sistema de puesta a tierra del neutro del transformador sumergido en aceite de 110 kV

Atransformador de potencia sumergido en aceite de 110 kV desempeña un papel fundamental en la conversión de tensión y en la transmisión masiva de energía eléctrica. Sin embargo, el transformador no puede considerarse de forma aislada respecto al sistema de puesta a tierra de la red eléctrica.

El sistema de puesta a tierra del neutro del transformador influye en:

• Corriente de cortocircuito a tierra
• Sobretensiones temporales y transitorias
• Sensibilidad y selectividad de la protección
• Requisitos de aislamiento del transformador
• Estabilidad del Sistema
• Seguridad del personal y de los equipos

Por este motivo, la puesta a tierra del neutro no es simplemente una selección de accesorio; debe coordinarse con la conexión de los devanados del transformador, la filosofía de puesta a tierra del sistema, el nivel de aislamiento, el esquema de protección y la malla de puesta a tierra de la subestación.

Este artículo explica las funciones principales, los componentes y las consideraciones de ingeniería de un sistema de puesta a tierra del neutro para un transformador sumergido en aceite de 110 kV.

Importante: El método adecuado de puesta a tierra del neutro debe determinarlo el operador del sistema y ingenieros calificados en sistemas eléctricos. No debe seleccionarse únicamente en función de la tensión nominal del transformador.

¿Qué es el punto neutro de un transformador de 110 kV?

Cuando un devanado de transformador trifásico se conecta en estrella, o en Y, los extremos de los tres devanados se unen en un punto común. Esta conexión se denomina punto neutro y normalmente se identifica con la letra N.

El neutro proporciona un punto de referencia para las tensiones fase-tierra. Sin embargo, no debe suponerse que su potencial sea siempre cero.

Durante el funcionamiento normal y equilibrado, su tensión respecto a tierra puede estar cercana a cero. Durante una falla a tierra, un evento de conmutación, una ferroresonancia u otra condición desequilibrada, la tensión del neutro puede desplazarse significativamente.

El terminal neutro y su aislamiento deben diseñarse, por lo tanto, de acuerdo con:

• La conexión del devanado
• El método de puesta a tierra seleccionado
• El diseño del aislamiento del transformador
• Sobretensiones temporales esperadas
• Sobretensiones debidas a rayos y maniobras
• Tiempo de operación de la protección
• El estudio de coordinación del aislamiento del sistema

IEC 60076-3 especifica los requisitos de aislamiento del transformador, las pruebas dieléctricas y las distancias de aislamiento externas para devanados y terminales individuales.

What is Transformador ¿Puesta a tierra del neutro?

La puesta a tierra del neutro del transformador es la conexión intencional del neutro de un devanado conectado en estrella a tierra.

Según el diseño de la red, el neutro puede ser:

• Sistemas en estrella con conexión sólida a tierra
• Puesto a tierra mediante una resistencia
• Puesto a tierra mediante un reactor
• Puesto a tierra mediante otra impedancia
• Conectado mediante un transformador de puesta a tierra
• Operado sin puesta a tierra bajo condiciones especificadas
• Conmutado entre estados con y sin puesta a tierra según un esquema operativo aprobado

El método de puesta a tierra determina la magnitud y el comportamiento de la corriente de secuencia cero durante una falla fase-tierra. También afecta las sobretensiones temporales, el funcionamiento de los relés y la tensión de aislamiento impuesta al transformador y al equipo conectado.

IEEE C62.92 describe las consideraciones básicas utilizadas para seleccionar los parámetros de puesta a tierra del neutro con el fin de controlar la corriente de falla a tierra y las sobretensiones en sistemas eléctricos de servicio público. Sus recomendaciones para sistemas de transmisión también abordan la puesta a tierra del neutro del transformador y la especificación del equipo de puesta a tierra.

¿Por qué necesita un transformador de 110 kV una disposición adecuada de puesta a tierra del neutro?

1. Control de la corriente de falla a tierra

Cuando ocurre una falla entre fase y tierra, la disposición de puesta a tierra determina la trayectoria de retorno y la magnitud de la corriente de falla de secuencia cero.

Un neutro sólidamente puesto a tierra permite una corriente de falla a tierra elevada, lo que posibilita que los dispositivos de protección detecten y eliminen la falla rápidamente. La puesta a tierra mediante impedancia limita la corriente a un valor calculado, manteniendo al mismo tiempo una señal medible para la protección.

El método correcto depende del nivel de falla de la red, del diseño de la protección y de los requisitos operativos.

2. Limitación de la sobretensión temporal

En un sistema sin puesta a tierra o con una puesta a tierra inadecuada, una falla a tierra monofásica puede provocar un aumento de las tensiones fase-tierra en las fases sanas. Esto puede someter a mayor esfuerzo dieléctrico los terminales del transformador, los cables, el equipo de conmutación y otros equipos.

Una disposición de puesta a tierra correctamente diseñada ayuda a controlar el desplazamiento del neutro y la sobretensión temporal.

3. Protección del aislamiento del neutro del transformador

Algunos transformadores utilizan aislamiento escalonado, lo que significa que el nivel de aislamiento cerca del extremo neutro de un devanado es inferior al del terminal de línea. Dicho neutro no debe someterse a tensiones superiores a su nivel de aislamiento asignado.

La utilización de aislamiento escalonado debe confirmarse a partir del diseño y la placa de características del transformador, y no debe asumirse únicamente a partir de su clasificación de tensión.

La protección del aislamiento del neutro puede requerir coordinación entre:

• El interruptor de puesta a tierra
• Pararrayos
• Hueco protector
• Transformador de corriente neutro
• Protección diferencial de transformadores
• Protección contra fallas a tierra restringida
• Protección contra sobrecorriente de secuencia cero
• Protección contra sobretensión en el neutro

4. Apoyo a la protección selectiva

Una trayectoria conocida de corriente de secuencia cero permite a los relés de protección distinguir las fallas a tierra de la corriente normal de carga y de otras condiciones del sistema.

Según la filosofía de protección, la corriente neutra puede medirse para:

• Protección contra sobrecorriente por falla a tierra
• Protección contra fallas a tierra restringida
• Protección diferencial de transformadores
• Supervisión del desequilibrio neutro
• Detección de corriente en el espacio de protección

Los ajustes de protección deben basarse en un estudio de cortocircuito y coordinación de protecciones.

5. Mejora de la estabilidad del sistema y la gestión de fallas

El aislamiento rápido y selectivo de fallas reduce las tensiones térmicas y mecánicas sobre el transformador y limita el riesgo de que una falla local se convierta en una perturbación más amplia del sistema.

La puesta a tierra no elimina las fallas. Su finalidad es controlar sus efectos eléctricos y permitir que el sistema de protección responda según lo diseñado.

Componentes principales de un sistema de puesta a tierra del neutro de un transformador

Una disposición de puesta a tierra del neutro de un transformador de 110 kV puede incluir varios componentes. La configuración exacta varía según el proyecto.

1. Interruptor de puesta a tierra del neutro

El interruptor de puesta a tierra del neutro proporciona una conexión metálica controlada entre el neutro del transformador y el sistema de puesta a tierra de la subestación.

Puede ser accionado manual o eléctricamente, e incluir indicación de posición, enclavamientos e interfaces de control remoto.

Sus características nominales requeridas pueden incluir:

• Tensión máxima del sistema
• Corriente continua, cuando corresponda
• Corriente de resistencia a corto plazo
• Corriente soportable de pico
• Nivel de aislamiento
• Resistencia mecánica
• Mecanismo de operación
• Protección ambiental
• Requisitos de contactos auxiliares

La posición del interruptor debe regirse por un procedimiento operativo aprobado. Los operadores no deben asumir que el neutro siempre debe estar puesto a tierra ni siempre desconectado.

Conmutar el neutro de un transformador modifica la impedancia de secuencia cero de la red y puede afectar:

• Corriente de fallo a tierra
• Sensibilidad del relé
• Sobretensión temporal
• Funcionamiento en paralelo de transformadores
• Coordinación de Protección

Por lo tanto, debe considerarse una operación del sistema, no una acción mecánica aislada.

2. Conductor de puesta a tierra del neutro

El conductor de puesta a tierra conecta el terminal neutro, el interruptor de puesta a tierra y la malla de puesta a tierra de la subestación.

Debe dimensionarse para la corriente de fallo calculada y el tiempo de despeje. Su diseño también debe tener en cuenta:

• Resistencia térmica
• Fuerzas electrodinámicas
• Protección Mecánica
• Corrosión
• Confiabilidad de la Conexión
• Rutas y distancias de separación
• Acceso para inspección y mantenimiento

Donde se requieran conductores de puesta a tierra redundantes, estos deben conectarse a puntos adecuadamente separados de la malla de puesta a tierra, conforme al diseño aprobado de la subestación.

El número, el material y el área de la sección transversal de los conductores deben cumplir con la especificación del proyecto y las normas locales.

3. Malla de puesta a tierra de la subestación

La malla de puesta a tierra dispersa la corriente de falla en la tierra y crea una referencia equipotencial para la subestación.

Su diseño debe considerar más que un único valor de resistencia a tierra. Los factores importantes incluyen:

• Corriente máxima de falla a tierra
• Duración de la falla
• Resistividad del Suelo
• Geometría de la malla
• Clasificación térmica del conductor
• Tensión de paso
• Tensión de contacto
• Potencial transferido
• Características de la capa superficial
• Margen de corrosión
• Conexiones a estructuras de equipos y cercas

Un requisito universal, como «la resistencia de puesta a tierra debe ser siempre inferior a 4 Ω», no debe aplicarse a todas las subestaciones de 110 kV. El diseño aceptable debe establecerse mediante el estudio de puesta a tierra y los requisitos nacionales o de la empresa eléctrica aplicables.

4. Pararrayos neutro

Se puede instalar un pararrayos de óxido metálico entre el neutro del transformador y tierra para limitar sobretensiones transitorias especificadas.

Durante el funcionamiento normal, el pararrayos presenta una alta impedancia. Cuando una sobretensión supera su característica de protección, conduce la corriente de sobretensión y limita la tensión aplicada al aislamiento del neutro.

La selección del pararrayos requiere la coordinación de:

• Voltaje de operación continuo
• Tensión nominal
• Capacidad de sobretensión temporal
• Corriente de Descarga Nominal
• Capacidad energética
• Tensión residual
• Nivel de aislamiento del neutro del transformador
• Condición de puesta a tierra del sistema

La norma IEC 60099-4 se aplica a los pararrayos de óxido metálico sin centelleador utilizados para limitar sobretensiones en sistemas de corriente alterna superiores a 1 kV. IEC 60099-4

No debe seleccionarse un pararrayos únicamente en función de la tensión nominal del sistema del transformador. El neutro puede experimentar una tensión distinta a la de los terminales de línea.

5. Entrehierro protector del neutro

Se puede conectar un entrehierro protector de aire entre el neutro del transformador y tierra. En condiciones normales, permanece no conductor. Si la tensión del neutro alcanza el nivel de chispeo del entrehierro, este se rompe y proporciona una ruta de descarga.

Se puede instalar un transformador de corriente en el circuito del entrehierro para que la corriente que circula por él active una señal de alarma o de disparo.

El entrehierro requiere una coordinación cuidadosa, ya que su comportamiento está influenciado por:

• Forma del electrodo
• Distancia entre electrodos
• Densidad del aire
• Altitud
• Humedad y contaminación
• Geometría de instalación
• Tensión de frecuencia de red
• Voltaje de impulso
• Nivel de aislamiento del neutro

Los espacios protectores pueden presentar una dispersión mayor en la sobretensión de chispa que los pararrayos de óxido metálico. Su funcionamiento también puede generar impulsos truncados y corriente de seguimiento de frecuencia de red.

La configuración del espacio debe determinarse, por tanto, mediante estudios de coordinación del aislamiento y de protección, y no copiando una distancia física estándar de otro proyecto.

6. Transformador de corriente en el neutro

Un transformador de corriente en la conexión del neutro puede proporcionar señales de medición para la protección del transformador y de fallos a tierra.

Las aplicaciones posibles incluyen:

• Protección contra sobrecorriente en modo neutro
• Protección contra fallas a tierra restringida
• Protección diferencial de transformadores
• Detección de corriente en el espacio de protección
• Grabación de eventos

Su relación, clase, tensión de punto de rodilla, carga y calificación de corriente a corto plazo deben coincidir con el esquema del relé y con la demanda de fallo calculada.

7. Contador de sobretensiones y monitor de corriente de fuga

Un contador de sobretensiones registra los eventos de descarga a través del pararrayos. Algunos dispositivos también indican la corriente de fuga.

Un aumento en las operaciones del contador no prueba automáticamente que el pararrayos esté defectuoso. Indica que han ocurrido eventos de descarga y debe evaluarse junto con:

• Registros de perturbaciones del sistema
• Actividad de rayos
• Eventos de conmutación
• Tendencias de la corriente de fuga
• Temperatura del pararrayos
• Estado físico
• Criterios de inspección del fabricante

La conexión del contador debe permanecer corta, directa y correctamente conectada a tierra, porque una longitud innecesaria de cable puede reducir el rendimiento de la protección.

¿Cómo funcionan el pararrayos y la brecha de protección juntos?

Cuando ambos están instalados, el pararrayos en neutro y la brecha de protección normalmente ofrecen una protección complementaria.

Pararrayos

El pararrayos se selecciona principalmente para limitar las sobretensiones transitorias mientras mantiene un nivel de protección predecible.

Hueco protector

La brecha puede proporcionar protección de respaldo o responder bajo condiciones específicas de sobretensión temporal o de frecuencia de red, según el esquema.

Su coordinación debe garantizar que:

• El pararrayos proteja el transformador dentro de su capacidad energética.
• La brecha no se active innecesariamente ante transitorios comunes.
• La brecha se active antes de que el aislamiento en neutro sufra sobreesfuerzo bajo las condiciones para las que está diseñada.
• La protección por relé interrumpe cualquier corriente de seguimiento de frecuencia de potencia.
• El pararrayos no está sometido a una sobretensión temporal inaceptable.

Es inexacto afirmar que el pararrayos y la brecha siempre actuarán en una secuencia fija. Su respuesta depende de la forma de onda de la tensión, su duración, las características de protección y la configuración del sistema.

La coordinación del aislamiento debe seguir los principios de la norma IEC 60071-1, que aborda la selección de las tensiones asignadas de soporte para el aislamiento fase-tierra, fase-fase y longitudinal en sistemas de corriente alterna superiores a 1 kV. IEC 60071-1

Métodos comunes de conexión a tierra del neutro

Conexión a tierra sólida

El neutro se conecta a tierra mediante una trayectoria de impedancia muy baja.

Características típicas:

• Corriente elevada de fallo a tierra
• Referencia de secuencia cero clara
• Detección rápida de fallos
• Sobretensión temporal reducida
• Requisitos más elevados de capacidad de interrupción de fallos

Conexión a tierra mediante resistencia

Una resistencia de conexión a tierra del neutro limita la corriente de fallo a tierra a un nivel calculado.

Características típicas:

• Reducción de los daños en los equipos durante fallos a tierra
• Corriente de protección controlada
• Esforzamiento térmico definido para la resistencia
• Necesidad de supervisión de la temperatura y la continuidad de la resistencia

Conexión a tierra mediante reactor

Un reactor de conexión a tierra limita la corriente mediante impedancia inductiva.

Características típicas:

• Corriente de fallo a tierra reducida
• Comportamiento específico del sistema respecto a la secuencia cero
• Necesidad de estudios detallados de régimen transitorio y de protección

Conexión a tierra resonante

Un reactor se sintoniza para compensar la capacitancia a tierra de la red.

Esta configuración se asocia más comúnmente con ciertas redes de media tensión y no debe darse por supuesta para un devanado de 110 kV sin un estudio específico del sistema.

Conexión a tierra selectiva del neutro

En subestaciones con transformadores operando en paralelo, el operador del sistema puede conectar a tierra los neutros de transformadores seleccionados para controlar la corriente de secuencia cero y el desempeño de la protección.

Abrir o cerrar un solo interruptor de neutro modifica la condición de conexión a tierra de todo el sistema conectado. Por tanto, son esenciales los sistemas de enclavamiento y los procedimientos operativos.

¿Por qué es importante la conexión a tierra del neutro durante la puesta en servicio y la desconexión?

La conmutación de transformadores puede generar sobretensiones transitorias y temporales. La condición del neutro durante la puesta en servicio o la desconexión puede influir en la tensión aplicada a un devanado con aislamiento graduado.

Algunos procedimientos de utilidad requieren que el interruptor de puesta a tierra del neutro esté cerrado antes de energizar o desenergizar un transformador. Sin embargo, esto no debe presentarse como una regla universal.

La secuencia correcta de conmutación depende de:

• Diseño del aislamiento del transformador
• Disposición del interruptor automático
• Número de transformadores en paralelo
• Configuración de puesta a tierra del sistema
• Ajustes de protección
• Valores nominales de los limitadores de sobretensión
• Normas operativas de la compañía eléctrica
• Resultados de los estudios de conmutación y aislamiento

Los operadores deben seguir las instrucciones de conmutación aprobadas para la subestación específica.

Lista de verificación de inspección y mantenimiento

El mantenimiento debe ser realizado por personal autorizado bajo los procedimientos de seguridad eléctrica del sitio.

Interruptor de conexión a tierra del neutro

Verificar:

• Indicación de posición abierta y cerrada
• Alineación Mecánica
• Condición de contacto
• Mecanismo de operación
• Circuitos del motor y de control
• Contactos auxiliares
• Entrelazado
• Limpieza e integridad del aislador
• Signos de sobrecalentamiento o descarga

Conductores de tierra

Inspeccione los siguientes elementos:

• Conexiones sueltas o dañadas
• Hebras rotas o conductores agrietados
• Corrosión
• Calentamiento anormal
• Distancias de separación insuficientes
• Daño mecánico
• Modificaciones no autorizadas

Pararrayos

Verificar:

• Estado de la carcasa de porcelana o polímero
• Marcas de contaminación y descarga
• Apretura de terminales
• Recorrido del conductor de tierra
• Lecturas del contador de sobretensiones
• Indicación de corriente de fuga, cuando esté disponible
• Resultados diagnósticos prescritos por el fabricante

Hueco protector

Verifique:

• Estado del electrodo
• Espaciado correcto del entrehierro
• Alineación
• Contaminación Superficial
• Evidencia de descargas previas
• Conexiones del transformador de corriente
• Distancias de separación respecto a equipos adyacentes

Malla de puesta a tierra

Realizar inspecciones y ensayos conforme al plan de mantenimiento de la subestación, incluyendo:

• Continuidad de las conexiones
• Mediciones de resistencia o impedancia de tierra
• Evaluación de las condiciones del suelo
• Revisión de tensiones de paso y de contacto tras modificaciones importantes
• Evaluación de la corrosión
• Verificación de los equipos recién conectados

Problemas comunes y sus consecuencias

Posición incorrecta del interruptor de puesta a tierra

Una posición incorrecta del interruptor puede modificar la corriente de falla a tierra e invalidar la coordinación de los relés.

Conexión floja del neutro

Una conexión de alta resistencia o intermitente puede provocar calentamiento, arcos eléctricos y una tensión neutra impredecible.

Conductor de puesta a tierra de sección insuficiente

Un conductor con capacidad térmica o mecánica insuficiente puede fallar durante una falla a tierra de alta corriente.

Clasificación incorrecta del limitador de sobretensiones

Un limitador de sobretensiones con capacidad insuficiente frente a sobretensiones temporales puede sobrecalentarse o fallar. Un nivel de protección excesivo puede dejar insuficientemente protegido el neutro del transformador.

Hueco protector contaminado o ajustado incorrectamente

La contaminación, la altitud o un espaciado incorrecto pueden modificar la tensión de chispa y provocar una actuación prematura o la falta de actuación.

Ajustes de protección no coordinados

Incluso un sistema de puesta a tierra correctamente instalado no puede ofrecer una protección eficaz si las funciones del relé asociado se seleccionan o ajustan de forma incorrecta.

Información técnica necesaria para un diseño personalizado

Antes de especificar un transformador de 110 kV y un paquete de puesta a tierra del neutro, el fabricante debe recibir:

• Tensión nominal del sistema y tensión máxima para el equipo
• Frecuencia del sistema
• Potencia asignada del transformador
• Tensión y conexión de los devanados
• Grupo Vectorial
• Nivel de aislamiento del neutro
• Requisito de aislamiento total o parcial
• Corriente máxima y mínima de fallo a tierra
• Tiempo de eliminación del fallo
• Filosofía de puesta a tierra
• Condiciones para la operación en paralelo de transformadores
• Diagrama unifilar de protección
• Capacidad de los limitadores de sobretensión
• Altitud del emplazamiento y nivel de contaminación
• Temperatura ambiente
• Requisitos sísmicos y climáticos
• Normas aplicables IEC, IEEE, nacionales o de compañías eléctricas

Estos parámetros determinan las calificaciones adecuadas del equipo y el diseño de la interfaz.

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• Capacidad nominal y relación de tensión
• Impedancia del transformador
• Grupo Vectorial
• Rango de tomas y disposición del cambiador de derivaciones bajo carga (OLTC)
• Aislamiento completo o escalonado
• Terminales neutros e interfaces de puesta a tierra
• Interfaces de interruptores de puesta a tierra
• Transformadores de corriente neutra
• Pararrayos y disposiciones de entrehierro protector
• Accesorios de supervisión y protección
• Sistema de refrigeración
• Buchas e interfaces de cable
• Requisitos aplicables de la IEC, IEEE o específicos del proyecto

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