Análise de Medidas de Proteção contra Raios para Transformadores de Distribuição

Análise das Medidas de Proteção contra Raios para Transformadores de Distribuição

Para prevenir a intrusão de surtos de raios e garantir o funcionamento seguro dos transformadores de distribuição, este artigo apresenta medidas de proteção contra raios aplicáveis que podem efetivamente aumentar sua capacidade de resistência a raios.

1. Medidas de Proteção contra Raios para Transformadores de Distribuição

1.1 Instale pararraios no lado de alta tensão (AT) do transformador de distribuição.
De acordo com SDJ7–79 Código Técnico para o Projeto de Proteção Contra Surtos em Equipamentos Elétricos: “O lado de alta tensão de um transformador de distribuição deve geralmente ser protegido por pararraios. O condutor de aterramento do pararraios, o ponto neutro da bobina de baixa tensão (BT) e o tanque do transformador devem ser ligados juntos e aterrados.” Esta configuração também é recomendada na DL/T620–1997 Proteção Contra Surtos e Coordenação de Isolamento para Instalações Elétricas de Corrente Alternada emitida pela autoridade elétrica da China.

No entanto, pesquisas extensivas e experiência de campo mostram que, mesmo com pararraios apenas no lado de alta tensão, falhas nos transformadores ainda ocorrem sob surtos de raios. Em áreas típicas, a taxa anual de falhas é de cerca de 1%; em regiões com alto índice de raios, pode chegar a aproximadamente 5%; e em zonas de tempestades extremamente severas (por exemplo, áreas com mais de 100 dias de tempestade por ano), a taxa anual de falhas pode atingir cerca de 50%. A causa principal são as sobretensões transitórias diretas e inversas induzidas quando os surtos de raios invadem a bobina de alta tensão.

• Sobretensão Inversa de Transformação:
  Quando um surto de raios (3–10 kV) invade o lado de alta tensão, o pararraios dispara, fazendo com que uma grande corrente de impulso flua através da resistência de aterramento, criando uma queda de tensão. Esta tensão eleva o potencial do ponto neutro de baixa tensão. Se a linha de baixa tensão for longa, ela se comporta como uma impedância de onda para o solo. Consequentemente, uma grande corrente de impulso flui através da bobina de baixa tensão. Como as correntes de baixa tensão trifásicas são iguais em magnitude e direção, elas geram um forte fluxo magnético de sequência zero, que, através da relação de enrolamento do transformador, induz tensões transitórias extremamente altas na bobina de alta tensão. Como a bobina de alta tensão está conectada em estrela com neutro não aterrado, não existe corrente de impulso circulante no lado de alta tensão para equilibrar o fluxo. Assim, toda a corrente de impulso de baixa tensão age como corrente de magnetização, produzindo alta tensão induzida no final neutro de alta tensão—onde o isolamento é mais vulnerável. Além disso, os gradientes de tensão entre espiras e camadas aumentam significativamente, colocando em risco a ruptura do isolamento em outras partes. Este fenômeno—iniciado por um surto no lado de alta tensão, mas induzindo sobretensão através do acoplamento eletromagnético de baixa tensão—é conhecido como transformação inversa.
• Sobretensão Direta de Transformação:
  Quando um surto de raios entra através da linha de baixa tensão, a corrente de impulso flui através da bobina de baixa tensão, induzindo uma alta tensão na bobina de alta tensão através da relação de enrolamento. Isto eleva drasticamente o potencial neutro de alta tensão e aumenta os gradientes de tensão entre camadas e espiras. Este processo—onde um surto no lado de baixa tensão induz sobretensão no lado de alta tensão—é chamado de transformação direta. Testes mostram que com um surto de 10 kV no lado de baixa tensão e uma resistência de aterramento de 5 Ω, o gradiente de tensão entre camadas na bobina de alta tensão pode exceder a resistência do transformador a impulsos completos de onda por mais de 100%, causando inevitavelmente a falha do isolamento.

1.2 Instale pararraios convencionais de válvula ou de óxido metálico no lado de baixa tensão.
Nesta configuração, os condutores de aterramento dos pararraios de alta e baixa tensão, o ponto neutro de baixa tensão e o tanque do transformador estão todos ligados juntos e aterrados (geralmente referidos como “aterramento de quatro pontos” ou “aterramento de três em um”).

Dados de campo e estudos experimentais confirmam que, mesmo para transformadores com bom isolamento, pararraios apenas no lado de alta tensão não podem evitar danos de sobretensões de transformação direta ou inversa. Os pararraios de alta tensão não oferecem proteção contra esses transientes internamente gerados. Os gradientes de tensão resultantes entre camadas e espiras são proporcionais ao número de espiras e dependem da geometria da bobina—falhas podem ocorrer no início, meio ou fim da bobina, sendo o final do terminal o mais vulnerável. Adicionar pararraios no lado de baixa tensão limita efetivamente tanto as sobretensões de transformação direta quanto as inversas.

1.3 Aterramento separado para os lados de alta e baixa tensão.
Nesta abordagem, o pararraios de alta tensão é aterrado independentemente, enquanto o neutro de baixa tensão e o tanque do transformador são ligados e aterrados separadamente (sem pararraios de baixa tensão).

Pesquisas mostram que este método utiliza a atenuação do solo para eliminar em grande parte a sobretensão de transformação inversa. Para a transformação direta, cálculos indicam que a redução da resistência de aterramento de baixa tensão de 10 Ω para 2,5 Ω pode diminuir a sobretensão no lado de alta tensão em aproximadamente 40%. Com o tratamento adequado do sistema de aterramento de baixa tensão, a sobretensão de transformação direta pode ser mitigada efetivamente. Esta solução é simples e econômica, embora exija uma baixa resistência de aterramento de baixa tensão, dando-lhe um valor prático considerável.

Além disso, outras medidas incluem a instalação de bobinas de equilíbrio no núcleo do transformador para suprimir as sobretensões de transformação ou a incorporação de varistores de óxido metálico (MOV) dentro do transformador.

2. Aplicação das Medidas de Proteção contra Raios

A análise acima mostra que cada método de proteção possui características distintas. As regiões devem selecionar estratégias apropriadas com base na intensidade local de tempestades (medida em dias de tempestade por ano):

• Áreas de baixa incidência de raios (por exemplo, planícies): O para-raios do lado de alta tensão é suficiente devido às baixas taxas anuais de falhas.
• Áreas de incidência moderada de raios: Instale para-raios nos lados de alta e baixa tensão.
• Áreas de alta incidência de raios: Medidas isoladas são frequentemente inadequadas. Recomenda-se uma abordagem abrangente: para-raios de alta tensão com aterramento independente, além de para-raios de baixa tensão conectado, neutro de baixa tensão e tanque conectados a um sistema de aterramento separado.
• Zonas de raios severos (especialmente onde as taxas anuais de falhas permanecem altas apesar das medidas abrangentes): Após avaliação técnica e econômica, considere soluções avançadas, como enrolamentos de equilíbrio montados no núcleo (ou seja, transformadores resistentes a raios de novo tipo) ou para-raios de óxido metálico instalados internamente.

3. Conclusão

Os métodos de proteção contra raios para transformadores de distribuição variam amplamente, e as condições locais diferem significativamente em diferentes regiões. Ao selecionar esquemas de proteção com base nas condições locais e ao fortalecer a gestão operacional, as empresas de utilidades podem melhorar substancialmente a resistência a raios e a confiabilidade dos transformadores de distribuição.