Conexión estrella-estrella con neutros aislados

El estudio que se realiza es aplicable a un banco de tres transformadores monofásicos conectados en estrella-estrella. Un transformador trifásico del tipo acorazado tiene esencialmente las mismas características que un banco de tres transformadores monofásicos y por tanto el estudio también será aplicable a la conexión estrella-estrella de unidades trifásicas del tipo acorazado .En cambio ,el estudio no es aplicable a un transformador trifásico de tipo de núcleo conectado en estrella-estrella ya que sus características de excitación son marcadamente diferentes de las de un banco de tres transformadores monofásicos conectados en estrella-estrella.

Consideremos un banco estrella –estrella de transformadores monofásicos con neutros aislados, excitados por un generador trifásico equilibrado cuyas tensiones tienen forma de onda sinusoidal y supóngase que el banco no está alimentando a ninguna carga. Las conexiones son mostradas en la figura 2.8a.

Como el neutro de los primarios está aislado al neutro del generador, la suma instantánea de las corrientes de excitación suministradas a un transformador cualquiera a de encontrar su camino de retorno al generador de los primarios de los otros transformadores.

y su influencia en la forma de onda de la corriente y el flujo magnético.

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El resultado de esta interdependencia de las corrientes de excitación entre si es que las tensiones en los trasformadores están determinadas por sus características de excitación. Como tres transformadores tienen rara vez características de excitación exactamente iguales, aun cuando sea del mismo diseño, las tensiones respecto al neutro suelen estar más o menos desequilibradas, aun cuando estén equilibradas las tensiones entre línea y línea y esta situación no es conveniente.

El neutro aislado tiene también un efecto sobre los armónicos de la corriente de excitación .Para analizar este fenómeno, se supone que los transformadores tienen características de excitación exactamente iguales. En tal caso, las corrientes de excitación suministradas de los transformadores tendrán la misma intensidad y forma de onda, pero estarán desfasadas un tercio de periodo, por tanto, los terceros armónicos de las tres corrientes de excitación, si existieran, estarían en concordancia de fase y su suma no sería nula.

Figura 2.8. Banco de transformadores monofásicos en estrella-estrella; a) conexiones, y b) oscilogramas de la tensión entre línea y línea, la tensión respecto al neutro, la corriente de excitación y la tensión entre el neutro 0 del generador y el neutro N de los primarios

y su influencia en la forma de onda de la corriente y el flujo magnético.

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No obstante, como las suma de las intensidades instantáneas de las corrientes de excitación deben ser siempre nulas a causa del neutro aislado, en las corrientes de excitación no podrán haber armónicos terceros ni de orden múltiplo del tercero y por tanto la forma de onda de la corriente de excitación en cada transformador será diferente de la forma de onda que se requiere para crear una variación sinusoidal del flujo en su núcleo.

El oscilograma de en la figura 2.8b es un ejemplo ordinario de forma de onda de las corrientes de excitación en un banco de estrella-estrella con neutro aislado. Es interesante comparar esta forma de onda con la de la corriente de excitación para flujo variable sinusoidalmente, representada en [15] . Cuando la variación del flujo es sinusoidal, la forma de onda de la corriente de excitación presenta un pico muy agudo, correspondiendo el pico de intensidad al instante en que se dobla el ciclo de histéresis en sus extremos. Este pico agudo de las corrientes de excitación es la causa del tercer armónico relativamente intenso de la corriente de este tercer armónico por estar aislado el neutro de la estrella, debido a esto se reduce la intensidad de pico de la corriente de excitación y la onda presenta frecuentemente una doble cumbre, como en la figura 2.8b. La doble cumbre se debe principalmente a la presencia de quintos armónicos .Es interesante señalar que la doble cumbre de la onda de corriente de excitación indica un lazo del ciclo de histéresis que penetra en el cerca de sus extremos. Al aislar el neutro de los primarios solo se suprimen los armónicos tercero y de frecuencias múltiplos de la de él, todos los restantes armónicos de las tres corrientes de excitación podrán circular, ya que están desfasados en 120° y sus sumas son nulas.

Como para una variación sinusoidal de flujo es necesario un tercer armónico de la corriente de excitación, la supresión de estos terceros armónicos de la corriente de excitación evita que el flujo varíe sinusoidalmente e introduce en los flujos en el núcleo terceros armónicos que inducen terceros armónicos en las tensiones de primario y secundario de cada transformador. A inducciones magnéticas ordinarias

y su influencia en la forma de onda de la corriente y el flujo magnético.

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en el núcleo, estos terceros armónicos de las tensiones suelen ser de un 30 a un 70 % del armónico fundamental de la tensión respecto al neutro. Luego, aun cuando varían sinusoidalmente las tensiones aplicadas a los terminales de la línea, la forma de onda de las tensiones respecto al neutro no será sinusoidal cuando el neutro del banco este aislado del neutro generador.

Las relaciones entre las tensiones instantáneas entre línea y línea y entre línea y neutro son:

(2.7) (2.8) (2.9)

Como los terceros armónicos de las tres tensiones respecto al neutro y los armónicos de orden múltiplo del tercero están en concordancia de fase y tienen igual valor, las diferencias entre los terceros armónicos de dos tensiones respecto al neutro cualesquiera, tales como las que figuran en los segundos miembros de las ecuaciones (2.7), (2.8) y (2.9), son nulas en condiciones de equilibrio.

Luego, de las tensiones respecto al neutro podrán haber armónicos terceros y de ordenes múltiplos del tercero sin que estos armónicos se hallen presentes en las tensiones entre línea y línea. Sin embargo, en las tensiones entre línea y neutro no podrían aparecer otros armónicos, a menos que se hallen presentes también en las tensiones entre línea y línea. En caso de que este balanceadas las tensiones entre línea y línea y varíen sinusoidalmente, las tensiones entre línea y neutro contienen armónicos fundamentales de valor eficaz igual al producto de 1/ o sea 0.577 por el valor eficaz de las tensiones entre línea y línea y armónicos terceros y de ordenes múltiplos del tercero, cuyos valores eficaces están determinados por las características magnéticas no lineales del núcleo.

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Si se desprecian los armónicos novenos y siguientes y se suponen tensiones entre línea y línea sinusoidales, el valor eficaz de las tensiones respecto al neutro es:

(2.10)

Donde es la tensión eficaz del armónico fundamental y es la tensión eficaz del tercer armónico. Este suele valer ordinariamente entre un 30 y un 70 % del armónico fundamental. Si como valor representativo se toma:

(2.11)

Entonces,

(2.12)

=1.12 (2.13)

Donde es el valor eficaz de las tensiones equilibradas entre línea y línea variables sinusoidalmente, y donde los transformadores se supone que tienen características de excitación exactamente iguales. Así, el valor eficaz de las tensiones respecto al neutro ya no es como se obtendría si variaran sinusoidalmente las tensiones respecto al neutro, sino que es mayor que este valor.

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Además, los valores máximos de los armónicos fundamental y tercero de las tensiones respecto al neutro se tienen, aproximadamente, en el mismo instante del ciclo. Por tanto, la forma de onda de las tensiones respecto al neutro presentará un pico agudo, según puede verse en el oscilograma de en la figura 2.8b .Las tensión de pico en cada transformador es entre un 30 y 70 % mayor que la tensión de pico del armónico y, por tanto, puede ser casi tan grande como el valor pico de las tensiones entre línea y línea. Esta condición no es conveniente, ya que se aumentan los esfuerzos a que se somete el aislante debidos a la tensión, a causa de las tensiones de los terceros armónicos.

Cuando están equilibradas las tensiones del generador en estrella y varían sinusoidalmente, teniendo los transformadores características de excitación exactamente iguales, los terceros armónicos de las tensiones en los transformadores aparecen como tensiones de frecuencia triple entre el neutro del generador y el neutro de los primarios de los transformadores, según puede verse en el oscilograma de en la figura 2.8b. Si se pone a tierra el neutro del generador, entre el neutro de los primarios y tierra existe una tensión de frecuencia triple cuyo valor eficaz suele estar comprendido entre el 30 y el 70% de la tensión entre línea y neutro. Si no se pone a tierra ni el neutro del generador ni el de los primarios, las tensiones entre las líneas y tierra y entre el neutro de los primarios y tierra están determinadas por las capacidades de las líneas a tierra y de los devanados del transformador a tierra.

En determinadas circunstancias, los fenómenos de resonancia pueden incrementar en mucho los terceros armónicos de las tensiones. Esta condición peligrosa puede presentarse cuando se conecta el banco a una línea de transmisión o cable y está a tierra el punto neutro de los devanados de los transformadores, como se indica en la figura 2.9.

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Con esta conexión, el neutro del banco de transformadores se halla al potencial de tierra y por tanto, aun cuando las tensiones de la frecuencia del tercer armónico inducidas en cada transformador no se hallen presentes en las tensiones entre línea y línea, aparecen como terceros armónicos de las tensiones entre los hilos de la línea y tierra. Estas tensiones de la frecuencia del tercer armónico crean corrientes de excitación de igual frecuencia en los circuitos constituidos por las capacidades a tierra de los hilos de la línea en serie con los devanados a tierra de los transformadores, tal como se muestra en la figura 2.9. Si las reactancias capacitivas para frecuencia triple de los hilos de la línea respecto a tierra son iguales a las reactancias magnetizantes para frecuencia triple de los transformadores, se estará en condiciones muy próximas a las de resonancia serie y los terceros armónicos de las tensiones entre línea y neutro pueden hacerse peligrosamente elevados. En estas circunstancias se han medido tensiones triples de la normal entre línea y neutro.

Figura 2.9. Caminos de las corrientes de la frecuencia del tercer armónico creadas cuando se conecta un banco estrella-estrella con neutro a tierra a una línea de transmisión larga.

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Se puede concluir que, hay que evitar esta conexión, pues podrían desarrollarse por resonancia terceros armónicos excesivamente intensos.