Un transformador trifásico puede estar cargado monofásicamente entre fases o entre fase y neutro.

Cuando las cargas son entre fases, el sistema de corrientes del lado primario y secundario contiene componentes de secuencia positiva y negativa, pero no de secuencia cero. La distribución de las corrientes de fase del lado primario del transformador depende de la conexión trifásica.

En cambio con cargas fase neutro, es posible convertir la carga monofásica (secundaria) en una carga entre dos fases (primaria), mediante una conexión particular del transformador (Dy), al pasar al lado primario la carga se simetriza.

Si se alimentan cargas monofasicas puede haber otras restricciones ademas de las dadas por la corriente nominal de los devanados. Se requiere que el terminal del neutro este dimensionado para la eventual corriente de falla a tierra y para la corriente de carga continua en el neutro cuando esto se especifique (condición normal para transformadores de distribución).

Cuando no está previsto cargar monofásicamente un transformador, el neutro y su terminal deben al menos dimensionarse para una corriente de falla a tierra y además debe soportar las corrientes homopolares armónicas.

Cuando está previsto que un transformador sea cargado monofásicamente (por ejemplo transformadores de distribución), para el dimensionamiento del neutro la norma IEC 60076-1 remite a la norma IEC 60606 Guía de aplicación para transformadores de potencia que en el punto 5 hace las siguientes consideraciones:

La capacidad de carga del neutro depende de si la corriente homopolar en el devanado considerado está compensada por los correspondientes amper-vueltas en por lo menos uno de los otros devanados del transformador. Se pueden definir los siguientes casos:

El neutro del devanado secundario puede cargarse con su corriente nominal, si la impedancia de secuencia cero del sistema primario es suficientemente pequeña.

El neutro del devanado puede cargarse pero sin que la corriente del devanado en triángulo supere su valor nominal, siempre que este devanado no esté cargado externamente.

En el caso que el devanado terciario esté cargado externamente, la capacidad de carga del neutro se debe determinar para cada caso de carga.

El neutro puede cargarse con la corriente nominal.

Se aplican los mismos criterios vistos en el punto 1.

Debido a que los amper-vueltas requeridos por un sistema de secuencia cero son producidos por el propio devanado, el neutro de un devanado zigzag puede cargarse con su corriente nominal con 3 In.

Al analizar las conexiones de los arrollamientos de los transformadores hemos distinguido casos con y sin neutro, y en caso de haber neutro, conectado a un conductor o aislado.

Al observar combinaciones convenientes y posibles de conexiones de arrollamientos se nota que generalmente uno de los arrollamientos es en D, por lo que el sistema a él conectado podría no tener neutro, forzándose un sistema aislado.

Quienes proyectan instalaciones eléctricas prefieren (normalmente) que el sistema que conciben esté conectado con el neutro a tierra al menos a través de cierta impedancia.

En los sistemas de corriente alterna trifásicos que no tienen neutro se utilizan distintos dispositivos para controlar las corrientes de tierra o los potenciales de tierra, estos pueden ser:

La norma ANSI/IEEE Std 32 define la terminología, requerimientos y procedimientos de ensayos utilizados para los dispositivos de neutro.

Establece las condiciones normales de servicio, es decir temperatura y altitud del lugar de utilización como así también las condiciones particulares a las que pueden estar sometidos (contaminación, vibraciones, condiciones de almacenaje y otras limitaciones como por ejemplo problemas de blindaje magnético, excesivo contenido armónico).

Las especificaciones nominales de estos dispositivos se basan en las condiciones normales de funcionamiento que son:

Para su elección, de no especificarse lo contrario, se debe adoptar la corriente térmica, es decir la corriente que circulará por el dispositivo durante una falla.

Esta corriente térmica tiene asociada una corriente permanente, y de no especificarse lo contrario se deben cumplir las relaciones que se indican en la tabla siguiente para todos los dispositivos menos los resistores y para los resistores:

Cuando se tiene una componente de tercera armónica esta no debe exceder el 15 % de la corriente permanente (esta situación no se cumple en transformadores de distribución que alimentan cargas electrónicas, a veces la tercera armónica llega a ser comparable a la corriente de fase).

Durante la condición de falla el dispositivo debe ser capaz de soportar sin experimentar daños mecánicos los esfuerzos relacionados con el pico de corriente que se calcula considerando las reactancias susbtransitorias.

Para todos los dispositivos, con exclusión de los resistores, el pico de corriente se calcula con:

donde:

I_c es el valor pico de la corriente

K factor que se obtiene de la figura 24 o de la fórmula que sigue

I_T la corriente térmica

El valor de K resulta:

Cuando no se especifica la relación X/R del sistema se deben utilizar para el cálculo de K los valores de reactancia y resistencia del dispositivo de neutro dados en ohm.

Cuando el sistema en el cual está conectado el dispositivo de neutro tiene una relación X/R mayor de 10, se deben indicar los valores de impedancia de secuencia. En este caso el fabricante del dispositivo de neutro para calcular el factor K debe utilizar estos valores con los correspondientes valores de X y R del dispositivo.

El factor 1,2 utilizado en la fórmula tiene en cuenta la utilización de la reactancia transitoria para el cálculo de la corriente térmica, es decir que el fenómeno tiene una duración que justifica su empleo.

Se toma igual al producto de la corriente térmica nominal por la impedancia del dispositivo a la frecuencia nominal y a 25 °C, excepto para ciertos resistores para los cuales, debido a su coeficiente de temperatura, su resistencia cambia durante el tiempo de funcionamiento, causando un incremento de la tensión (o una disminución de la corriente), y para transformadores de tierra que tienen topes de regulación donde el ensayo dieléctrico de tensión inducida se debe realizar con el tope que produce la máxima tensión por espira.

Es la frecuencia fundamental del sistema que se considera, excepto para aquellos dispositivos, por ejemplo trampa de onda de neutro, para los cuales se pueden incluir otras frecuencias que el diseño del dispositivo permite controlar.

Se lo considera igual a 10 segundos, 1 minuto, 10 minutos, o un tiempo mayor. En este último caso no se debe exceder un promedio de 90 días por año.

En la tabla 2 para cada clase del sistema de aislación, se tiene en la columna 2 el valor del nivel básico de aislación correspondiente.

El dispositivo de neutro normalmente tiene diferentes niveles de aislación para los distintos bornes.

Para definir la clase de aislamiento de los distintos bornes (lado línea y tierra) de un dispositivo de neutro a tierra, cuando se aplica el criterio de tensión de falla, se toma el valor eficaz de la tensión que se tiene entre los bornes considerados y tierra en condiciones de falla.

Para la clase de aislación del sistema que se analiza, si el valor de la tensión de falla que se considera se encuentra entre los valores indicados en las columnas 3 y 4 se adopta el valor igual o más alto que corresponde a la tensión de falla.

Si el valor de la tensión de falla es menor que el correspondiente valor de la columna 4, se adopta el valor indicado en esta columna.

Cuando el valor de la tensión de falla supera el valor de la columna 3 se debe adoptar el valor que se indica en columna 1.

Esta norma establece para los distintos dispositivos de neutro de tierra (reactores, neutralizadores de fallas a tierra, transformadores, resistores, capacitores y eventuales combinaciones de estos) indicaciones adicionales para elegir el nivel de aislación (BIL) correspondiente.

Para los distintos ensayos dieléctricos que se deben realizar como por ejemplo tensión aplicada, tensión inducida y tensión de impulso, la norma indica los valores que se deben aplicar, su duración y frecuencia.

Se indica también cuales son los ensayos de rutina y de tipo que se deben realizar preferentemente en las instalaciones del fabricante.

La norma describe detalladamente tanto para dispositivos de neutro inmersos en aceite o secos, la metodología, instrumental y precauciones que se deben adoptar para la realización de los ensayos que se indican a continuación:

Los ensayos de calentamiento para los dispositivos de neutro se deben ensayar en condiciones tales que estén presentes los más aproximadamente posible las pérdidas que se tienen con la frecuencia nominal y la corriente nominal.

Los dispositivos que tengan topes de regulación se deben ensayar para la condición de máximas pérdidas.

La norma propone para distintos dispositivos de neutro la metodología de ensayo a utilizar.

La norma propone para reactores, neutralizadores de fallas, y transformadores fórmulas aproximadas y exactas para el cálculo de la sobreelevación de temperatura para tiempos breves.

También para resistores se proponen fórmulas para el cálculo de la sobreelevación de temperatura.

El arrollamiento Z nos sugiere otra pregunta, que pasa si sometemos a tensión homopolar el arrollamiento manteniendo abierta la estrella.

En este caso podemos pensar en que el arrollamiento Z es un transformador con columna con dos medios arrollamientos que están en oposición, con impedancia relativamente baja.

El reactor zigzag puede ser así considerado como un transformador con el secundario desconectado.

Esto es análogo a observar el transformador Yd en el cual lo corriente homopolar que circula por la estrella es compensada por la que circula por el triángulo.

Los reactores zigzag que se utilizan para puesta a tierra (artificial) del neutro pueden ser reemplazados por un transformador Yd con la ventaja que otorga la experiencia en la fabricación de transformadores normales, y la posibilidad de utilizar este último como transformador.