Ésta es una de esas preguntas en las que la respuesta común suele ser demasiado simplificada y, a veces, simplemente errónea. Algunos clientes han asumido que un transformador de puesta a tierra es como un pararrayos, algo que atrae los rayos y los envía de forma segura a tierra. Así no es como funciona. Aclaremos qué hace realmente un transformador de puesta a tierra cuando cae un rayo y qué no hace.
Primero, lo que realmente le hace un rayo a un sistema
Cuando un rayo cae sobre una línea eléctrica o cerca de una subestación, inyecta un enorme pulso de corriente en el sistema eléctrico. Esa corriente aumenta en microsegundos y puede alcanzar decenas de miles de amperios. El voltaje en el punto de impacto intenta aumentar al nivel necesario para impulsar esa corriente a alguna parte.
El daño proviene de ese voltaje. El aislamiento se rompe. Se producen arcos en espacios libres que deberían haber sido seguros. Los equipos conectados soportan tensiones para las que nunca fueron diseñados.
La solución no es detener los rayos; no se puede. Es para controlar adónde va la energía y limitar el voltaje resultante.
Qué es realmente un transformador de puesta a tierra
Un transformador de puesta a tierra.-a veces llamado transformador de puesta a tierra- no es un dispositivo de protección contra rayos como lo es un pararrayos. Su trabajo es crear un punto neutral en un sistema que naturalmente no lo tiene, generalmente un sistema conectado en delta o una estrella sin conexión a tierra.
Ese punto neutro se conecta a tierra, ya sea directamente o mediante una impedancia. Lo que esto hace es proporcionar una ruta definida para las corrientes de secuencia cero, del tipo que fluye cuando hay una falla a tierra.
Sin un transformador de puesta a tierra, una falla de fase a tierra en un sistema en triángulo no tiene una ruta de retorno de baja impedancia. La corriente de falla está limitada por la capacitancia del sistema, lo que significa que es pequeña, pero el voltaje en las fases sin falla aumenta a niveles de línea a línea o más. Esto es malo para el aislamiento y dificulta la detección de fallas.
Con un transformador de puesta a tierra, una falla a tierra se convierte en un evento de baja impedancia con una corriente sustancial. Los relés de protección lo ven, los disyuntores se abren y la falla desaparece antes de que el daño se extienda.
Donde el rayo entra en escena
Ahora aquí es donde entra en juego la conexión con los rayos y donde suelen comenzar los malentendidos.
Cuando un rayo golpea un conductor de fase, crea una oleada de corriente masiva. Esa corriente necesita ir a alguna parte. Si el sistema tiene una ruta de conexión a tierra eficaz (a través de un transformador de conexión a tierra), la sobretensión puede fluir a tierra de forma controlada. El transformador proporciona una ruta de baja impedancia para el componente de secuencia cero de la corriente del rayo.
Pero, y esto es fundamental, el transformador de puesta a tierra no lo hace solo. Funciona en conjunto con descargadores de sobretensiones.
Los pararrayos fijan el voltaje a un nivel seguro conduciendo cuando el voltaje excede un umbral. Luego, la corriente fluye a través de los descargadores hacia el sistema puesto a tierra y a través del transformador de puesta a tierra hasta la red de tierra de la estación. La impedancia del transformador, combinada con la resistencia de la red de tierra, determina cuánto voltaje queda durante la sobretensión.
Qué aporta realmente el transformador de puesta a tierra
Un camino definido.Sin una referencia neutra, la corriente del rayo tiene que encontrar su propio camino hacia tierra a través del aislamiento, a través de las cubiertas del cable, a través de cualquier camino que ofrezca la menor resistencia. Esos caminos no están diseñados para eso. Resultados de daños. El transformador de puesta a tierra proporciona una ruta diseñada.
Estabilización de voltaje.Después de que pasa la sobretensión inicial, el voltaje del sistema intenta recuperarse. La conexión a tierra del transformador de puesta a tierra ayuda a restablecer una referencia neutral estable, reduciendo el riesgo de fallas posteriores o reencendidos.
Coordinación de Protección.Los relés de protección necesitan corriente de falla para funcionar. Una descarga eléctrica inducida por un rayo que se convierte en una falla de seguimiento de energía se solucionará más rápidamente si el transformador de puesta a tierra garantiza una magnitud de corriente de falla adecuada. Una limpieza más rápida significa menos energía liberada en el equipo.
Lo que no hace
Un transformador de puesta a tierra no atrae los rayos. No absorbe la energía del rayo de manera significativa. No reemplaza a los pararrayos.
He visto especificaciones que exigen un transformador de puesta a tierra para "proteger contra los rayos" como si fuera una solución independiente. Así no es como funciona. Los pararrayos limitan la tensión. El transformador de puesta a tierra proporciona la referencia y el camino. Ambos son necesarios.
Tipos de transformadores de puesta a tierra y su papel en el comportamiento contra sobretensiones
Transformadores en zigzagSon los más comunes para aplicaciones de puesta a tierra. Ofrecen baja impedancia a las corrientes de secuencia cero (exactamente lo que usted desea para el drenaje de corrientes de falla y sobretensiones por rayos) al tiempo que presentan una alta impedancia a las corrientes de secuencia positiva y negativa.
Transformadores estrella-triángulotambién puede servir comotransformadores de puesta a tierra. El devanado delta proporciona un camino para que circulen las corrientes de secuencia cero, creando efectivamente una referencia neutral. En caso de rayos, el devanado delta puede ayudar a distribuir la energía de sobretensión entre las fases, reduciendo la tensión en cualquier punto.
La elección entre ellos depende del voltaje del sistema, la corriente de falla disponible y la filosofía de protección. Para el rendimiento contra rayos, cualquiera de los dos puede funcionar si se coordina adecuadamente con los pararrayos.
La instalación importa: la conexión a la red de tierra
Un transformador de puesta a tierra es tan bueno como su conexión a tierra. El punto neutro debe conectarse a una red de puesta a tierra de baja resistencia. Si la resistencia de la red de tierra es alta, la corriente del rayo que fluye a través de ella crea un aumento de voltaje que frustra el propósito.
Aquí es donde veo problemas en el campo. Un cliente instala un transformador de puesta a tierra, lo conecta a tierra con una sola varilla y espera protección contra rayos. Luego ocurre una huelga, el voltaje en el neutro del transformador aumenta a kilovoltios y el equipo falla. El transformador hizo su trabajo; el sistema de puesta a tierra no lo hizo.
La conexión del neutro del transformador de puesta a tierra debe ir a la red de tierra de la estación, con picas múltiples, conductores enterrados y baja resistencia general. Eso no es negociable.
Consideraciones de mantenimiento
Un transformador de puesta a tierra que permanece inactivo la mayor parte del tiempo, transportando sólo corriente desequilibrada y ocasionalmente corriente de falla, es fácil de descuidar. Para que la protección contra rayos funcione cuando sea necesario, el transformador debe estar en buenas condiciones.
Las pruebas de resistencia de aislamiento verifican que los devanados no se hayan degradado. Las pruebas de resistencia de la red de tierra confirman que la conexión a tierra no ha empeorado. Las inspecciones de conexión detectan terminales sueltos antes de que se conviertan en puntos de alta impedancia.
Proporcionamos pautas de mantenimiento con cada transformador de puesta a tierra, adaptadas al servicio y al entorno esperados. En zonas propensas a rayos, se justifican controles más frecuentes.
Lo que les digo a los clientes sobre la protección contra rayos
Si le preocupan los rayos, esto es lo que necesita:
En primer lugar, disipadores de sobretensiones en cada punto de entrada de la línea, del tamaño adecuado y coordinados.
En segundo lugar, un sistema de puesta a tierra de baja impedancia: rejilla, varillas y conexiones diseñadas para la corriente de falla disponible y las condiciones del suelo.
En tercer lugar, un transformador de puesta a tierra si su sistema necesita una referencia neutra para que los dos primeros funcionen de manera efectiva.
El transformador de puesta a tierra.es el facilitador. Permite que los pararrayos hagan su trabajo y le da a la corriente del rayo un camino que no destruye el equipo. Pero es parte de un sistema, no una solución independiente.
Si está diseñando un sistema de protección contra rayos y se pregunta si es adecuado un transformador de puesta a tierra, estaré encantado de explicarle los detalles. La respuesta correcta depende de la configuración de su sistema, las condiciones del suelo y el nivel de riesgo aceptable.
Referencias
- IEEE Std 80, Guía IEEE para la seguridad en la puesta a tierra de subestaciones de CA.
- IEEE Std C62.22, Guía IEEE para la aplicación de supresores de sobretensiones de óxido metálico para sistemas de corriente alterna.
- IEC 60076-6, Transformadores de potencia – Parte 6: Reactores (incluye transformadores de puesta a tierra).
