Da classificação ao modo de fiação, a explicação mais completa sobre transformadores de aterramento.

As redes de energia de 6 kV, 10 kV e 35 kV no sistema elétrico geralmente adotam o modo de operação com neutro não aterrado. O lado de baixa tensão do transformador principal na rede elétrica é geralmente conectado em forma triangular, e não há ponto neutro que possa ser aterrado. Quando ocorre uma falta de aterramento monofásica em um sistema com neutro não aterrado, o triângulo de tensão da linha permanece simétrico. O sistema elétrico pode continuar a fornecer energia aos usuários por 1 a 2 horas, e a corrente capacitiva é relativamente pequena (menos de 10 A), o que não causa arcos intermitentes. Algumas faltas de aterramento transitórias podem desaparecer automaticamente, o que é muito eficaz para melhorar a confiabilidade do fornecimento de energia e reduzir acidentes de interrupção de energia. No entanto, com a expansão contínua da rede elétrica urbana e o aumento contínuo das linhas de distribuição de cabos, a corrente capacitiva do sistema para o terra aumenta acentuadamente, e a corrente capacitiva que flui pelo ponto de falha após o aterramento monofásico é grande (mais de 10 A).

O arco elétrico não se extingue facilmente, podendo excitar sobretensões de ressonância ferromagnética e produzir sobretensões intermitentes de aterramento por arco luminoso, o que pode causar danos ao isolamento, interromper a linha e agravar o acidente.

Especificamente:

A extinção e o reignição intermitentes do arco de aterramento monofásico produzem sobretensões de aterramento com amplitude de até 4U (onde U é o valor de pico da tensão normal de fase) ou superior e longa duração, o que causa grandes danos ao isolamento de equipamentos elétricos e provoca rupturas em isolamentos frágeis, resultando em perdas significativas.

A dissociação do ar causada pelo arco contínuo destrói o isolamento do ar circundante e é propensa a curto-circuito entre fases.

A sobretensão por ressonância ferromagnética pode facilmente queimar o transformador de tensão e danificar o para-raios, podendo inclusive causar sua explosão. Essas consequências representam uma séria ameaça ao isolamento dos equipamentos da rede elétrica e colocam em risco a segurança de sua operação.

Para reduzir a corrente capacitiva para o terra em caso de falha de aterramento monofásica, é necessário instalar uma bobina de supressão de arco e outros dispositivos de compensação no ponto neutro do transformador. Portanto, é necessário estabelecer manualmente um ponto neutro para que a bobina de supressão de arco possa ser conectada a ele, reduzindo a corrente de curto-circuito para o terra e melhorando a confiabilidade do fornecimento de energia do sistema.

■ Uso atual no país e no exterior

Na China, o transformador de aterramento geralmente adota fiação tipo Z (ou em ziguezague). Para economizar investimento e espaço na subestação, um terceiro enrolamento é normalmente adicionado ao transformador de aterramento para substituir o transformador que alimenta os equipamentos da subestação. De acordo com a norma nacional de reatores, o modo de aterramento do transformador de aterramento pode ser dividido em aterramento direto; aterramento por meio de reator, resistor e bobina de supressão de arco. O aterramento direto ainda não é utilizado na China, mas alguns departamentos de pesquisa em energia elétrica começaram a discutir esse aspecto. Em outros países, o transformador de aterramento geralmente adota conexão tipo Z, utilizada em sistemas de 10 kV sem aterramento e que constitui a proteção de aterramento da rede de distribuição. Quando ocorre uma falha de aterramento no sistema, o transformador de aterramento apresenta alta impedância para correntes de sequência positiva e negativa e baixa resistência para corrente de sequência zero, garantindo a operação confiável da proteção de aterramento.

■ Transformador de aterramento trifásico

Transformador trifásico de aterramento. Este tipo de transformador utiliza fiação tipo Z (ou fiação em ziguezague). A diferença em relação aos transformadores comuns reside no fato de que cada bobina de fase é dividida em dois grupos e enrolada no polo magnético da respectiva fase em polarização reversa. A vantagem dessa conexão é que o fluxo magnético de sequência zero pode fluir ao longo do polo magnético, enquanto que, em transformadores comuns, o fluxo magnético de sequência zero flui ao longo do circuito de dispersão magnética. Portanto, a impedância de sequência zero dos transformadores de aterramento tipo Z é muito baixa (cerca de 10 Ω), enquanto que a dos transformadores comuns é muito maior. De acordo com as normas, a capacidade de um transformador comum com bobina de supressão de arco não deve exceder 20% da capacidade do transformador. O transformador tipo Z pode ser equipado com bobina de supressão de arco com capacidade de 90% a 100%. Além da bobina de supressão de arco, o transformador de aterramento também pode ser equipado com carga secundária, podendo substituir o transformador da subestação, reduzindo assim os custos de investimento.

■ Transformador de aterramento monofásico

Transformador de aterramento monofásico. O transformador de aterramento monofásico é usado principalmente em geradores com ponto neutro e em painéis de resistores de aterramento de ponto neutro da Satons Transformer para reduzir o custo e o volume do painel de resistores.

■ Características de funcionamento

(1) Baixa impedância de sequência zero para garantir a saída de corrente de sequência zero;

(2) Alta impedância de excitação para reduzir a corrente sem carga;

(3) Baixa perda sem carga para economizar consumo de energia na operação diária.

■ Modo de fiação

Conexão YNyn

O transformador com esse modo de conexão geralmente adota um núcleo de ferro trifásico de três colunas, e o ponto neutro no lado de alta tensão pode ser conectado a uma bobina de supressão de arco para realizar o aterramento. No entanto, quando a corrente de sequência zero aterrada monofásica flui através do enrolamento do lado de alta tensão, o potencial magnético de sequência zero gerado não pode ser equilibrado pelo potencial magnético secundário, e o fluxo magnético de sequência zero na mesma direção não pode formar um circuito fechado no núcleo de ferro de três colunas. Assim, uma grande quantidade de fluxo magnético de sequência zero só pode passar através do terminal de aterramento, do óleo e do corpo do tanque de óleo para formar um circuito fechado, causando perdas adicionais no tanque de óleo e no terminal de aterramento, resultando em superaquecimento local e limitação da utilização da capacidade do transformador. As normas operacionais relevantes do setor elétrico da China estabeleceram as seguintes disposições sobre o estado de funcionamento da bobina de supressão de arco conectada ao ponto neutro do transformador com conexão YNyn:

(1) A capacidade da bobina de supressão de arco não deve exceder 20% da capacidade nominal do transformador;

(2) A queda de tensão de sequência zero gerada pela corrente de sequência zero que flui através da bobina de supressão de arco no transformador não deve exceder 10% da tensão de fase nominal;

O modo de conexão do transformador com conexão YNd e da bobina de supressão de arco XL caracteriza-se pelo fato de a conexão triangular no lado secundário proporcionar um caminho fechado para a corrente de sequência zero, resultando em uma pequena reatância de sequência zero. Além disso, como o potencial magnético de sequência zero dos enrolamentos primário e secundário em cada coluna do núcleo é equilibrado, a fuga magnética de sequência zero também é pequena. No entanto, quando o enrolamento de conexão YN está externo, as perdas adicionais de sequência zero causadas no tanque de óleo e em outros componentes não podem ser completamente evitadas. Quando conectado com a bobina de supressão de arco, a utilização de sua capacidade ainda será limitada. Pesquisas internacionais demonstram que o modo de operação permitido para o transformador de aterramento com conexão YNd é:

(1) Quando a carga total secundária é normal, a capacidade da bobina de supressão de arco conectada no lado YN não deve exceder 50% da capacidade nominal do transformador;

(2) Quando a carga secundária for apenas 50% da capacidade do transformador em condições normais, a capacidade da bobina de supressão de arco pode ser igual à capacidade nominal do transformador.

Embora o lado secundário dessa conexão possa fornecer energia para cargas regionais ou para a própria subestação, sua aplicação será bastante limitada, pois a conexão triangular apresenta dificuldades para fornecer energia simultaneamente a usuários de sistemas híbridos de energia e iluminação.

A conexão YN em triângulo aberto é conectada com uma bobina de supressão de arco XL, similar à conexão YNd. O modo de conexão em triângulo aberto permite a conexão de um resistor ou reator no lado do triângulo aberto para ajustar a reatância de sequência zero do transformador, e a conexão do resistor também pode suprimir a ressonância ferromagnética da rede. Se for adotado um núcleo de ferro trifásico de cinco colunas, o valor da impedância de sequência zero pode ser significativamente aumentado, sendo até possível omitir a bobina de supressão de arco, porém a estrutura torna-se mais complexa e o custo mais elevado. Além disso, o uso secundário da conexão em triângulo aberto não atende às necessidades de alimentação de cargas regionais e de autoconsumo, portanto, esse método não é amplamente utilizado.

O transformador com conexão em ziguezague ZN, yn é conectado com a bobina de supressão de arco XL, um modo de conexão comum para transformadores de aterramento. Como o potencial magnético de sequência zero nas metades superior e inferior dos enrolamentos na mesma coluna do núcleo de ferro do método de conexão em ziguezague é exatamente do mesmo tamanho e direção oposta, contrabalançando-se mutuamente, o fluxo de dispersão de sequência zero é reduzido a um valor muito pequeno, de modo que seu valor de reatância de sequência zero também é muito pequeno, podendo sua capacitância ser igual à capacitância da bobina de supressão de arco conectada.

O transformador de aterramento amplamente utilizado no Brasil e no exterior é conectado principalmente dessa maneira. Como o método de junção YN é adotado no lado de baixa tensão, ele pode fornecer energia local ou a energia para autoconsumo da subestação simultaneamente. A capacidade do lado de baixa tensão geralmente é menor que a do lado de alta tensão. Na maioria dos casos, a capacidade do lado de baixa tensão está na faixa de 80 a 200 kVA.

Embora a capacidade nominal do lado de alta tensão possa ser igual à capacidade da bobina de supressão de arco conectada, a conexão em forma de Z terá 1,15 vezes mais espiras do que a conexão em forma de Y; portanto, a capacidade real do transformador de aterramento deve ser 1,15 vezes a capacidade da bobina de supressão de arco.

■ Princípio de funcionamento

O diagrama do princípio de funcionamento do transformador de aterramento em caso de falta monofásica no sistema é ilustrado pela fiação ZNyn comum. Quando o transformador de aterramento passa por uma corrente de sequência zero de determinada magnitude durante a operação, a corrente que flui pelos dois enrolamentos monofásicos na mesma coluna do núcleo de ferro tem sentidos opostos e magnitudes iguais, de modo que o potencial magnético gerado pela corrente de sequência zero é exatamente oposto ao de compensação, resultando em uma impedância de sequência zero muito pequena.

Quando o transformador de aterramento falha, o ponto neutro pode conduzir corrente de compensação. Devido à baixa impedância de sequência zero, a queda de tensão gerada por essa corrente deve ser a menor possível para garantir a segurança do sistema. Como o transformador de aterramento possui baixa impedância de sequência zero, quando ocorre uma falta de aterramento monofásica na fase C, a corrente de aterramento da fase C (I) flui para o ponto neutro através da terra e é dividida em três partes iguais para fluir para o transformador de aterramento. Como as três correntes que fluem para o transformador de aterramento são iguais, o deslocamento do ponto neutro (N) permanece inalterado e a tensão trifásica permanece simétrica.

No entanto, no processo de fabricação, o número de espiras e as dimensões geométricas dos enrolamentos superior e inferior do enrolamento de alta tensão não podem ser completamente iguais, o que impossibilita que o potencial magnético gerado pela corrente de sequência zero seja exatamente compensado na direção oposta, gerando ainda uma certa impedância de sequência zero, geralmente em torno de 6-10 Ω. Comparada com a impedância de sequência zero de um transformador conectado em estrela de 600 Ω, suas vantagens são evidentes. Além disso, o transformador com aterramento em ziguezague também permite minimizar a corrente e as perdas em vazio. Em comparação com um transformador conectado em estrela comum, cada núcleo de fase de um transformador com aterramento em ziguezague é composto por enrolamentos de duas colunas de núcleo. De acordo com seu diagrama vetorial, em comparação com um transformador conectado em estrela comum, são necessárias 1,16 vezes mais espiras para que a tensão seja a mesma. A amplitude da impedância de sequência zero e da impedância de sequência positiva em redes de distribuição urbanas com aterramento monofásico, sob o modo de aterramento resistivo do ponto neutro, difere consideravelmente. Quando correntes trifásicas de sequência positiva e negativa fluem, o potencial magnético em cada coluna do núcleo de ferro do transformador de aterramento é a soma dos fasores do potencial magnético de dois enrolamentos de fases diferentes na coluna do núcleo de ferro. O potencial magnético nos três pilares do núcleo de ferro é um conjunto de grandezas trifásicas em equilíbrio com uma diferença de fase de 120°. O fluxo magnético gerado pode formar um circuito nos três pilares do núcleo de ferro. A resistência magnética do circuito magnético é pequena, o fluxo magnético é grande e o potencial induzido é grande, apresentando uma grande impedância de sequência positiva e negativa; portanto, o transformador de aterramento possui as características de grande impedância de sequência positiva e negativa e pequena impedância de sequência zero.

■ Principais parâmetros técnicos

Para atender às necessidades de compensação de aterramento da bobina de supressão de arco na rede de distribuição, bem como às necessidades de energia da subestação e da carga de iluminação, seleciona-se um transformador com conexão tipo Z, sendo necessário definir adequadamente os principais parâmetros do transformador de aterramento.

(1) A capacidade do lado primário do transformador de aterramento com capacidade nominal deve corresponder à capacidade da bobina de supressão de arco. De acordo com a especificação de capacidade da bobina de supressão de arco existente, recomenda-se definir a capacidade do transformador de aterramento como 1,05 a 1,15 vezes a capacidade da bobina de supressão de arco. Por exemplo, a capacidade do transformador de aterramento equipado com uma bobina de supressão de arco de 200 kVA é de 215 kVA.

(2) Corrente total que flui através do ponto neutro do transformador em caso de falta monofásica da corrente de compensação do ponto neutro:

Onde:

U é a tensão de linha da rede de distribuição (V); Zx é a impedância da bobina de supressão de arco (Ω);

Zd é a impedância de sequência zero primária do transformador de aterramento (Ω/fase);

Zs é a impedância do sistema (Ω);

A duração da corrente de compensação do ponto neutro deve ser a mesma da bobina de supressão de arco, que deve ser de 2 horas, conforme especificado.

(3) Impedância de sequência zero A impedância de sequência zero é um parâmetro importante do transformador de aterramento, que tem uma influência significativa na proteção do relé para limitar a corrente de curto-circuito de aterramento monofásico e suprimir a sobretensão. Para transformadores de aterramento conectados em ziguezague (tipo Z) e em estrela/triângulo aberto sem bobinas secundárias, existe apenas uma impedância, ou seja, a impedância de sequência zero, de modo que o departamento de fabricação possa atender aos requisitos do departamento de energia.

(4) A perda é um parâmetro de desempenho importante do transformador de aterramento. Para um transformador de aterramento com bobina secundária, sua perda em vazio pode ser a mesma que a de um transformador com enrolamento duplo de mesma capacidade. Quanto à perda em carga, quando o lado secundário está operando em plena carga, a perda em carga do lado primário é menor que a de um transformador com enrolamento duplo de mesma capacidade no lado secundário, devido à baixa carga no lado primário.

(5) De acordo com a norma nacional, o aumento de temperatura do transformador de aterramento é o seguinte:

1) O aumento de temperatura sob a corrente contínua nominal deve estar em conformidade com as disposições da norma nacional para transformadores a seco de transformadores de potência em geral, mas aplica-se principalmente a transformadores de aterramento com carga frequente no lado secundário;

2) Quando a duração da corrente de carga de curta duração for inferior a 10 segundos (principalmente quando o ponto neutro estiver conectado à resistência), a elevação de temperatura deverá estar em conformidade com as disposições da norma nacional para transformadores de potência sobre o limite de elevação de temperatura em condições de curto-circuito;

3) O aumento de temperatura do transformador de aterramento e da bobina de supressão de arco quando operando em conjunto deve estar em conformidade com as disposições sobre o aumento de temperatura da bobina de supressão de arco: a temperatura do enrolamento que flui continuamente através da corrente nominal é de 80 K, o que se aplica principalmente ao transformador de aterramento com conexão estrela/triângulo aberto; para o enrolamento com tempo máximo de fluxo de corrente nominal especificado como 2 h, a temperatura especificada é de 100 K.