Análise da proteção de transformadores em sistemas de proteção por relés.

1. Falhas e anomalias comuns em transformadores

As falhas em transformadores podem ser divididas em falhas internas e falhas externas.

Defeitos internos referem-se a defeitos que ocorrem dentro da carcaça, incluindo curtos-circuitos fase-fase nos enrolamentos, curtos-circuitos entre espiras em enrolamentos monofásicos, curtos-circuitos entre enrolamentos e núcleos de ferro, e desconexão dos enrolamentos.

As falhas externas referem-se a várias falhas de curto-circuito fase-fase entre os fios condutores externos do transformador e a falhas de aterramento monofásicas que ocorrem quando a bucha isolante dos fios condutores entra em curto-circuito com a carcaça do transformador.

A falha de um transformador é extremamente perigosa. Especialmente quando ocorre uma falha interna, o arco de alta temperatura gerado pela corrente de curto-circuito não só queima o isolamento e o núcleo de ferro do enrolamento do transformador, como também causa a decomposição do óleo e a liberação de uma grande quantidade de gás, provocando deformações ou até mesmo a explosão da carcaça. Portanto, o transformador deve ser desligado imediatamente após uma falha.

As condições anormais do transformador incluem principalmente sobrecarga, baixo nível de óleo, sobrecorrente causada por curto-circuito externo, alta temperatura do óleo em operação, alta temperatura do enrolamento, alta pressão no transformador e falha no sistema de refrigeração. Quando o transformador estiver em estado de operação anormal, um sinal de alarme deve ser emitido.

2. Configuração da proteção do transformador

Principais proteções contra curto-circuitos: principalmente proteção diferencial longitudinal, proteção contra gases pesados, etc.

Proteção de reserva para falhas de curto-circuito: principalmente proteção composta contra sobrecorrente por bloqueio de tensão, proteção contra sobrecorrente de sequência zero (direção), proteção contra baixa impedância, etc.

Proteção contra operação anormal: inclui principalmente proteção contra sobrecarga, proteção contra sobrexcitação, proteção contra gases leves, proteção contra falha no ponto neutro, proteção contra falha no nível de óleo e temperatura do óleo e proteção contra falha no sistema de refrigeração, etc.

3. Proteção não elétrica

A proteção de transformadores que utiliza grandezas não elétricas, como óleo, gás e temperatura, é chamada de proteção não elétrica. Inclui principalmente proteção contra gases, pressão, temperatura, nível de óleo e parada total do resfriador. A proteção não elétrica atua por meio de desligamento ou envio de um sinal, de acordo com as necessidades do local.

(1) Proteção contra gás

Quando ocorre uma falha dentro do transformador, devido à ação da corrente de curto-circuito e do arco elétrico no ponto de curto-circuito, uma grande quantidade de gás é gerada em seu interior, acelerando o fluxo de óleo. A proteção realizada por meio do fluxo de gás e óleo é chamada de proteção a gás.

Proteção contra gases leves: Quando ocorre uma pequena falha ou anormalidade dentro do transformador, o ponto de falha superaquece parcialmente, fazendo com que parte do óleo se expanda, o gás no óleo forme bolhas e entre no relé de gás, e a proteção contra gases leves entra em ação, enviando um sinal de alerta.

Proteção contra gases intensos: Quando ocorre uma falha grave no tanque de óleo do transformador, a corrente de falha é elevada e o arco elétrico provoca a decomposição de uma grande quantidade de óleo, gerando um grande fluxo de gás e óleo. O defletor de impacto aciona o relé de proteção contra gases intensos, que emite um sinal de gás intenso e desliga o transformador.

A proteção contra curto-circuito a gás é a principal proteção contra falhas internas no tanque de óleo e pode detectar diversas falhas dentro do transformador. Quando ocorre um pequeno número de curtos-circuitos entre espiras no transformador, embora a corrente de falha seja alta, a corrente diferencial gerada na proteção diferencial pode não ser suficiente, e a proteção diferencial pode se recusar a operar. Portanto, para falhas internas do transformador, é necessário recorrer à proteção contra curto-circuito a gás para eliminar a falha.

(2) Proteção contra pressão

A proteção contra sobrepressão também é a principal proteção contra falhas internas no tanque do transformador. Inclui alívio de pressão e proteção contra variações repentinas de pressão, utilizados para responder à pressão do óleo do transformador.

(3) Proteção contra temperatura e nível de óleo

Quando a temperatura do transformador atingir o valor de alerta, a proteção térmica emitirá um sinal de alarme e acionará o resfriador de reserva.

Quando ocorre vazamento de óleo no transformador ou o nível de óleo cai por outros motivos, o sistema de proteção contra queda de nível de óleo entra em ação e envia um sinal de alarme.

(4) Proteção de parada total do refrigerador

Quando o resfriador do transformador em operação é completamente parado, a temperatura do transformador aumentará. Se não for tratada a tempo, poderá causar danos ao isolamento do enrolamento do transformador. Portanto, quando o resfriador para completamente durante a operação do transformador, o sistema de proteção enviará um sinal de alarme e desligará o transformador após um longo período de espera.

4. Proteção diferencial

A proteção diferencial do transformador é a principal proteção da grandeza elétrica do transformador, e seu alcance de proteção é a área delimitada pelos transformadores de corrente em cada lado. Quando ocorrem falhas como curto-circuito fase-fase e curto-circuito entre espiras do enrolamento dentro desse alcance, a proteção diferencial deve atuar.

Com relação ao princípio da proteção diferencial de transformadores, já discutimos detalhadamente anteriormente; os interessados ​​podem consultar o conteúdo relevante nos registros históricos 6, 7 e 8. Não entrarei em detalhes aqui, e simplesmente adicionarei alguns conceitos sobre a corrente de irrupção de excitação.

(1) Corrente de pico de excitação do transformador

A corrente de excitação gerada quando o transformador é desligado no ar é chamada de corrente de irrupção de excitação. A magnitude da corrente de irrupção está relacionada à estrutura do transformador, ao ângulo de fechamento, à capacitância, ao magnetismo residual antes do fechamento e a outros fatores. As medições mostram que, quando o transformador é desligado no ar, a corrente de irrupção de excitação devido à saturação do núcleo de ferro é muito grande, geralmente de 2 a 6 vezes a corrente nominal, podendo chegar a mais de 8 vezes. Como a corrente de irrupção de excitação flui apenas para o transformador no lado de carga, uma grande corrente diferencial será gerada no circuito diferencial, resultando em mau funcionamento da proteção diferencial.

A corrente de excitação de pico apresenta as seguintes características: a. O valor da corrente de pico é muito alto e contém componentes não periódicos evidentes; b. A forma de onda é pontual e intermitente; c. Contém componentes harmônicos de alta ordem evidentes, especialmente o componente harmônico de segunda ordem; d. A corrente de excitação de pico é atenuada.

De acordo com as características da corrente de irrupção descritas acima, para evitar o mau funcionamento da proteção diferencial do transformador causado por essa corrente, três princípios são utilizados no projeto: alto conteúdo de segunda harmônica, forma de onda assimétrica e grande ângulo de descontinuidade da forma de onda para realizar o bloqueio da proteção diferencial.

(2) Princípio de frenagem do segundo harmônico

A essência da frenagem por segunda harmônica é usar a componente de segunda harmônica na corrente diferencial para determinar se a corrente diferencial é uma corrente de falta ou uma corrente de excitação. Quando a porcentagem da componente de segunda harmônica em relação à componente de onda fundamental for maior que um determinado valor (geralmente 20%), considera-se que a corrente diferencial é causada pela corrente de excitação e a proteção diferencial é bloqueada.

Portanto, quanto maior for a taxa de frenagem do segundo harmônico, mais corrente do segundo harmônico estará presente na onda fundamental, e pior será o efeito de frenagem.

(3) Proteção diferencial de quebra rápida

Quando ocorre uma falha grave dentro do transformador e o TC (transformador de corrente) satura devido a uma grande corrente de falta, a corrente secundária do TC também contém um grande número de componentes harmônicos. De acordo com a descrição acima, isso provavelmente causará a interrupção ou o bloqueio da proteção diferencial devido à segunda harmônica. Isso danificará severamente o transformador. Para resolver esse problema, geralmente é configurada uma proteção diferencial de interrupção rápida.

O elemento diferencial de interrupção rápida é, na verdade, um elemento diferencial de alto valor para proteção diferencial longitudinal. Diferentemente dos elementos diferenciais comuns, ele reflete o valor efetivo da corrente diferencial. Independentemente da forma de onda da corrente diferencial e da magnitude da componente harmônica, desde que o valor efetivo da corrente diferencial exceda o valor de ajuste do elemento diferencial de interrupção rápida (geralmente maior que o valor de ajuste da proteção diferencial), ele atuará imediatamente para interromper o transformador sem critérios de bloqueio de excitação, como corrente de irrupção.

A seguir, apresentamos a proteção de reserva do transformador.

Existem muitos tipos de configurações de proteção de reserva para transformadores. Esta edição apresenta principalmente dois tipos de proteção de reserva: proteção complexa contra sobrecorrente por bloqueio de tensão e proteção de aterramento para transformadores.

1. Proteção contra sobrecorrente para bloqueio de pressão complexo

A proteção complexa de sobrecorrente por bloqueio de tensão é uma proteção de reserva para curtos-circuitos fase-fase em transformadores de grande e médio porte. É adequada para transformadores elevadores, transformadores de contato de sistema e transformadores abaixadores cuja proteção contra sobrecorrente não atende aos requisitos de sensibilidade. A tensão composta, formada pela tensão de sequência negativa e pela baixa tensão, pode refletir diversas falhas dentro da faixa de proteção, o que reduz o valor de ajuste da proteção contra sobrecorrente e melhora a sensibilidade.

A proteção composta contra sobrecorrente por tensão é composta por um elemento de tensão composta, um elemento de sobrecorrente e um elemento de tempo. A corrente de entrada da proteção é a corrente trifásica secundária do TC (transformador de corrente) no próprio lado do transformador, e a tensão de entrada é a tensão trifásica secundária do TP (transformador de potencial) no próprio lado do transformador ou em outros lados. Para proteção por microcomputador, a tensão deste lado pode ser fornecida aos outros lados por meio de software, de forma a garantir que a proteção contra sobrecorrente de qualquer lado ainda possa ser utilizada quando o TP em qualquer lado estiver em manutenção. A lógica de atuação é mostrada na figura abaixo.

2. Proteção de aterramento do transformador

A proteção de reserva para curto-circuitos à terra em transformadores de grande e médio porte geralmente inclui: proteção contra sobrecorrente de sequência zero, proteção contra sobretensão de sequência zero, proteção de centelhamento, etc. A seguir, uma breve introdução baseada em três diferentes métodos de aterramento do ponto neutro.

(1) O ponto neutro está diretamente aterrado

Para transformadores com tensão igual ou superior a 110 kV e cujo ponto neutro esteja diretamente aterrado, deve ser instalada uma proteção contra corrente de sequência zero que responda a faltas à terra, no lado do sistema de aterramento de alta corrente. Para transformadores aterrados diretamente tanto no lado de alta quanto no de média tensão, a proteção contra corrente de sequência zero deve ter um sentido específico, apontando para as barras de distribuição em cada lado.

O princípio da proteção contra corrente de sequência zero é semelhante ao da proteção contra corrente de sequência zero na linha (consulte a Edição 30). A corrente de sequência zero pode ser obtida da corrente secundária do TC do ponto neutro ou pode ser autogerada pela corrente trifásica secundária do TC local. A tensão de sequência zero conectada ao elemento direcional pode ser obtida da tensão de triângulo aberto do TP local ou pode ser autogerada pela tensão trifásica secundária local. Nos dispositivos de proteção microcomputadorizados, o método de autogeração é o mais utilizado.

Para grandes transformadores de três enrolamentos, pode-se utilizar proteção contra corrente de sequência zero em três estágios. Nesses estágios, as Seções I e II possuem direcionamento, enquanto a Seção III não possui. Geralmente, cada seção possui dois níveis de retardo: com um retardo curto (acionamento do acoplador de barramento ou da chave no lado principal da barra), a faixa de falha é reduzida; com um retardo longo (acionamento da chave de três lados), o transformador é desligado. A configuração específica da proteção é determinada de acordo com a situação real.

Conforme ilustrado na figura, após a atuação da seção I ou II da proteção direcional de corrente de sequência zero, realiza-se primeiro um curto-circuito no acoplador de barramento ou na chave desse lado, após um breve atraso t1 ou t3, para reduzir a extensão da falha. Caso a falha persista, após um atraso maior t2 ou t4, realiza-se um curto-circuito na chave de três lados para desligar o transformador. A seção III não possui direcionalidade, e o transformador é desligado diretamente após um atraso.

(2) O ponto neutro não está aterrado

A corrente de sequência zero passa pelo ponto neutro do transformador, formando um circuito de sequência zero. No entanto, se os pontos neutros de todos os transformadores estiverem aterrados, a corrente de curto-circuito no ponto de aterramento será desviada para cada transformador, o que reduzirá a sensibilidade da proteção contra sobrecorrente de sequência zero. Portanto, para limitar a corrente de sequência zero a uma determinada faixa, existem regulamentações sobre o número de transformadores que operam com o ponto neutro aterrado.

Para transformadores que operam sem aterramento, a proteção contra sobretensão de sequência zero deve ser configurada para evitar danos ao transformador causados ​​por arcos elétricos nos pontos de falha durante faltas à terra.

Devido ao alto nível de isolamento do ponto neutro do transformador totalmente isolado, quando ocorre uma falha de aterramento no sistema, a proteção contra corrente de sequência zero primeiro desliga o transformador com o ponto neutro aterrado e, se a falha persistir, a proteção contra tensão de sequência zero desliga o ponto neutro sem aterrar o transformador.

(3) O ponto neutro é aterrado através do espaço de descarga

Os transformadores de ultra-alta tensão são todos transformadores semi-isolados, e o isolamento da bobina do ponto neutro em relação à terra é mais frágil do que o de outras partes. O isolamento do ponto neutro é propenso a falhas. Portanto, é necessário configurar uma proteção de centelhamento.

A função da proteção de entreferro é proteger a segurança do isolamento do ponto neutro do transformador sem aterramento no ponto neutro.

Instale um centelhador entre o ponto neutro do transformador e o terra, conforme mostrado na figura. Quando a chave seccionadora de aterramento estiver fechada, o transformador será aterrado diretamente e a proteção contra sobrecorrente de sequência zero será ativada. Quando a chave seccionadora de aterramento for desativada, o transformador será aterrado através do centelhador e entrará em proteção contra sobrecorrente de sequência zero.

A proteção contra falhas é realizada utilizando a corrente de falha 3I0 que flui pelo ponto neutro do transformador e a tensão triangular de abertura do transformador de potencial (PT) da barra 3U0 como critérios.

Se o ponto neutro for elevado devido a uma falha, o gap se rompe e uma grande corrente de gap 3I0 é gerada. Nesse momento, a proteção de gap atua e o transformador é desligado após um atraso. Além disso, quando ocorre uma falha de aterramento no sistema, a proteção de sequência zero do transformador de aterramento do ponto neutro atua e o transformador de aterramento do ponto neutro é desligado primeiro. Após o sistema perder o ponto de aterramento, se a falha ainda existir, a tensão de triângulo aberto 3U0 do TP da barra será muito grande e a proteção de gap também atuará nesse momento.