Los circuitos equivalentes de secuencia de transformadores trifásicos dependen de las conexiones de los devanados primario y secundario. Las diferentes combinaciones de los devanados Δ–Y determinan las configuraciones de los circuitos de secuencia cero y el defasamiento en los circui- tos de secuencia positiva y negativa.
Ejemplo 5. En la Figura 2.23 se presenta otra situación en la que existen corrientes monofásicas
en un banco estrella-delta. En ella puede verse un banco estrella-delta con neutro a tierra situado en el extremo receptor de una línea de transmisión, existiendo una falla F de línea a tierra en el conductor C de fase.
De momento, supongamos que el neutro de la estrella es la única tierra del sistema aparte de la falla. La corriente de falla circula de la fase C a tierra y vuelve al sistema de transmisión a través de la conexión a tierra del neutro de la estrella. Como parte de esta corriente circula desde el neutro de la estrella a través del primario del transformador C, como indica la corriente I NC de la
Figura 2.23, por el secundario del transformador C deberá circular una corriente directamente opuesta Ica que también circulará por los secundarios de otros dos transformadores, según indican
las flechas de la Figura 2.23. Por tanto, por los primarios de los transformadores B y C deberán circular también corrientes directamente opuestas. Como por los tres secundarios circula la misma corriente, las tres corrientes que circulan por los primarios deberán ser de igual intensidad y estar en concordancia de fase y por tanto, cada una de ellas deberá ser la tercera parte de la corriente de falla. La distribución de corrientes es, pues, la indicada por las flechas de trazo continuo de la Figura 2.23, en donde cada flecha representa un tercio de la corriente en la falla. En la terminología de las componentes simétricas, estas corrientes de igual intensidad y en concordancia de fase se llaman corrientes de secuencia cero.
Figura 2.23 Falla de línea a tierra en el lado de los primarios de un banco estrella-delta con neutro de los primarios puesto a tierra
4.5.1 Transformador Y-Y ambos neutros aterrizados
Cuando ambos neutros de un banco Y-Y se aterrizan directamente, o lo hacen a través de una impedancia, hay una trayectoria a través del transformador para las corrientes de secuencia cero en ambos devanados. Esta corriente fluirá siempre y cuando la corriente de secuencia cero pueda seguir un circuito completo fuera del transformador en ambos lados del mismo. En el circuito de secuencia cero, los puntos sobre ambos lados del transformador se conectan por las impedancias de secuencia cero del transformador de la misma manera que en las redes de secuencia positiva y negativa.
4.5.2 Transformador Y-Y con un neutro aterrizado
Si uno de los neutros de un banco Y-Y está sin aterrizar, no puede fluir la corriente de secuencia cero en ninguno de los devanados. La ausencia de una trayectoria para la corriente en uno de los devanados hace que no haya corriente en el otro y se tiene un circuito abierto para la corriente de secuencia cero en ambas partes del sistema conectado por el transformador.
En cambio si se disponen las conexiones de transformador de manera que puedan existir corrientes de secuencia cero en uno de los lados pero no en el otro, la impedancia a las corrientes de secuencia cero en el lado que puedan existir es la impedancia en circuito abierto o impedancia de excitación de una fase del banco. En el otro lado, el banco actúa como circuito abierto para las corrientes de secuencia cero. Esta es la situación en la disposición indicada en la Figura 2.25.
Aplicando los principios generales ilustrados en el estudio anterior, puede determinarse la distribución de corrientes de secuencia cero en cualquier banco de transformadores que contenga una combinación cualquiera de devanados conectados en estrella y en delta. Estos mismos principios se aplican también a los transformadores trifásicos, igual que a los bancos trifásicos de unidades monofásicas, siendo la única diferencia que la impedancia de excitación para secuencia cero de un transformador trifásico del tipo núcleo es muy inferior a la de un banco análogo de
Figura 2.25 Transformador Y-Y con un neutro aterrizado Figura 2.24 Transformador Y-Y ambos neutros aterrizados
4.5.3 Transformador Δ-Δ
Los circuitos equivalentes de secuencia positiva y negativa para el transformador Δ-Δ (como aquellos para la conexión Y-Y) corresponden exactamente al circuito equivalente monofásico general. Como un circuito Δ no tiene trayectoria de retorno para la corriente de secuencia cero, no puede haber un flujo en ambos lados del banco Δ-Δ, aunque algunas veces circule en los devanados de la Δ.
La conexión Δ-Δ se ilustra en la Figura 2.26.
En una conexión de estas,
VLP = VFP
VLS = VFS
Así que la relación entre los voltajes de línea primario y secundario es VLP / VLS = VFP / VFS = a
Esta conexión se utiliza frecuentemente para alimentar sistemas de alumbrado monofásicos y carga de potencia trifásica simultáneamente, presenta la ventaja de poder conectar los devanados primario y secundario sin desfasamiento, y no tiene problemas de cargas desbalanceadas o armónicas. Sin embargo, circulan altas corrientes a menos que todos los transformadores sean conectados con el mismo tap de regulación y tengan la misma razón de voltaje.
La suma fasorial de los voltajes línea a línea es igual a cero en cada lado del transformador Δ-Δ y así VAB0= Vab0= 0. Al aplicar en esa figura las reglas de la notación convencional de puntos para
bobinas acopladas, se tiene:
ab AB V N N V 2 1 = ) ( 1 2 2 1 2 1 AB ab ab AB V V N N V V + = +
Los voltajes línea a línea se pueden escribir como voltajes línea a neutro por medio de la Ecuación siguiente, en la forma:
° ∠ + ° ∠ = ° − ∠ + ° ∠30 3 30 ( 3 30 3 30 3 1 2 2 1 2 1 AN an an AN V V N N V V ) y así 1 2 1 1 an AN V N N V = 2 2 1 2 an AN V N N V =
4.5.4 Transformador Y-Δ estrella aterrizada
Si el neutro de un banco Y-Δ, está aterrizado, las corrientes de secuencia cero tienen una trayec- toria a tierra a través de la Y, por que pueden circular en la Δ las correspondientes corrientes in- ducidas. La corriente de secuencia cero que circula en la Δ balancea magnéticamente la corriente de secuencia cero en la Y, pero no puede fluir en las líneas conectadas a la Δ.
Si existieran corrientes de secuencia cero en los devanados conectados de un banco estrella-delta cuyo neutro de la estrella esté puesto a tierra, las corrientes de secuencia cero que circulan por el lado conectado en estrella inducen en el delta corrientes de secuencia cero que no harán más que circular por él. Así, pues, la impedancia a la secuencia cero del banco de transformadores por fase vista desde su lado conectado en estrella es igual a la impedancia equivalente de uno de los trans- formadores. Sin embargo, por los circuitos exteriores conectados a la delta no pueden circular corrientes de secuencia cero y el banco, por tanto, actúa como un circuito abierto para las corrien- tes de secuencia cero, situado en el circuito exterior del lado conectado en delta, como se indica en la Figura 2.27.
4.5.5 Transformador Y-Δ estrella no aterrizada
Una Υ no aterrizada es un caso especial donde la impedancia entre el neutro y la tierra es infinita. Cuando se pasa del lado de baja al lado de alta de un transformador Y-Δ o Δ-Y, los voltajes (y las corrientes) de secuencia positiva avanzan en 30° y los voltajes de secuencia negativa (y las corrientes) se retrasan en 30°.
El hecho de que al pasar de un lado a otro de un transformador Y-Δ o Δ-Y, las componentes de secuencia positiva de los voltajes y corrientes de uno de los lados del transformador se deben dafasar de manera separada de las componentes de secuencia negativa del mismo lado, antes de combinarlas para formar los voltajes reales en el otro lado del transformador.
Notas sobre el defasamiento. El Instituto Americano de Estándares Nacionales (ANSI) requiere
que las conexiones de los transformadores Y-Δ o Δ-Y, sean tales que el voltaje al neutro de secuencia positiva, sobre el lado de alto voltaje, adelante al voltaje al neutro de secuencia positiva, sobre el lado de bajo voltaje en 30°.
La conexión Υ-Δ de los transformadores trifásicos se ilustra en la Figura 2.28.
En esta conexión el voltaje primario de línea se relaciona con el voltaje primario de fase mediante VLP =√3 · VFP, y el voltaje de línea secundario es igual al voltaje de fase secundario VLS = VFS. La
relación de voltaje de cada fase es:
VFP / VFS = a
De tal manera que la relación total entre el voltaje de línea en el lado primario del grupo y el voltaje de línea en el lado secundario del grupo es:
VLP / VLS = (√3 · VFP) / VFS
VLP / VLS = (√3 · a)
La conexión Υ-Δ no tiene problema con los componentes del tercer armónico en sus voltajes, ya que ellos se consumen en la corriente circulatoria del lado delta (Δ). Está conexión también es más estable con relación a las cargas desbalanceadas, puesto que la delta (Δ) redistribuye parcialmente cualquier desbalance que se presente.
Esta disposición tiene, sin embargo, un problema. En razón de la conexión delta (Δ), el voltaje secundario se desplaza 30º con relación al voltaje primario del transformador. El hecho de que un desplazamiento de la fase haya ocurrido puede causar problemas al conectar en paralelo los secundarios de dos grupos de transformadores. Los ángulos de fase de los transformadores secundarios deben ser iguales si se supone que se van a conectar en paralelo, lo que significa que se debe poner mucha atención a la dirección de desplazamiento de 30º de la fase, que sucede en cada banco de transformadores que van a ser puestos en paralelo.
En estados unidos se acostumbra hacer que el voltaje secundario atrase al primario en 30º. Aunque esto es lo reglamentario, no siempre se ha cumplido y las instalaciones más antiguas deben revisarse muy cuidadosamente antes de poner en paralelo con ellos un nuevo transformador, para asegurarse que los ángulos de fase coincidan.
La conexión que se muestra en la Figura 2.28 hará que el voltaje secundario se atrase, si la secuencia es abc. Si la secuencia del sistema fase es acb, entonces la conexión que se ve en la Figura 2.28 hará que el voltaje secundario se adelante al voltaje primario en 30º .
Se usa en los sistemas de transmisión de las subestaciones receptoras cuya función es reducir el voltaje. En sistemas de distribución es poco usual (no tiene neutro) se emplea en algunos ocasiones para distribución rural a 20 KV.