Transformador de puesta a tierra: partes, funciones y pruebas

Respuesta corta

Un transformador de puesta a tierra crea un neutro artificial en un sistema que no lo tiene, por ejemplo el lado en delta de un transformador. En condiciones normales casi no lleva corriente; ante una falla a tierra ofrece un camino de baja impedancia de secuencia cero, lo que permite que las protecciones de tierra detecten la falla y limita las sobretensiones en las fases sanas.

Qué es un transformador de puesta a tierra

Muchos sistemas de media tensión nacen sin neutro accesible: el secundario en delta de un transformador, el terciario de un autotransformador o la red colectora de una planta solar o eólica con transformadores en delta del lado de media tensión. Sin neutro, una falla a tierra produce muy poca corriente (solo la capacitiva) y las fases sanas suben hacia la tensión entre fases. Las protecciones de tierra casi no ven la falla y el aislamiento queda sometido a sobretensiones sostenidas.

El transformador de puesta a tierra resuelve esto creando un neutro artificial que se conecta a tierra de forma directa o a través de una resistencia o una reactancia. Su trabajo no es transferir potencia, sino ofrecer una impedancia de secuencia cero baja y conocida.

Partes principales

Núcleo trifásico de tres columnas.
Devanados, en una de dos conexiones:
- Zigzag (ZN): cada fase está dividida en dos medios devanados ubicados en columnas distintas y conectados en sentido opuesto. Es la conexión más común.
- Estrella a tierra con delta (YNd): la estrella da el neutro y la delta permite que circule la corriente de secuencia cero. La delta puede quedar cerrada o alimentar servicios auxiliares.
Pasatapas de fase y de neutro, con un transformador de corriente en el neutro para las protecciones.
Resistencia o reactancia de neutro, cuando el sistema se aterriza por impedancia para limitar la corriente de falla.
Accesorios del transformador: cuba, aceite o aislamiento seco, Buchholz, válvula de alivio, termómetros y tablero de control.

Cómo funciona

En operación normal las tres fases están balanceadas y el transformador solo toma su corriente de magnetización. Su impedancia de secuencia positiva y negativa es muy alta.

Durante una falla a tierra aparece corriente de secuencia cero. En el zigzag, los dos medios devanados de cada columna llevan corrientes de secuencia cero en sentidos opuestos, sus flujos se cancelan y la impedancia que ve esa corriente es baja, casi solo la de dispersión. La corriente de falla 3I0 sube por el neutro y se reparte por igual en las tres fases del transformador (I0 en cada una). La corriente de secuencia cero es, por tanto, la variable que define su diseño y sus protecciones.

Con la impedancia del transformador y la de la resistencia de neutro se fija la corriente máxima de falla a tierra del sistema y, con ella, la sensibilidad de las protecciones y la sobretensión de las fases sanas.

Tipos

Alta tensión: poco frecuente, porque en alta y extra alta tensión los transformadores suelen tener el neutro en estrella aterrizado. Se ve en terciarios en delta y en casos especiales de diseño.
Media tensión en subestaciones: el uso más común, del lado en delta de transformadores de potencia, con aterrizamiento sólido o por resistencia.
Plantas solares y eólicas: en redes colectoras para limitar las sobretensiones temporales durante fallas a tierra y dar referencia a las protecciones de tierra, según los requisitos del operador de red.
Industria: sistemas de 4,16 kV, 6,6 kV o 13,8 kV aterrizados por resistencia de bajo o alto valor, donde se busca limitar el daño en motores y permitir, en alta resistencia, seguir operando hasta localizar la falla.

Protecciones asociadas

Sobrecorriente de neutro (51N) con el CT del neutro. Actúa como respaldo de las fallas a tierra de todos los circuitos del sistema y protege al transformador y a la resistencia contra el calentamiento por fallas no despejadas. Debe coordinar con las protecciones de tierra de los alimentadores. Ver sobrecorriente de fases y tierra.
Sobrecorriente de fases (50/51) en el lado de conexión al sistema, para fallas internas.
Falla a tierra restringida, que compara la suma de las corrientes de fase con la del neutro y detecta fallas internas a tierra con buena sensibilidad. Ver falla a tierra restringida 87N/64REF.
Protecciones mecánicas: Buchholz, presión y temperatura.
Supervisión de la resistencia de neutro, en sistemas aterrizados por alta resistencia, para detectar un circuito abierto que dejaría al sistema sin aterrizar.

Un disparo del transformador de puesta a tierra debe tratarse en el esquema: a menudo se dispara o se bloquea la fuente asociada para no operar con el sistema aislado.

Pruebas en puesta en servicio y mantenimiento

Resistencia de aislamiento de devanados.
Factor de potencia o tangente delta en unidades en aceite.
Resistencia de devanados por fase.
Relación de transformación y grupo vectorial, en unidades YNd con devanado secundario.
Impedancia de secuencia cero, la prueba que confirma que el equipo cumple su función.
Corriente de excitación.
Pruebas al CT de neutro (relación, polaridad y excitación) y a la resistencia de neutro (valor óhmico y aislamiento).
Revisión del tablero de control, alarmas y disparos, como se describe en verificación del tablero del transformador de tierra, y pruebas de protecciones con inyección secundaria.

Fallas comunes

Sobrecalentamiento por fallas a tierra que no se despejan a tiempo, porque el equipo está dimensionado para corta duración.
Corriente de neutro permanente por desbalances del sistema, que calienta el equipo y puede causar disparos de la 51N.
Resistencia de neutro abierta o deteriorada, que deja al sistema sin referencia sin que nadie lo note si no se supervisa.
Polaridad incorrecta del CT de neutro, que hace disparar la falla a tierra restringida ante fallas externas.
Ajustes descoordinados entre la 51N del neutro y las protecciones de tierra de los alimentadores.

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Guías relacionadas

Referencias

IEEE C57.32: requisitos, terminología y pruebas para dispositivos de puesta a tierra del neutro.
IEC 60076-6: transformadores de potencia, reactores (incluye transformadores de puesta a tierra del neutro).
Serie IEEE C62.92: guía de aplicación de la puesta a tierra del neutro en sistemas eléctricos de empresas de servicio.
IEEE 142: puesta a tierra de sistemas industriales y comerciales.
IEEE C37.91: guía de protección de transformadores de potencia.
J. L. Blackburn y T. J. Domin, Protective Relaying: Principles and Applications.

Preguntas frecuentes

¿Por qué el transformador de puesta a tierra lleva corriente por el neutro sin que haya falla?

Porque cualquier desbalance de tensión o de carga a tierra del sistema produce una pequeña corriente de secuencia cero que retorna por su neutro. Si esa corriente crece, conviene buscar cargas monofásicas a tierra, capacitancias desbalanceadas o una falla de alta impedancia antes de subir el ajuste de la 51N.

¿Qué pasa si el transformador de puesta a tierra sale de servicio?

El sistema queda aislado de tierra: una falla a tierra ya no produce corriente suficiente para las protecciones y las fases sanas suben hacia la tensión de línea. Por eso muchos esquemas disparan o bloquean la fuente asociada cuando el transformador de puesta a tierra dispara.

¿El transformador de puesta a tierra aguanta una falla a tierra indefinidamente?

Normalmente no. Suele especificarse con una corriente de neutro de corta duración, del orden de segundos, y una corriente continua mucho menor. Las protecciones deben despejar la falla dentro de ese tiempo, según la placa y la especificación.