¿Cómo se consigue el paso de distribución trifásica sin neutro a consumo trifásico con neutro?

Una red de distribución típica en Australia se parecerá a la siguiente.

La sección "MV" es un sistema de "tres cables" conectado en delta, por lo que tiene razón al afirmar que no hay un cable neutro. Sin embargo, hay un camino para que las corrientes neutrales o de "secuencia cero" fluyan a tierra, a través del transformador de puesta a tierra 'zig-zag' que se instala para este propósito. (Las razones para instalar un transformador de puesta a tierra merecen una pregunta y respuesta por separado).

Hay algunos fenómenos que pueden dar lugar a una corriente neutra en una línea de transmisión de MT, pero las cargas de BT desequilibradas, que hacen que fluya una corriente en el punto de estrella/neutro de BT, no provocan una corriente neutra de MT .

¿Porqué es eso?

La imagen de arriba muestra un sistema de LV en estrella conectada a tierra de alta tensión en delta. Hay una carga monofásica que extrae 1 unidad (1 pu) de corriente del devanado 1 de BT, y la corriente regresa a través del neutro de BT.

¿Qué sucede en el HV?

Cada uno de los devanados de AT y BT del transformador está acoplado magnéticamente mediante núcleos de hierro, por lo que debe aplicarse la ley del "equilibrio de amperios-vueltas". Es decir, la conservación de la energía se aplica entre los pares de devanados HV y LV, HV1-LV1, HV2-LV2 y HV3-LV3.

Eso significa que una corriente de 1 pu en el devanado LV 1 debe equilibrarse con una corriente de 1 pu en el devanado HV1. Y dado que no fluye corriente en LV2 o LV3, tampoco puede fluir corriente en HV2 o HV 3.

Según la ley de corriente de Kirchoff, la corriente de 1 pu en el devanado HV1 debe provenir de la línea HV L1 y la línea HV L2. Es decir:

Para un sistema de alta tensión en triángulo, baja tensión en estrella, las cargas de baja tensión monofásicas aparecen como cargas de fase a fase en el sistema de alta tensión.

Esto responde a su pregunta original: no importa qué tan desequilibrada esté la carga en el lado LV, no fluirá corriente neutral en el lado HV, por lo que no se necesita un cable neutral.

Esto lleva a la pregunta de: "Si no se necesita un cable neutro en el sistema conectado en triángulo, ¿por qué nos molestamos en ponerle un transformador de puesta a tierra?"

Se me ocurren un par de razones, aunque no estoy seguro de ellas, así que no me cites aquí...

1. Sin una conexión a tierra, la red delta flotaría en relación con la tierra y podría tener cualquier potencial arbitrario en relación con la tierra. Es decir, el sistema de media tensión podría elevarse hasta 132.000 V sobre la tensión de tierra. El transformador de puesta a tierra es necesario para conectar el sistema de media tensión a tierra y evitar que flote a tensiones peligrosas.
2. Las corrientes de secuencia cero 'neutras' fluyen en la red de MT, es decir, de la corriente de carga de línea capacitiva. (Editar 2015-09-22: la corriente de carga está equilibrada en condiciones normales). El transformador de puesta a tierra les da a estas corrientes de secuencia cero un lugar para ir.
3. El transformador de puesta a tierra será la ruta de retorno más atractiva para cualquier corriente de falla de cortocircuito que resulte de una falla de línea a tierra. Por lo tanto, es un lugar atractivo para colocar un relé de detección de fallas a tierra.

Se suele hacer con la línea de distribución que alimenta al transformador con conexión triangular (o$\Delta$), y el usuario conectado a cada fase de un transformador conectado en estrella con neutro.

La corriente no fluirá en las otras dos fases y por lo tanto la carga no cambiará el voltaje en las otras dos líneas del secundario.

Como referencia, obtuve esta imagen del prof. Toboganes Franco Mastri .

El lado primario/de alto voltaje del sistema es capaz de manejar corrientes de fase desequilibradas, pero para un uso óptimo de los recursos, deben estar balanceadas. Por ejemplo, si cada fase tiene una carga máxima permitida de, por ejemplo, 1000 A, entonces si las corrientes reales son 1000, 900, 1100, debe reducir la carga general para mantener la corriente máxima en <= 1000 A, por lo que reduce la escala en un factor de 1000/1100. = 0,9091 en cada fase, lo que da 909, 818, 1000 amperios o un total de 2727 A en lugar del máximo teórico de 3000, por lo que el manejo de la potencia es aproximadamente el 91 % de lo que debería ser.

Si alimenta tres fases sin neutro a un lado primario del transformador conectado en delta y conecta los tres devanados de fase de salida en modo estrella, obtiene un neutro (punto central del delta) más 3 x fases. Las cargas secundarias deben equilibrarse si se requieren corrientes de fase primaria equilibradas. Así: