Transformadores · Diseño de devanados
Conexión terciario del transformador
El devanado terciario en delta proporciona un camino de circulación para los armónicos de tercer orden, estabiliza la tensión de secuencia cero y permite la conexión de bancos de compensación. La diferencia entre delta flotante y delta cerrado tiene implicaciones profundas en la calidad de tensión y la protección diferencial.
IEC 60076-1
Terciario delta
3° armónico
Delta flotante
Delta cerrado
Eólico / FV
01¿Qué es el devanado terciario?
Un transformador de tres devanados (o trifásico trifásico con terciario) tiene tres bobinados concéntricos por fase en lugar de los dos habituales: el devanado primario (P), el devanado secundario (S) y el devanado terciario (T). En la configuración más común para transformadores de potencia, el terciario se conecta en triángulo (delta), mientras que el primario y el secundario pueden ser estrella o delta según el grupo vectorial requerido.
YNyn0(d11)
25–35 % de Sn
10–20 kV
IEC 60076-1
Delta flotante (abierto)
Sin camino para I₃
El delta abierto no proporciona camino de retorno para los armónicos de 3° orden. La tensión de fase presenta distorsión visible.
Delta cerrado
I₃ circula internamente
El delta cerrado proporciona camino interno para los armónicos de 3° orden. La corriente circula dentro del triángulo sin afectar la red externa.
02Función de estabilización de tensión de secuencia cero
Una de las funciones más importantes del terciario en delta cerrado es proporcionar un camino de baja impedancia para las corrientes de secuencia cero (corrientes homopolares) en caso de falla a tierra en alguno de los sistemas conectados al transformador.
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Circuito de secuencia cero
En un transformador YNyn con terciario delta: la secuencia cero puede circular desde el secundario aterrizado (Yn) a través del núcleo magnético hacia el terciario delta. El terciario actúa como «trampa» de corrientes de secuencia cero, permitiendo que la protección de tierra del secundario opere sin requerir que el primario también esté aterrizado sólidamente. Sin terciario delta, las corrientes homopolares del secundario no tendrían camino magnético y la protección de tierra fallaría.
Para transformadores de alta tensión (AT/MT/BT) en subestaciones de transmisión, el terciario en delta cerrado es a menudo obligatorio para garantizar que el transformador soporte fallas a tierra en el lado de MT sin que el neutro del lado de AT se desplace, lo que podría producir sobretensiones temporales (TOV) en las fases sanas.
03Delta flotante vs delta cerrado: diferencias clave
| Característica | Delta flotante (abierto) | Delta cerrado |
|---|---|---|
| Circulación de I₃ (3° armónico) | No — I₃ aparece en las tensiones de fase | Sí — I₃ circula internamente, no se propaga |
| Tensión de fase | Puede tener forma no sinusoidal (presencia de 3° armónico) | Sinusoidal — sin componente de 3° armónico en los terminales |
| Corriente en el devanado terciario | Solo magnetización (pequeña) | I₃ de circulación + carga externa (si tiene) |
| Secuencia cero | No proporciona camino — impedancia de sec. cero elevada | Camino de baja impedancia para corrientes homopolares |
| Pérdidas adicionales | Mínimas (sin corriente circulando) | I²R en devanado terciario por corriente de 3° armónico |
| Uso típico | Cuando no se necesita el terciario operativamente | Transformadores de potencia con neutro aterrizado, parques eólicos/FV, compensación reactiva |
04Corrientes de tercer armónico: por qué aparecen y adónde van
La corriente de magnetización de un núcleo de hierro no es sinusoidal porque la curva B-H del material ferromagnético es no lineal. Aunque la inducción magnética B sea sinusoidal (requerida para mantener la tensión inducida sinusoidal), la corriente de magnetización H contiene una componente significativa de tercer armónico (f₃ = 3 × 50 Hz = 150 Hz).
- En conexión triángulo (delta): Los armónicos de 3° orden son de secuencia cero. En una conexión delta, las tres corrientes de 3° armónico están en fase y se suman vectorialmente, circulando dentro del triángulo. No salen a los terminales externos. La tensión inducida es perfectamente sinusoidal.
- En conexión estrella sin terciario delta: La corriente de 3° armónico no puede fluir porque el neutro no está conectado a tierra (o está flotando). La corriente de magnetización resulta sinusoidal pero el flujo magnético — y con él la tensión inducida — contiene la componente de 3° armónico. La tensión de fase resulta no sinusoidal (peaking).
- Con terciario delta cerrado: El terciario proporciona el camino que el 3° armónico necesita. Los devanados en estrella (P y S) ven corriente sinusoidal y tensiones sinusoidales. El 3° armónico circula solo en el triángulo terciario, donde se disipa como calor.
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Calentamiento del terciario por corriente de 3° armónico
En transformadores de gran potencia con alta inducción de diseño (B ≥ 1.7 T), la corriente de 3° armónico que circula en el terciario puede ser el 10–30% de la corriente nominal del terciario, contribuyendo a un calentamiento adicional que debe ser contemplado en el diseño térmico. Verificar en la hoja de especificación del fabricante si la capacidad del terciario ya incluye esta corriente de circulación.
05Aterramiento en parques eólicos y fotovoltaicos
En parques de generación renovable — eólicos y fotovoltaicos — el transformador elevador de la subestación colectora suele tener terciario en delta por dos razones específicas:
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Parques eólicos: aterramiento del colector MT
Las líneas de MT que conectan los aerogeneradores con la subestación son típicamente de sistema IT (neutro aislado) o TT para minimizar la corriente de falla a tierra. El terciario delta del transformador elevador proporciona el punto de aterramiento necesario para la protección de tierra del sistema colector sin crear un punto de neutro de baja impedancia en el lado del parque.
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Parques FV: corrientes de modo común
Los inversores fotovoltaicos generan corrientes de modo común de alta frecuencia (EMC) entre el bus DC y tierra. El terciario delta actúa como barrera de modo común, evitando que estas corrientes de alta frecuencia se propaguen hacia la red de AT. Algunos fabricantes exigen terciario delta en el transformador de potencia del parque para cumplir con IEC 61000-3-12 / EN 50549.
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Compensación reactiva integrada
El terciario delta puede alojar la conexión del banco de condensadores o reactor shunt para compensación de potencia reactiva local. Esto evita la necesidad de transformadores separados de compensación y reduce los costos de la subestación colectora.
06Compensación reactiva: SVC y bancos de capacitores
El terciario delta es la conexión preferida para los equipos de compensación reactiva (bancos de capacitores, reactores shunt, SVC — Static VAR Compensators) conectados al mismo transformador de potencia por varias razones técnicas:
- Nivel de tensión independiente: El terciario opera a una tensión diferente (usualmente 10–20 kV) de los devanados P y S, permitiendo conectar equipos de compensación dimensionados para esa tensión sin necesidad de un transformador de acoplamiento adicional.
- Aislación de armónicos: Los filtros de armónicos y bancos de capacitores conectados al terciario en delta están aislados de los devanados en estrella para corrientes de secuencia cero, simplificando el diseño de los filtros.
- Control independiente del FP: La compensación en el terciario puede controlarse independientemente de la carga en el secundario, permitiendo mantener el factor de potencia en el punto de medición sin afectar la operación del sistema de distribución secundario.
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Resonancia capacitor-inductancia del terciario
Al conectar un banco de capacitores en el terciario, existe riesgo de resonancia serie o paralela entre la inductancia de cortocircuito del terciario y el banco. La frecuencia de resonancia debe calcularse y verificarse que esté fuera de las frecuencias armónicas presentes (5°, 7°, 11°, 13°). Un estudio de armónicos previo a la instalación del banco es obligatorio.
07Protección diferencial con terciario
La protección diferencial (87T) de un transformador de tres devanados es significativamente más compleja que la de un transformador de dos devanados. Cada uno de los tres devanados requiere su propio conjunto de TCs y su propia zona de protección.
- Esquema de tres corrientes de restricción: El relé diferencial trifásico de tres devanados compara la suma de las corrientes de los tres devanados (referidas a la misma base) con una corriente de operación diferencial. Para un transformador YNyn0d11: la corriente del terciario delta debe compensarse vectorialmente para la diferencia de ángulo de 30° respecto al primario en estrella.
- Compensación de corriente de terciario vacío: Si el terciario opera a vacío (sin carga externa) igualmente circula la corriente de 3° armónico de magnetización. El relé diferencial debe ser configurado para no interpretar esta corriente como una falla interna. Los relés modernos (IEC 60255) tienen filtros específicos de 2° y 4° armónico para el inrush, pero el 3° puede requerir ajuste específico.
- Zona de protección del terciario: Si el terciario está conectado a carga o a compensación, debe definirse una zona de protección diferencial separada o incluir el TC del terciario en el esquema global. Los barrajes del terciario quedan fuera de la zona diferencial del transformador si los TCs están en los bornes del terciario.
- Protección del terciario contra cortocircuito: El terciario requiere su propia protección de sobreintensidad (51T) calibrada para la impedancia del terciario y la corriente de falla máxima en sus bornes. La impedancia de cortocircuito del terciario es mayor que la del secundario (típicamente ukT = 15–20%).
08Fallas y restricciones operativas
- Cortocircuito en bornes del terciario: La impedancia de falla del terciario es alta (ukT ≈ 15–20% frente a uk12 ≈ 10–12%), lo que limita la corriente de falla a valores menores que en el secundario. Sin embargo, la capacidad térmica del terciario es menor (25–35% de Sn), por lo que los tiempos de duración de la falla deben ser mínimos.
- Operación con terciario abierto: Si el terciario queda abierto (desconectado accidentalmente) en un transformador que depende del delta cerrado para la calidad de tensión, las formas de onda de los devanados en estrella se distorsionan. El efecto es más pronunciado con inducción de diseño alta (> 1.7 T) y puede causar problemas en equipos sensibles.
- Desbalance de carga en el terciario: Si el terciario alimenta cargas monofásicas (transformadores de medida, auxiliares), un desbalance severo puede provocar corrientes de secuencia negativa que causen calentamiento en el núcleo y en las conexiones.
- Interacción con protección de tierra del secundario: Si el terciario delta cerrado proporciona el camino de retorno para la corriente de falla a tierra del secundario, la protección de tierra (50N/51N) del secundario debe estar coordinada con la protección del terciario para que el disparo selectivo sea correcto.
09Conclusión y criterios de diseño
🔺 Reglas fundamentales del terciario en delta
- El terciario en delta cerrado es mandatorio cuando se requiere: (a) calidad de tensión sinusoidal en presencia de alta inducción, (b) aterramiento de neutro efectivo con camino de secuencia cero, o (c) conexión de compensación reactiva o filtros de armónicos.
- La diferencia entre delta flotante y delta cerrado no es solo operativa: tiene impacto directo en la forma de onda de la tensión, en la impedancia de secuencia cero y en la selectividad de la protección diferencial.
- En parques eólicos y fotovoltaicos, el terciario delta del transformador colector es frecuentemente exigido por el operador de la red (Grid Code) para garantizar la calidad de la inyección y el comportamiento ante fallas asimétricas.
- La protección diferencial de transformadores con terciario es significativamente más compleja: requiere tres zonas de protección, compensación vectorial de los tres devanados y ajuste específico para la corriente de 3° armónico de circulación.
- El terciario debe dimensionarse incluyendo: corriente de circulación de 3° armónico + corriente de carga externa + capacidad de cortocircuito. No dimensionarlo solo por la carga conectada.
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El terciario estabilizador no es un devanado de carga
El delta terciario de estabilización se dimensiona típicamente para un tercio de la potencia del transformador y su función es circular las corrientes homopolares y de tercer armónico. Si se saca a bornes para alimentar servicios auxiliares, hereda dos riesgos: cortocircuitos externos que el devanado no soporta (su impedancia ante fallas externas es baja) y sobretensiones si queda flotante. Práctica recomendada: si no se usa, cerrar el delta y aterrizar un solo vértice como referencia; si se usa, proteger con dispositivos dimensionados por la corriente de cortocircuito real calculada, no por la carga.
Referencias normativas
- IEC 60076-1:2011 — Power transformers — Part 1: General (grupos vectoriales, conexiones)
- IEC 60076-8:1997 — Application guide for power transformers (terciario, secuencia cero)
- IEEE C57.12.00-2015 — Standard for General Requirements for Liquid-Immersed Distribution, Power, and Regulating Transformers
- IEEE C37.91-2008 — Guide for Protecting Power Transformers (diferencial trifásico)
- IEC 60255-187-1:2022 — Measuring relays and protection equipment — Functional requirements for differential protection
- CIGRE TB 659 — Guidelines for Numerical Protection of Autotransformers and Three-Winding Transformers, 2016
- Anderson, P.M. — Analysis of Faulted Power Systems, IEEE Press, cap. 9 (secuencia cero en transformadores)