Como Resolver o Julgamento de Falha de Aterramento Monofásico para 3-Fases 4PT em Sistemas Não Aterrados

Em sistemas de 10 kV e 35 kV não aterrados, as falhas de terra em fase única causam correntes mínimas, por isso a proteção raramente dispara. De acordo com os regulamentos, a operação é limitada a 2 horas; falhas não detectadas por longos períodos podem piorar, até mesmo danificar os interruptores. Embora a IEE-Business promova dispositivos de seleção de linha de corrente pequena em subestações de 110 kV e 220 kV, sua precisão permanece baixa, exigindo que a equipe de monitoramento/operação analise as medições remotas. Para sistemas não aterrados com transformadores de tensão trifásicos 4PT, este artigo analisa a falha de terra em fase única para melhorar a usabilidade das medições remotas para a equipe, oferecendo soluções baseadas na experiência de campo.

1 Análise da Operação Normal e Falhas de Terra em Fase Única em Sistemas Não Aterrados
1.1 Princípio do Transformador de Tensão Durante a Operação Normal

Para um transformador de tensão trifásico 4PT de barramento de 10 kV (conexão: Figura 1), U_A, U_B, U_C(tensões fase-terra), U_L (tensão de sequência zero); U_Aa, U_Bb, U_Cc (tensões de fase dos enrolamentos primários); U_a, U_b, U_c (tensões de fase dos enrolamentos secundários), 3U₀ (tensão de sequência zero). Todas as relações PT são: (10 kV/√3)/(57.74 V).

Durante a operação normal, as tensões trifásicas primárias e de sequência zero são analisadas, conforme mostrado na Equação (1). A partir da Equação (1), as tensões secundárias são obtidas como U_a= 57.74 V, U_b = 57.74V, U_c = 57.74V, e 3U₀ = 0V, que são consistentes com as tensões secundárias do transformador de tensão com conexão trifásica aberta delta.

1.2 Análise do Princípio do PT em Falha de Terra em Fase Única

Quando ocorre uma falha de terra na fase A, o lado primário do transformador de tensão pode ser representado equivalentemente como mostrado na Figura 2. Entre eles, os enrolamentos primários do PT trifásico são , a impedância do enrolamento de sequência zero é , e U_A', U_B', U_C', U_L' são as tensões fase-terra das três fases e a tensão de sequência zero quando ocorre uma falha de terra na fase A, respectivamente.

De acordo com o teorema da superposição, pode-se obter que

De acordo com as características do transformador de tensão trifásico 4PT, a impedância do enrolamento de sequência zero é muito maior do que a do enrolamento de fase. Então, a fórmula acima pode ser simplificada como mostrado na Fórmula (3).

Quando ocorre uma falha de terra na fase A, a tensão fase-terra da fase A é 0, e as tensões das fases B e C são 10 kV. Combinando com a Fórmula (3), o diagrama fasorial durante a falha de terra em fase única pode ser obtido, conforme mostrado na Figura 3.

De acordo com a análise do diagrama fasorial na Figura 3, a Fórmula (4) pode ser obtida. Entre eles, U_Aa', U_Bb', e U_Cc' são as tensões dos enrolamentos primários do barramento após a falha de terra na fase A, respectivamente.U_Aa'= U_A 10kV√3, U_Bb'= U_B 10kV√3, U_Cc' =U_C 10kV√3, U_L'=U_A = 10kV √3. Convertendo para o lado secundário após a falha, podemos obter U_a' = 57.74V, U_b' = 57.74V, U_c' = 57.74V, e 3U₀' = 57.74V.

Da análise acima, em um sistema não aterrado, quando ocorre uma falha de terra em fase única, as tensões das três fases ABC são todas 57.74 V, que é consistente com a situação de operação normal. Apenas a tensão de sequência zero aumenta para a tensão de fase, o que traz grande confusão para o pessoal de monitoramento e manutenção. É muito difícil julgar que é uma falha de terra em fase única. Além disso, porque a corrente de falha é muito pequena para a proteção iniciar o disparo, isso traz perigos ocultos para a operação segura e estável da rede elétrica.

2 Medidas de Correção

Para resolver o problema de que, para o transformador de tensão com o modo de conexão trifásico 4PT, quando ocorre uma falha de terra em fase única, a medição remota de tensão trifásica enviada é consistente com a situação de operação normal, o que traz certa confusão para o pessoal de monitoramento e manutenção. Este artigo propõe manter inalterada a conexão do enrolamento de tensão primária do transformador de tensão trifásico 4PT e alterar a conexão do enrolamento secundário, conforme mostrado na Figura 4.

Com base no princípio analisado na Seção 1.2, podemos derivar: U_A' = U_L' + U_Aa' = 0V, U_B' = U_L' + U_Bb' = 10kV, U_C' = U_L' + U_Cc' = 10kV. Ou seja, as tensões secundárias após a falha são U_A' = 0V, U_B' = 100 kV, U_C' = 100kV, e3U₀' = 57.74kV. A partir dos dados analisados acima, para o transformador de tensão trifásico 4PT melhorado, durante uma falha de terra em fase única, as tensões trifásicas são consistentes com as de uma falha em fase única em um sistema trifásico de quatro fios, e a tensão de sequência zero também aumenta para a tensão de fase.

O pessoal de monitoramento e manutenção pode rapidamente determinar que ocorreu uma falha de terra em fase única no sistema de 10 kV. Combinado com o dispositivo de seleção de linha de corrente pequena, a linha de falha relevante pode ser removida o mais rápido possível.

3 Conclusão

Este artigo propõe um método de conexão do enrolamento secundário para o transformador de tensão trifásico 4PT, que pode enviar medições remotas de tensão trifásica com as mesmas características de uma falha de terra em fase única em um sistema não aterrado para o sistema de monitoramento. Assim, é mais propício para que o pessoal de monitoramento e manutenção faça julgamentos rápidos, evite que a falha piore ainda mais e garanta a operação segura e estável da rede elétrica.