Artículo académico / Academic Paper
Recibido: 16-02-2022, Aprobado tras revisión: 08-07-2022
Forma sugerida de citación: Erazo, J.; Arcos, H. (2022). “Dimensionamiento de un Transformador tipo Zig-Zag para Puesta a
Tierra en la Central de Generación Illuchi 1 de ELEPCO”. Revista Técnica “energía”. No. 19, Issue I, Pp. 1-12
ISSN On-line: 2602-8492 - ISSN Impreso: 1390-5074
Doi: https://doi.org/10.37116/revistaenergia.v19.n1.2022.504
© 2022 Operador Nacional de Electricidad, CENACE
Sizing of a Zig-Zag Type Transformer for Grounding in ELEPCO's Illuchi 1
Generation Plant
Dimensionamiento de un Transformador tipo Zig-Zag para Puesta a Tierra
en la Central de Generación Illuchi 1 de ELEPCO
J.J. Erazo
1
H.N. Arcos
1
1
Escuela Politécnica Nacional, Quito, Ecuador
E-mail: joel.erazo@epn.edu.ec; hugo.arcos@epn.edu.ec
Abstract
In this document, the technical-economic study for
the specification of a Zig-Zag transformer for
grounding of Illuchi I generation power plant, is
presented. Starting with the creation of a database
with the electrical parameters of the elements that
are part of from the power station, a model is
implemented in the Power Factory software on
which power flows and short circuits are executed.
The results obtained are analyzed by a DPL
programmed script that decides the electrical
parameters needed for the earthing transformer
specification Zig-Zag. Then, the behavior of the
system is verified with the connection of the Zig-Zag
transformer and the system of overcurrent
protections in the transmission line Illuchi I - The
Calvary with the rest of the ELEPCO system is
coordinated. Also, an assessment is made of the costs
and benefits associated with the implementation of
the grounding system using the Zig-Zag
transformer. It is important to set up that a correctly
selected and designed earthing system supplies
safety and protection both to people and to the
elements of power plants.
Resumen
En este documento se presenta el estudio técnico-
económico para la especificación de un
transformador Zig-Zag para puesta a tierra de la
Central de Generación Illuchi I. Partiendo con la
creación de una base de datos con los parámetros
eléctricos de los elementos que forman parte de la
central, se implementa un modelo en el software
Power Factory en el que se ejecutan flujos de
potencia y cortocircuitos. Los resultados obtenidos
se analizan mediante un script programado en DPL
que determina los parámetros eléctricos necesarios
para la especificación del transformador de puesta a
tierra Zig-Zag. Después, se verifica el
comportamiento del sistema con la conexión del
transformador Zig-Zag en la central y se coordina el
sistema de protecciones de sobrecorriente de la línea
de transmisión Illuchi I - El Calvario con el resto del
sistema de ELEPCO. También, se realiza una
valoración de los costos y beneficios asociados a la
implementación del sistema de puesta a tierra
mediante el transformador Zig-Zag. Es importante
establecer que un sistema de puesta a tierra
correctamente seleccionado y diseñado brinda
seguridad y protección tanto a las personas como a
los elementos de las centrales eléctricas.
Index terms Illuchi I, grounding system, Zig-Zag
transformer, technical-economic study, electrical
protections.
Palabras clave Illuchi I, puesta a tierra,
transformador Zig-Zag, estudio técnico-económico,
protecciones eléctricas.
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Edición No. 19, Issue I, Julio 2022
1. INTRODUCCIÓN
En sus inicios, muchos de los sistemas de potencia
eran diseñados y operados con el neutro aislado, es decir,
sin una conexión intencional a tierra. Este método era útil
especialmente ante fallas ocasionadas por contactos
momentáneos de una de las fases a tierra, ante las cuales
el sistema podía seguir operando por un determinado
tiempo hasta que la falla se despeje por si sola o fuera
localizada y reparada, evitando así interrupciones
prologadas del servicio. Sin embargo, con la expansión
de los sistemas de potencia, tanto en capacidad como en
nivel de voltaje, fenómenos de característica transitoria
ocasionados por fallas, maniobras y descargas
atmosféricas generaban sobrevoltajes recurrentes muy
altos que ponían en riesgo el aislamiento de los equipos.
Por estos motivos la mayoría de los sistemas eléctricos
empezaron a operar conectados sólidamente a tierra o a
través de una impedancia, permitiendo despejar
automática y selectivamente cada circuito con falla [1].
En la actualidad, existen varios métodos y criterios
para la conexión a tierra de un sistema de potencia y cada
uno tiene su propio propósito.
De manera general, los sistemas de puesta a tierra
cumplen una función importante en cuanto a seguridad y
protección, manteniendo los niveles de voltaje a tierra
dentro de límites seguros tanto para las personas como
para el aislamiento de los equipos. Adicionalmente los
sistemas de puesta a tierra proporcionan un flujo de
corriente que permite la detección de una conexión no
deseada entre los conductores del sistema y tierra; esta
detección inicia el arranque y operación de dispositivos
automáticos de protección que aíslan a los elementos y
equipos protegidos, prolongando su vida útil [2].
La conexión a tierra de un sistema de potencia
considera una gran cantidad de factores tales como: tipo
de conexión a tierra, factores de puesta a tierra, relación
de impedancias de secuencia, corrientes de cortocircuito,
sobrevoltajes, etc., factores que no pueden definirse
individualmente debido a su interdependencia. En este
contexto, seleccionar y diseñar un método de puesta a
tierra que ofrezca un equilibrio en términos técnicos y
económicos es una tarea difícil.
En sistemas de potencia antiguos como el de la
Central Illuchi I, en donde el neutro no existe, es común
la presencia de fenómenos de origen transitorio, estos
generalmente son sobrevoltajes con magnitudes
superiores al nominal que resultan de una condición
resonante establecida entre la reactancia inductiva del
sistema y la capacitancia distribuida a tierra durante una
falla monofásica [1]. Estas sobretensiones transitorias
presentes en las fases sanas son destructivas, ya que
causan fallas en el aislamiento en múltiples ubicaciones
del sistema y particularmente en los generadores.
Otro problema asociado a la ocurrencia de fallas
monofásicas sostenidas es el exagerado tiempo que se
emplea para localizar la falla, aspecto que, sin importar
el procedimiento que se siga, afecta notablemente a la
continuidad del servicio. A esto se suma el hecho de que,
si no se puede ubicar la falla antes de que ocurra una
segunda falla monofásica, se producirá una falla bifásica
[2].
Todo el sistema de protecciones de la red de ELEPCO
está coordinada en función de las protecciones de
sobrecorriente, de tal forma que al no existir una
conexión a tierra que permita el flujo de corrientes de
falla las protecciones en la central Illuchi I no operan
coordinadamente con el resto del sistema interconectado.
En este contexto, cualquier contingencia que ocurra en el
nexo eléctrico comprendido entre la subestación Illuchi I
y la subestación El Calvario ocasiona la desconexión
innecesaria de elementos.
En este artículo se presenta la especificación de un
transformador Zig-Zag para la puesta a tierra del sistema
eléctrico de la Central Illuchi I. Para el efecto se realiza
una modelación en DigSilent Power Factory mediante la
cual se obtienen los parámetros eléctricos y
características constructivas del transformador,
especificaciones que permiten estimar los costos para la
implementación de esta solución técnica por parte de la
Empresa Eléctrica Provincial de Cotopaxi.
La operación del transformador Zig-Zag permitirá la
circulación de corrientes de secuencia cero por sus
devanados, posibilitando la coordinación del sistema de
protecciones de sobrecorriente, adicionalmente evitará
daños en el aislamiento de los equipos dada la reducción
en la magnitud de los sobrevoltajes transitorios esperados
en fases sanas, evitando la salida innecesaria de
elementos del sistema y las pérdidas económicas
asociadas a la indisponibilidad de la central.
A continuación, se presentan conceptos,
características de funcionamiento y parámetros técnicos
de dimensionamiento y selección del transformador Zig-
Zag, seguido del procedimiento utilizado para la
modelación y determinación de los parámetros del
transformador Zig-Zag de puesta a tierra propuesto.
Finalmente se detallan y analizan los resultados, luego de
lo cual se presentan las conclusiones y recomendaciones.
2. TRANSFORMADOR DE PUESTA A TIERRA
ZIG-ZAG
El transformador de puesta a tierra en Zig-Zag
permite convertir un sistema trifásico de tres hilos sin
conexión a tierra en un sistema trifásico de cuatro hilos
con conexión a tierra. La función principal de un
transformador de puesta a tierra es crear un camino de
baja impedancia para la corriente de secuencia cero
durante una falla a tierra o en condiciones de desbalance
de carga, esto con la finalidad de reducir la magnitud de
posibles sobrevoltajes.
2
Erazo et al. / Estudio Técnico Económico para el Dimensionamiento de un Transformador Zig-Zag para Puesta a Tierra
2.1. Estructura y Conexiones Internas
El transformador de puesta a tierra Zig-Zag está
conformado por tres devanados externos (Zig) y tres
devanados internos (Zag). Los terminales del
transformador que se conectan al sistema trifásico
existente pertenecen a los devanados externos. De igual
manera, los devanados internos se conectan entre sí para
formar el terminal neutro que se conecta directamente o
mediante una resistencia a tierra. La Fig. 1 muestra una
representación detallada.
Figura 1: Conexión de devanados en un transformador Zig-Zag
La conexión de los devanados del transformador Zig-
Zag es denominada estrella interconectada, puesto que el
devanado Zig de una fase está conectado en serie
sustractiva con el devanado Zag de la otra fase. De esta
forma, cada una de las fases del transformador Zig-Zag
está formada por dos devanados idénticos, pero
enrollados en dirección opuesta, asegurando una alta
impedancia en condiciones normales de operación y una
impedancia muy baja cuando se ha producido una falla a
tierra.
La Fig. 2 muestra los voltajes en los devanados del
transformador, en tanto que en (1) se muestra la
equivalencia entre estos voltajes [3].
Figura 2: Relación de voltajes en un transformador Zig-Zag [6]
(1)
donde
,
son los voltajes en los devanados zig y
zag y
,
son los voltajes de fase y línea.
2.2. Funcionamiento
En condiciones normales de operación, con voltaje
nominal trifásico balanceado y sin presencia de fallas,
por los devanados del transformador de puesta a tierra
solo circula una pequeña corriente magnetizante [4], [5].
Cuando ocurre una falla a tierra en cualquiera de las
fases del sistema, como se muestra en la Fig. 3, el
transformador de puesta a tierra divide la corriente de
falla a tierra en tres componentes iguales; estas corrientes
fluyen en los devanados y están en fase entre sí. En estas
condiciones, las corrientes en los dos devanados en la
misma rama del núcleo fluyen en direcciones opuestas y
los flujos magnéticos creados por estas dos corrientes se
opondrán y se neutralizarán.
Figura 3: Flujo de corriente durante una falla en la fase ‘c’
Al no existir un aumento en el flujo debido a la
corriente de falla, no se induce voltaje adicional a través
del devanado, de esta manera, se puede concluir que el
transformador de conexión a tierra tipo Zig-Zag,
mantiene el voltaje nominal en condiciones normales de
operación, así como cuando se produce una falla.
2.3. Parámetros Técnicos de un Transformador de
Puesta a Tierra Zig-Zag
Para especificar un transformador de puesta a tierra,
se debe tener en cuenta los siguientes parámetros:
2.3.1 Voltaje en el primario.
El voltaje en el devanado primario es el voltaje
nominal del sistema al que se va a conectar el
transformador de puesta a tierra, es decir es el voltaje de
línea a línea para el cual está diseñado el transformador.
Es importante también especificar el nivel de impulso
básico (BIL) correspondiente del transformador,
característica que le permite soportar sobretensiones de
frente rápido.
2.3.2 Corriente continua en el neutro
La corriente continua en el neutro se define como tres
veces la corriente de fase o, en otras palabras, la corriente
de secuencia cero. Para un sistema equilibrado este valor
es cero. Sin embargo, se debe considerar que puede
3
Edición No. 19, Issue I, Julio 2022
circular una corriente de fuga a tierra que no es una
función simétrica y su valor no debe activar los circuitos
de protección. Este valor de corriente se obtiene de las
pruebas de cortocircuito realizadas al modelo del sistema
en el que se va a instalar el transformador.
2.3.3 Duración de la falla
La corriente de falla determina la capacidad térmica
del transformador de puesta a tierra. Este valor de
corriente es necesario para calcular el calentamiento
durante el tiempo que dura la falla en el sistema y debe
determinarse a partir de pruebas de cortocircuito
realizadas al modelo del sistema en el que se va a instalar
el transformador. Los valores típicos van desde unos
cientos de amperios hasta unos pocos miles de amperios,
con tiempos de duración expresados en segundos y no en
ciclos.
La duración de la falla es un parámetro crítico para el
diseño de transformadores, cuando los esquemas de
protección utilizan un transformador de puesta a tierra,
para las funciones de disparo se especifica una duración
de tiempo relativamente corta (5 a 10 segundos). Por otro
lado, cuando el transformador de puesta a tierra se utiliza
para mostrar una alarma, se requerirá una mayor duración
de la corriente de falla por el neutro del transformador.
2.3.4 Capacidad
La capacidad del transformador de puesta a tierra
hace referencia a la potencia aparente trifásica. Esta
potencia se calcula como se expresa en (2) [6].
(2)
donde
es la capacidad del transformador e
es la
corriente que circula por el neutro en condición de falla.
Cada devanado del transformador transporta un tercio
de la corriente total que circula por el neutro y tiene un
voltaje inferior al de fase, por lo que la potencia se reduce
en un factor de raíz de tres.
Generalmente, para los transformadores de puesta a
tierra se usa una clasificación de tiempo de 10 segundos
a 1 minuto, aunque se pueden especificar otras
clasificaciones como las sugeridas en la Norma AIEE
para "Dispositivos de puesta a tierra neutra" [7]. Por esta
razón, su tamaño y costo son menores que los de un
transformador de servicio continuo de igual capacidad.
Al aplicar un factor de reducción K a la capacidad
nominal de corto plazo del transformador de puesta a
tierra, como se indica en (3), se obtiene una capacidad
reducida que puede usarse para una estimación de precio.
Se sugiere una capacidad continua del 3% para una
unidad con una clasificación de tiempo de 10 segundos.
(3)
donde
es la capacidad trifásica reducida del
transformador de puesta a tierra,
es la capacidad
dimensionada de operación en presencia de falla y es
el factor de reducción para estimar el costo del
transformador
2.3.5 Impedancia
La impedancia del transformador debe asegurar que
los voltajes en las fases sanas se encuentren dentro de los
límites de sobretensión temporal del transformador y de
los equipos asociados; también se puede seleccionar la
impedancia del transformador de puesta a tierra para
limitar las corrientes de fallas a tierra.
Esta impedancia relaciona las magnitudes de voltaje
y corriente presentes en el transformador cuando ocurre
una falla a tierra y se determina a partir de estudios
técnicos realizados en el modelo del sistema en conjunto
con las expresiones (4) y (5), con una tolerancia de ±2.5%
a casi un ±10% [8].
(4)
(5)
donde
es la corriente de falla monofásica que circula
por el neutro,
son las impedancias de secuencia
positiva y negativa,
es la resistencia de secuencia
cero,
es la resistencia de puesta a tierra conectada al
neutro del transformador,
es la reactancia de
secuencia cero y
es la reactancia de puesta a tierra
conectada al neutro del transformador.
2.3.6 Protecciones del transformador Zig-Zag
Al conectar un trasformador de puesta a tierra Zig-
Zag en un sistema aislado, se debe considerar la siguiente
filosofía de protecciones:
El sistema debe estar protegido ante cualquier
falla producida en el transformador Zig-Zag.
Es necesario una protección de respaldo que actúe
cuando la protección primaria no pueda despejar
la falla a tierra.
La protección debe estar configurada de manera
selectiva para evitar cortes innecesarios.
Cuando el transformador de puesta a tierra es la única
fuente de tierra del sistema, siempre debe estar
energizado. Es preferible que el transformador esté
conectado directamente a la barra principal de un sistema
de alimentación, sin interruptores o fusibles, para evitar
que quede fuera de servicio inadvertidamente por la
operación de los dispositivos que intervienen. De esta
forma, el transformador se considera parte de la barra y
está protegido por el relé de protección de la barra. Sin
embargo, el transformador también puede ser energizado
a través de un interruptor de alimentación dedicado.
4
Erazo et al. / Estudio Técnico Económico para el Dimensionamiento de un Transformador Zig-Zag para Puesta a Tierra
El esquema de protección eléctrica para el
transformador de puesta a tierra Zig-Zag está
conformado por relés instantáneos de sobrecorriente
conectados en delta y la protección de respaldo se
proporciona mediante un relé de sobrecorriente
temporizado conectado a un transformador de corriente
en el neutro del transformador Zig-Zag.
La Fig. 4 muestra el esquema de protecciones de los
generadores, trasformadores de potencia y transformador
Zig-Zag [9]–[14].
Figura 4: Esquema de protección: a) Generadores, b)
Transformadores y Zig-Zag.
3. MODELACIÓN
3.1. Modelación de la Central Illuchi I
La Central Illuchi I está formada por 4 generadores
en conexión estrella que generan un total de 5 MVA a un
nivel de voltaje de 2.4 kV, este voltaje se eleva hasta 22
kV mediante 3 transformadores con conexión delta-
estrella y una potencia de 1.75 KVA cada uno. La central
se conecta con la subestación El Calvario a través de una
línea de transmisión de tres hilos con una longitud de 9.5
km aproximadamente.
Los datos técnicos y eléctricos de la Central Illuchi I
permiten modelar sus elementos en el software de
análisis de sistemas de potencia Power Factory [9], [11],
[15]–[18]. El modelo con todos los elementos que forman
parte de la central se ilustra en la Fig. 5.
3.2. Punto de Conexión del Transformador Zig-Zag
El punto de conexión del transformador se lo
establece en la barra de 22 kV de la subestación de
elevación Illuchi I. En este punto, cuando una falla a
tierra ocurre en la línea, por el neutro del transformador
Zig-Zag circula una corriente de magnitud 3∙Io que
permite la operación del relé se sobrecorriente y la
apertura de todos los interruptores asociados a la línea.
La Fig. 6 muestra el diagrama unifilar simplificado de
la Central Illuchi I con el transformador Zig-Zag
conectado a la barra de 22 kV. A partir de este unifilar se
desarrollan los diagramas respectivos de secuencias
positiva, negativa y cero de tal manera que se pueda
visualizar la configuración del sistema para cada
secuencia de red al incluir el transformador Zig-Zag.
Figura 5: Modelo de la Central Illuchi I en Power Factory
Figura 6: Unifilar de la Central Illuchi I con el transformador
Zig-Zag
El diagrama de secuencia de la Fig. 7 muestra que el
transformador de puesta a tierra es el único que tiene una
conexión a tierra a través del neutro, de tal manera que la
impedancia de secuencia cero se puede calcular
estableciendo la corriente de falla a tierra máxima que
circulará por el neutro y calculando las impedancias de
secuencia positiva y negativa del sistema en el punto de
conexión del transformador, como se expresa en (4) y (5).
a)
b)
5
Edición No. 19, Issue I, Julio 2022
Figura 7: Conexión de las redes de secuencia de la Central Illuchi
I cuando ocurre una falla monofásica en la barra 2 de 22kV
3.3. Modelación de transformador Zig-Zag
Para modelar el transformador Zig-Zag en Power
Factory es necesario determinar sus parámetros eléctricos
y en especial la impedancia de secuencia cero. Esta
impedancia en particular relaciona muchos parámetros
que influyen de manera directa e indirecta como son: el
factor de puesta a tierra, la corriente máxima de falla, la
resistencia externa de puesta a tierra conectada al neutro
del transformador y las relaciones de impedancias en el
punto de conexión. Por este motivo, se desarrolla un
script en DPL que interactúa directamente con los
elementos del modelo de la central Illuchi I y permite
calcular los parámetros eléctricos del transformador Zig-
Zag.
3.3.1. Estructura del script
La Fig. 8 muestra la estructura general del script
programado en DPL, el cual relaciona entradas, salidas,
intercambio de datos, objetos y las funciones creadas
para calcular los parámetros eléctricos del transformador
Zig-Zag que se muestra en la Fig. 9.
Figura 8: Diagrama general del script en DPL para calcular los
parámetros eléctricos del transformador Zig-Zag
3.3.2. Configuración del script
La Fig. 10 muestra la configuración utilizada en el
script. Se observa que el 60% de la corriente de falla
trifásica se toma como valor mínimo y el factor de falla a
tierra de referencia se configura con 1.3, ya que su valor
básicamente dependerá del nivel de sobrevoltaje que se
desee en las fases sanas durante la falla a tierra.
Figura 9: Funciones y objetos complementarios del Script
La corriente de falla máxima se asigna en función de
la máxima corriente que los generadores pueden aportar
durante una falla, de esta manera al considerar una
corriente de falla máxima de 800 A en el punto de
conexión del transformador, los generadores aportan un
máximo del 120% de su corriente nominal.
Figura 10: Condiciones iniciales usadas para determinar los
parámetros eléctricos del transformador Zig-Zag
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
4.1. Ejecución del Script
El script para el cálculo de los parámetros eléctricos
del transformador Zig-Zag realiza los cálculos
considerando los siguientes escenarios:
Con transformador de puesta a tierra Zig-Zag
Con transformador de puesta tierra Zig-Zag y
resistencia de puesta tierra
Una vez ejecutado el script se muestra el reporte de la
Fig. 11 en la ventana de salida de Power Factory. Esta
muestra los parámetros eléctricos del sistema con y sin la
conexión del transformador Zig-Zag, de esta forma se
pueden comparar los parámetros eléctricos, verificar el
funcionamiento y los cambios que produce el
transformador de puesta a tierra en el modelo de la central
Illuchi I. A continuación, se analizan los resultados
obtenidos.
6
Erazo et al. / Estudio Técnico Económico para el Dimensionamiento de un Transformador Zig-Zag para Puesta a Tierra
Figura 11: Reporte generado por el script con los parámetros eléctricos del transformador considerando factor de falla simétrico.
4.1.1. Sin transformador Zig-Zag
Con la finalidad de conocer el comportamiento inicial
del sistema aislado ante una falla a tierra, el reporte de la
Fig. 11 muestra el estado “Uground” para hacer
referencia que los cálculos fueron realizados sin
considerar la conexión del transformador Zig-Zag.
Al producirse la falla a tierra en la fase “a” de la barra
de 22 kV de la subestación Illuchi I, los voltajes de fase
a tierra en las fases sanas “b” y “c” incrementan su
magnitud en un factor de 1.73 dando como resultado un
valor de 24.21 kV, valores superiores al voltaje de línea
de 22 kV. También se puede observar que la corriente de
falla monofásica tiene un valor de cero ya que no existe
una conexión a tierra; esto se evidencia con más claridad
al ver el elevado valor de la impedancia de secuencia
cero.
4.1.2. Con transformador Zig-Zag
El reporte de la Fig. 11 también muestra el estado
“+ZigZag” que indica el comportamiento y los
parámetros eléctricos del sistema con la conexión del
transformador Zig-Zag.
Al considerar el valor de corriente inicial
recomendado por [2] del 60% de la falla trifásica, se
puede observar que los sobrevoltajes en las fases sanas
“b” y “c” se reducen considerablemente, teniendo un
factor de falla máximo de alrededor 1.28 para una
corriente de falla monofásica de 664 A.
Por otro lado, se puede apreciar que el valor de la
impedancia de secuencia cero se ha reducido
considerablemente, dando como resultado una reactancia
de 37.11 Ω y una resistencia de 3.10 Ω que corresponden
a los valores de impedancia de secuencia cero del
transformador Zig-Zag. También se observa que las
impedancias de secuencia positiva y negativa no han
cambiado su valor por la presencia del transformador y
que las relaciones entre reactancias y resistencias de
secuencia están dentro de los límites recomendados en
[2], [19], [20].
4.1.3. Con transformador Zig-Zag y resistencia de
puesta a tierra
El estado “ZZ+Rext” del reporte de la Fig. 11 muestra
los cálculos realizados por el script cuando se considera
la conexión del transformador Zig-Zag puesto a tierra a
través de una resistencia conectada en el neutro.
Al considerar la resistencia de puesta a tierra de 1.047
Ω calculada por el script, los sobrevoltajes se reducen aún
más, especialmente en la fase “b” con una magnitud de
16 kV y un factor de falla de 1.16.
4.2. Operación del Transformador Zig-Zag ante
Fallas a Tierra en la barra de 22kV
Al producirse una falla monofásica en la barra de
22kV de la subestación Illuchi I (ver Fig. 12b) en cada
uno de los devanados del trasformador Zig-Zag circula
una corriente de secuencia cero de 267 A.
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7
Edición No. 19, Issue I, Julio 2022
Figura 12: Falla monofásica en la barra de 22kV: (a) Sin
trasformador Zig-Zag. (b) Con transformador Zig-Zag
Las Fig. 13a y Fig. 13b muestran la influencia del
transformador Zig-Zag al producirse la falla. Se puede
observar que con la conexión del transformador de puesta
a tierra el sobrevoltaje producido por la falla desciende
de 1.9 a 1.2 p.u. aproximadamente en las fases sanas.
Figura 13: Voltajes de fase en p.u. durante una falla monofásica:
(a) Sin transformador Zig-Zag. (b) Con el transformador Zig-Zag
4.3. Operación del Transformador Zig-Zag ante
Fallas a Tierra en la Línea de Transmisión
Para una falla monofásica al 50% de la línea como
muestra en la Fig. 14, el transformador Zig-Zag opera
con corrientes de secuencia en los devanados del
transformador Zig-Zag de 205 A.
Figura 14: Falla monofásica al 50% de la línea: (a) Sin
trasformador Zig-Zag. (b) Con transformador Zig-Zag
Figura 15:Voltajes de fase en p.u. durante una falla monofásica en
la línea de transmisión sin transformador Zig-Zag
Figura 16: Voltajes de fase en p.u. durante una falla monofásica
en la línea de transmisión con transformador Zig-Zag
La comparación de los voltajes presentados en la Fig.
15 y Fig. 16 evidencia de forma clara la reducción de los
sobrevoltajes ante una falla a tierra, en el caso del sistema
aislado los voltajes de fases sanas bordean el 1.73 p.u.,
en tanto que en el sistema puesto a tierra a través de un
transformador Zig-Zag los sobrevoltajes se reducen a
valores del orden de 1.2 p.u.
4.4. Coordinación de Protección de Sobrecorriente
4.4.1. Corrientes de ajuste para los generadores
La corriente de ajuste para la protección 51P de los
generadores 1 y 2 se establece como el 110% de la
corriente nominal de la máquina. Para este caso, en el que
la corriente nominal es de 210 A, el 110% es 231 A.
Para el ajuste de la protección 51P de los generadores
3 y 4 se emplea un 110% de la corriente nominal que
corresponde a 462 A. Las protecciones de sobrecorriente
instantáneas 50P se ajustan con una corriente aproximada
de 300% de la corriente nominal. Para las protecciones
de los generadores 1, 2 y 3, 4 las corrientes de ajuste
instantáneo son de 630 A y 1260 A respectivamente.
Estos valores también se los puede definir como la
relación porcentual entre la corriente simétrica de falla
mínima cuando se produce una falla en el punto más
alejado de la línea.
4.4.2. Corrientes de ajuste para los transformadores
Para el ajuste de la protección de sobrecorriente 51P
de un transformador de potencia, se considera que el
valor de corriente a ser programado debe ser mayor que
la corriente de magnetización y la corriente de
sobrecarga. El ajuste de la protección temporizada se
define en 150% de la corriente nominal del transformador
de potencia, en este caso dado que la corriente nominal
es de 420 A, el 150% corresponde a 630 A.
La protección de sobrecorriente instantánea 50P se
configura con una corriente de ajuste de 1,403 A que
corresponde a la máxima corriente simétrica de falla
externa producida.
4.4.3. Corrientes de ajuste para la línea de transmisión
En función de las corrientes de falla obtenidas en las
pruebas de cortocircuitos, la corriente mínima de falla
necesaria para el ajuste de la protección 51P no es mayor
(b)
(a)
(a)
(b)
(b)
(a)
8
Erazo et al. / Estudio Técnico Económico para el Dimensionamiento de un Transformador Zig-Zag para Puesta a Tierra
que la de demanda máxima, por tal motivo, se realiza el
ajuste sumando a la corriente de demanda máxima un
porcentaje adicional, valor que resulta en 200 A. Así
mismo, la corriente de ajuste para la protección 51N es la
mínima corriente de falla 3Io, cuyo valor es 100 A.
La protección de sobrecorriente 50P se ajusta con la
corriente máxima de cortocircuito producida al generar
una falla al 80% de la línea, este valor corresponde a 500
A. Del mismo modo, la protección 50N se ajusta con la
máxima corriente de falla 3Io, cuyo valor es 800 A.
La Fig. 17 muestran las curvas configuradas en las
protecciones de sobrecorriente correspondientes de los
generadores y transformadores.
Figura 17: Curvas de las protecciones 50/51 configuradas para las
protecciones de los generadores y transformadores.
Figura 18: Curvas de ajuste configuradas para la línea y el
transformador Zig-Zag: a) 50/51, b) 50N/51N
La Fig. 18 muestra las curvas configuradas para la
línea de transmisión y el transformador Zig-Zag; además,
muestra el tiempo de operación cuando se produce una
falla al 50% de la línea.
4.5. Especificación Técnica del Transformador Zig-
Zag
La especificación técnica hace referencia a las partes
básicas del transformador: tanque principal, partes
activas, terminales, sistemas de enfriamiento, accesorios,
sistemas y equipos de conservación de aceite, protección,
control y monitoreo; y, cualquier otro componente para
su correcto funcionamiento y su futura construcción.
Para definir las especificaciones técnicas y los
requerimientos del transformador, es necesario incluir
estándares internacionales y estándares nacionales; por
tal razón, se toma como referencia principal los
estándares: IEC 60071-1, IEC 60071-2, IEC 60076-1,
IEC 60076-2, IEC 60076-3, IEC 60076-5, IEC 60076-8,
IEC 60137.
Con los datos obtenidos por el script y la guía
referencial de las normas enumeradas, se realiza la
especificación técnica del transformador Zig-Zag que se
muestra en la Fig. 19.
4.6. Evaluación de Costos - Beneficios
4.6.1. Costos
El valor referencial de la inversión inicial del
proyecto considera tanto costos fijos como variables
dentro de los cuales constan: el transformador Zig-Zag,
la resistencia de puesta a tierra, la malla de puesta a tierra,
los equipos de maniobra, la obra civil, la mano de obra,
etc.
El precio del transformador Zig-Zag se lo estima en
base a la potencia continua de operación con un
incremento del 20% por las características especiales de
fabricación. El precio de los equipos y servicios
adicionales se cotiza de acuerdo con el valor promedio en
el mercado [21], [22].
4.6.2. Beneficios
La justificación técnica y económica del proyecto de
puesta a tierra de Central Illuchi I mediante un
transformador Zig-Zag se define considerando las
siguientes ventajas:
Ventaja técnica: reducir los niveles de
sobrevoltajes, corrientes de falla e incrementar la
vida útil de los elementos y equipos de la Central.
Adicionalmente, permitirá la coordinación del
sistema de protecciones y evitará la salida
innecesaria de elementos de la red.
Ventaja económica: representará un ahorro en el
mantenimiento de los equipos y reducirá los
tiempos de indisponibilidad de la Central.
a)
b)
9
Edición No. 19, Issue I, Julio 2022
Figura 19: Especificación y requerimientos para la fabricación del
transformador de puesta tierra Zig-Zag
En la central Illuchi I la energía real no producida por
fallas es del 2.39%; una disminución del 0.5% en la
ocurrencia de fallas, representaría un ahorro referencial
anual de 15,000.00 dólares; así mismo, una disminución
del 10% en el tiempo de restablecimiento del servicio de
la central produciría un ahorro referencial anual de
25,000.00 dólares; en conjunto por la operación del
transformador Zig-Zag se podría ahorrar un total de
40,000.00 dólares anuales [10], [23], [17], [24].
4.6.3. Índices de rentabilidad
Los índices de rentabilidad reflejan la viabilidad de
un proyecto, en este contexto se realiza el cálculo del
valor presente neto, la tasa interna de retorno y la relación
costo beneficio tomando como referencia un tiempo de
20 años y una tasa de interés del 10%.
Para el cálculo del valor presente neto, los beneficios
anuales son traídos a valor presente lo que da como
resultado 340,542.55 dólares, valor al que se debe restar
la inversión inicial de 74,900.00 dólares, dando como
resultado un valor presente neto de 265,642.55 dólares.
Una vez determinados los valores de inversión y los
beneficios anuales del proyecto, se procede a calcular la
tasa interna de retorno (TIR) y la relación costo beneficio
dentro del tiempo determinado de 20 años, estos valores
corresponden al 53% y al 4.55 respectivamente.
Por último, se determina el periodo de recuperación
del capital, el cual cuantifica el valor de la inversión
inicial total del proyecto siendo este de 2.2 años.
La Tabla 1 muestra los indicadores de rentabilidad
calculados para este caso en particular.
Tabla 1: Indicadores de Rentabilidad
DESCRIPCIÓN
INDICADOR
Valor Presente
VP
$ 340,542.55
Valor Presente Neto
VPN
$ 265,642.55
Tasa Interna de Retorno
TIR
53%
Índice de Rentabilidad
B/C
$ 4.55
Periodo de Recuperación del Capital
RC
2.2
años
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El transformador de puesta a tierra en Zig-Zag es una
opción adecuada para colocar a tierra sistemas aislados,
ya sea directamente o a través de una resistencia de
puesta a tierra. Esto se debe a que cada fase del
transformador Zig-Zag tiene dos devanados idénticos que
se enrollan en direcciones opuestas para dar una alta
impedancia a las corrientes de fase normales y una baja
impedancia a las corrientes de falla a tierra. La baja
impedancia de secuencia cero del transformador Zig-Zag
se traduce en una alta capacidad de soportar corrientes de
falla, haciendo de este método eficiente y robusto.
# DESCRIPCIÓN
UNIDAD
REQUERIMIENTO
1
Fabricante
-
Tipo de transformador
-
Zig-Zag
País de fabricación
-
Normas de fabricación
-
IEEE Std. 32 / IEC60076
2
Ubicación
-
S/E Illuchi I
Lugar de instalación
-
Exterior
Altitud
m.s.n.m
3370
Zona sísmica < 0.3 g
Temperatura máxima
°C
22
Temperatura mínima
°C
8
Humedad relativa
%
80
Grado de contaminación
-
Leve - nivel I
Viento máximo
km/h
12.7
3
Potencia nominal de operación continua
kVA
250
Número de fases
-
3
Frecuencia nominal
Hz
60
Conexión de los devanados
-
Zig-Zag
Requerimiento de devanado secundario
-
No
Voltaje nominal de servicio (Un)
kV
22
Voltaje Fase-Tierra
kV
12.7
Voltaje máximo de equipamiento (Um)
kV
24
Voltaje soportado a frecuencia industrial, 1min.
kV
66
Voltaje soportado a un impulso tipo rayo 1,2/50
kV
165
Numero de terminales
-
4
Corriente de operación continua por fase
A
8
Corriente de operación continua por el neutro
A
24
Corriente de falla/fase (corta duración - 10 seg.)
A
270
Corriente de falla/neutro (corta duración - 10 seg.)
A
800
Tiempo de falla
seg.
10
Impedancia de secuencia cero
Ω/fase
25
4
Aceite
°C
60
Devanados / Devanados punto más caliente
°C
65 / < 75
5
Color de la pintura
-
RAL 600
Espesor de la pintura
µm
30
Tratamiento anticorrosivo para partes no pintadas
-
Si
6
Válvulas de drenaje y filtrado
-
Si
Válvulas para muestreo de aceite de tanque
-
Si
Válvulas de aislamiento de radiador
-
Si
Relé buchholz
-
Si
Válvulas de seguridad
-
Si
Soporte para pararrayos
-
Si
Cáncamos de izaje
-
Si
Terminal de puesta a tierra del tanque
-
Si
Ruedas orientadas a 90°
-
Si
Desecador de silicagel
-
Si
Indicador de nivel de aceite
-
Si
Indicador de temperatura
-
Si
Indicador de temperatura de devanados
-
Si
Dispositivo para liberar presión
-
Si
Tanque de expansión de aceite dieléctrico
-
Si
7
Tipo de transformador
-
Si
Nombre del fabricante
-
Si
Numero de serie
-
Si
Año de fabricación
-
Si
Número de fases
-
Si
Enfriamiento
-
Si
Clase de aislamiento
-
Si
Nivel de aislamiento
-
Si
Potencia de servicio continuo
kVA
Si
Voltaje nominal
kV
Si
Corriente continua por el neutro
A
Si
Elevación de temperatura en el Cobre
°C
Si
Potencia de servicio de corta duración
kVA
Si
Tiempo de operación
seg.
Si
Corriente de corta duración por el neutro
A
Si
Temperatura máxima de corta operación
°C
Si
Impedancia de secuencia cero
ohm/fase
Si
Volumen de aceite
ltr.
Si
Peso del aceite
Kg
Si
Peso total
Kg
Si
Normas de fabricación
-
Si
Conexión
-
Si
8
Pruebas de rutina (IEC 60076-1)
-
Si
Prueba de incremento de temperatura (IEC 60076-
-
Si
Pruebas dieléctricas (IEC 60076-3)
-
Si
Pruebas de cortocircuito (IEC 60076-5)
-
Si
Medida de la impedancia de secuencia cero
-
Si
Medida de aislamiento entre devanado y tierra
-
Si
PRUEBAS
DATOS GENERALES
CONDICIONES DE INSTALACIÓN
DATOS NOMINALES
LÍMITE DE ELEVACIÓN DE TEMPERATURA
PINTURA Y PROTECCIÓN
PLACA CARACTERÍSTICA
ACCESORIOS DEL TANQUE
10
Erazo et al. / Estudio Técnico Económico para el Dimensionamiento de un Transformador Zig-Zag para Puesta a Tierra
La modelación del sistema en Power Factory, el
estudio de cortocircuitos y la automatización de los
cálculos mediante un script programado en lenguaje
DPL, permitió relacionar un conjunto de parámetros y
límites preestablecidos y así obtener como resultado los
parámetros eléctricos del transformador de puesta a tierra
Zig-Zag.
El transformador Zig-Zag operará únicamente
cuando existan grandes desbalances ocasionados por
fallas a tierra. En condiciones de operación normal, el
transformador de puesta a tierra solamente toma la
corriente necesaria para su magnetización.
Con la conexión del transformador de puesta a tierra
se logrará reducir los sobrevoltajes transitorios
producidos por las fallas a tierra desde valores del orden
de 1.7 p.u. a 1.2 p.u., de esta manera se extenderá la vida
útil del aislamiento de los elementos y las máquinas.
La máxima corriente de falla que puede circular por
el neutro del transformador Zig-Zag se puede especificar
desde las condiciones iniciales de cálculo en el script, de
esta manera se reducen también las corrientes que
circulan en el punto de falla y en los demás equipos
primarios del sistema.
El esquema de protecciones del transformador debe
tener una configuración de operación separada, para que
una falla en el transformador de puesta a tierra no impida
la operación de la central. De esta manera, se reducen los
costos por indisponibilidad, ya que el trasformador de
puesta a tierra tiene una construcción especial y su
reparación o fabricación requieren más tiempo que un
transformador convencional.
El nuevo ajuste del sistema de protecciones de
sobrecorriente y su respectiva coordinación aseguran
mejor selectividad y sensibilidad ante diferentes eventos
y tipos de falla que ocurran tanto en las barras como en
la línea de transmisión.
El cálculo de los índices financieros muestra que el
valor presente neto (VPN) es positivo, la tasa interna de
retorno (TIR) es mayor que la tasa activa de interés
considerada del 10% y la relación beneficio/costo es
mayor que uno, por lo que el proyecto sería viable bajo
las condiciones estipuladas en los cálculos.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Tierra a un Sistema Puesto a Tierra en la C.H. Illuchi
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Transformador Tipo ZigZag para Puesta a Tierra en
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Grupo de Generación de la Central Hidroeléctrica
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Subtransmisión a Nivel de 69kV Considerando la
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para la Demanda Proyectada al año 2020, en la Zona
Centro Norte de ELEPCO S.A.,” 2015.
11
Edición No. 19, Issue I, Julio 2022
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Eléctrica Utilizando el Software Power Factory 13.1
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2019, pp. 7–8, Figure 1, 2.
[21] Siemens Perú, “Lista de Precios 2020,” pp. 12–137,
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https://www.ecuadorencifras.gob.ec/indice-de-
precios-de-la-construccion/.
[23] CENACE, “Informe Anual 2020,” Quito, 2020.
[24] ELEPCO, “Rendición de Cuentas 2019,” Latacunga,
2019.
Joel Erazo Monar. - Nació en Los
Ríos en 1996. Recibió su título de
Ingeniero Eléctrico de la Escuela
Politécnica Nacional en 2021.
Actualmente brinda sus servicios
profesionales como operador de la
subestación eléctrica El Inga de
500/230/138 kV. Sus áreas de
interés están relacionadas con la modelación, control
y operación de sistemas eléctricos de potencia, así
como las Energías Alternativas y la Movilidad
Eléctrica.
Hugo Arcos Martínez. - Nació en
Quito en 1972. Recibió el título de
Ingeniero Eléctrico de la Escuela
Politécnica Nacional en 1998, y el
de Doctor en Ingeniería Eléctrica en
la Universidad Nacional de San
Juan en 2003. Ha desarrollado su
carrera profesional en diversas
instituciones del Sector Eléctrico Ecuatoriano y
actualmente se desempeña como Coordinador de la
Carrera de Ingeniería Eléctrica de la Escuela Politécnica
Nacional. Sus áreas de interés son: Modelación en
Sistemas Eléctricos de Potencia, Estudios de Transitorios
Electromagnéticos y Electromecánicos; y Confiabilidad
de SEP.
12
