El autotransformador une dos redes de extra alta y alta tensión con un devanado común a ambas y un devanado serie. Es más pequeño y eficiente que un transformador de dos devanados de igual potencia, pero no aísla las redes y tiene un comportamiento de secuencia cero particular, que obliga a cuidar la diferencial, la falla a tierra restringida y la polarización de las protecciones de tierra.
Qué es y dónde se ubica
El autotransformador es un transformador en el que dos devanados comparten una parte: el devanado común, conectado entre el neutro y el borne de media (la tensión menor), y el devanado serie, conectado entre ese borne y el de alta. IEC 60076-1 lo incluye en su alcance y lo designa en el símbolo de conexión con la letra «a», por ejemplo YNa0.
Se instala en subestaciones de interconexión de extra alta y alta tensión, entre dos barras de niveles cercanos, como 500 y 230 kV. Lo rodean dos bahías completas, una por cada nivel, y con frecuencia una tercera conexión al terciario con reactores o un transformador de servicios auxiliares.
Partes principales
- Núcleo de columnas, trifásico o, en unidades grandes, tres unidades monofásicas formando un banco.
- Devanado serie y devanado común, concéntricos, y el devanado de regulación del cambiador.
- Terciario en triángulo, de estabilización o con carga.
- Cambiador de tomas bajo carga; el fabricante elige el esquema según el rango de regulación, las condiciones del sistema y los límites de transporte.
- Bujes de extra alta, alta y terciario, y buje de neutro.
- Refrigeración, conservador y protecciones propias, como en el transformador de potencia general.
- Transformadores de corriente (CT) de buje en alta, media, neutro y, cuando corresponde, dentro del triángulo del terciario.
Cómo funciona
Parte de la potencia pasa de una red a otra por conducción directa a través del devanado común, y solo el resto se transfiere por inducción. Si la relación entre la tensión de media y la de alta es r = Umedia/Ualta, la potencia que realmente transforman los devanados (potencia propia) es la potencia pasante multiplicada por (1 − r). Con 500 y 230 kV, r ≈ 0,46 y los devanados transforman solo un 54 % de la potencia pasante. Por eso, para la misma potencia, el autotransformador tiene menos cobre, menos hierro, menos pérdidas y menos peso que un transformador de dos devanados, y la ventaja es mayor cuanto más cercanas son las dos tensiones.
Las consecuencias:
- No hay aislamiento galvánico entre las dos redes; una sobretensión o una falla a tierra en un lado se transmite al otro.
- Impedancia de cortocircuito menor que la de un transformador equivalente, y por lo tanto corrientes de falla mayores.
- El neutro es común a ambos niveles. Los autotransformadores se conectan siempre en estrella y su neutro se conecta normalmente a tierra en forma sólida.
El terciario en triángulo es lo que Electropedia (IEV 421-03-09) llama devanado de estabilización: un devanado adicional en triángulo, sobre todo en transformadores estrella-estrella, que reduce la impedancia de secuencia cero del devanado en estrella. Sin él, la corriente de secuencia cero de una falla a tierra tendría que cerrar su flujo por fuera del núcleo. El triángulo también deja circular el tercer armónico de la corriente de magnetización.
El autotransformador con terciario se representa en secuencia cero con un circuito equivalente en estrella de tres impedancias (alta, media y terciario), y una de ellas puede resultar negativa. Por eso la corriente del neutro, que es la diferencia entre las corrientes de secuencia cero de alta y de media, puede ser pequeña o invertir su sentido según la ubicación de la falla y las impedancias de las dos redes.
Variantes y diferencias con otros niveles
- Extra alta tensión: bancos de tres unidades monofásicas, con unidad de reserva, por límites de transporte y por disponibilidad.
- Alta tensión: unidades trifásicas entre niveles de alta tensión; algunos diseños prescinden del terciario si el núcleo lo permite, decisión que afecta a la secuencia cero y debe evaluarse en el estudio.
- Frente al transformador de dos devanados: el transformador de potencia de alta tensión es preferible cuando las tensiones son muy distintas o cuando se necesita aislamiento entre redes.
Valores nominales y placa
La placa indica la potencia nominal de cada devanado (la del terciario suele ser menor), las tensiones de alta, media y terciario y el rango de tomas, el símbolo de conexión (por ejemplo YNa0d1), las impedancias de cortocircuito entre cada par de devanados con su potencia base, los niveles de aislamiento de cada borne, incluido el neutro, y la clase de refrigeración. Las impedancias entre pares son las que se usan para armar el equivalente de secuencia cero del estudio de cortocircuito.
Integración con protección y control
- Diferencial 87T con CT de alta y de media (y de terciario si tiene carga). Como la corriente de secuencia cero no se transforma igual entre los lados, el relé la elimina numéricamente o por conexión de los CT para no operar con fallas externas a tierra; vea la diferencial de transformador 87T.
- Falla a tierra restringida 87N/REF: puede ser de alta impedancia, abarcando los devanados serie y común, o numérica, comparando la suma de las residuales de alta y media con la corriente del neutro; vea la falla a tierra restringida.
- Protecciones de tierra direccionales en las líneas vecinas: la polarización con corriente de neutro o de terciario debe validarse con el estudio.
- Terciario: sobrecorriente propia y detección de falla a tierra, porque el triángulo no tiene referencia de tierra.
- Buchholz, temperatura, sobreexcitación 24 y regulador 90 del cambiador.
En IEC 61850 se modela como YPTR, con YLTC y ATCC para el cambiador, TCTR para cada juego de CT, PDIF para la diferencial, PTRC para el disparo y XCBR para cada interruptor.
Pruebas de puesta en servicio y mantenimiento
Además de las pruebas a transformadores de potencia, en el autotransformador se miden las impedancias de cortocircuito entre los tres pares de devanados y la impedancia de secuencia cero, que alimenta el estudio de protecciones. La relación se verifica entre alta y media y hacia el terciario en todas las tomas. En las pruebas de la 87T y la REF se simulan fallas internas y externas a tierra en los dos niveles para confirmar estabilidad y sensibilidad.
Fallas comunes y qué revisar primero
- Operación de REF o 67N con falla externa a tierra: revise qué corriente se usa como referencia o polarización y su sentido en el registro.
- Disparo de 87T con falla a tierra externa: eliminación de secuencia cero mal configurada.
- Falla en el terciario o en los equipos que alimenta: revise la protección propia del terciario y su coordinación con la del autotransformador.
- Sobretensiones en las fases sanas ante fallas a tierra: verifique la continuidad de la conexión del neutro a la malla.
Pruebas y puesta en servicio con Tiza Group
En Tiza Group probamos autotransformadores de extra alta y alta tensión y su esquema de protecciones, incluidas pruebas de estabilidad de la 87T y la REF ante fallas externas. Escríbanos y le proponemos el alcance.
Referencias
- IEC 60076-1, Transformadores de potencia: generalidades.
- IEC 60050-421, Vocabulario electrotécnico: transformadores de potencia y reactores.
- IEC 60076-5, Aptitud para soportar cortocircuitos.
- IEC 61850-7-4, Clases de nodos lógicos compatibles.
- IEEE C37.91, Guía de protección de transformadores.
- Blackburn y Domin, Protective Relaying: Principles and Applications.
Preguntas frecuentes
¿Para qué sirve el terciario en triángulo de un autotransformador?
Da un camino cerrado a las corrientes de secuencia cero y de tercer armónico, lo que reduce la impedancia de secuencia cero y estabiliza el neutro. Si tiene bornes accesibles, también puede alimentar reactores, condensadores o servicios auxiliares, según el diseño.
¿Se puede usar la corriente del neutro del autotransformador para polarizar la 67N?
Con cuidado. En un autotransformador la corriente del neutro y la del terciario pueden cambiar de magnitud y de sentido para una misma falla según las impedancias del sistema. Antes de usarlas como polarización hay que estudiarlo con fallas simuladas.
¿Qué CT usa la falla a tierra restringida en un autotransformador?
Compara la suma de las corrientes residuales del lado de alta y del lado de media con la corriente del neutro. Los CT del terciario no son una buena referencia: puede circular secuencia cero en el triángulo sin que circule por el neutro.