devanado y del grupo vectorial que requieren los estudios de puesta a tierra y coordinación. Cuando el esquema de un cliente exige una puesta a tierra con resistencia o en zig-zag, confirmamos la disposición del neutro en la etapa de cotización, no durante la prueba de aceptación en fábrica. Es una conversación de quince minutos al inicio, frente a una orden de retrabajo si se pasa por alto.

Construimos en una instalación de 120 000 metros cuadrados con más de 180 conjuntos de equipos de producción y prueba, y contamos con 37 patentes; además, poseemos las certificaciones UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS y CE. Desde 2023, Ryan Electric opera como socio oficial de empresa conjunta de Eaton. El informe de prueba rutinaria que se envía con cada unidad incluye los datos de resistencia de devanado y relación que un equipo de puesta en servicio necesita para confirmar las conexiones del neutro y de puesta a tierra en el sitio.

 

Envíe el esquema de puesta a tierra junto con la solicitud de cotización del transformador

Envíenos el diagrama unifilar, el método de puesta a tierra, la corriente y la duración del neutro para las que está diseñando, así como la potencia nominal del transformador. Nuestro equipo de ingeniería le responderá con una disposición de puesta a tierra del neutro del transformador acorde al estudio —incluida la borna del neutro—, de modo que el ingeniero de puesta en servicio confirme un diseño, en lugar de tener que descubrirlo. Establecer correctamente las bases durante la etapa de cotización no tiene ningún costo; descubrirlas tras la primera falla a tierra implica una interrupción del servicio.

 

Acerca del autor: Este artículo fue redactado por el equipo de ingeniería de Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers), fabricante de transformadores de resina fundida, sumergidos en aceite y montados sobre pedestal, que atiende a clientes del sector eléctrico, centros de datos, generación renovable e industria desde 2007. El equipo trabaja diariamente con los requisitos IEEE C57 e IEC 60076 y apoya a desarrolladores y contratistas EPC durante la fase de especificación, pruebas de fábrica y puesta en servicio en sitio.