O que são Falhas em Transformadores?

Quais são as Falhas no Transformador?

Definição de Falhas no Transformador

Falhas no transformador referem-se a problemas como falhas na isolação e falhas no núcleo que podem ocorrer dentro ou fora do transformador.

Falhas Externas no Transformador de Potência

Curto-Circuito Externo no Transformador de Potência

Curto-circuitos podem ocorrer em duas ou três fases do sistema de energia elétrica. A corrente de falha é geralmente alta, dependendo da tensão curto-circuitada e da impedância do circuito até o ponto de falha. Esta corrente de falha elevada aumenta a perda de cobre, causando aquecimento interno no transformador. Também cria fortes estresses mecânicos, especialmente durante o primeiro ciclo da corrente de falha.

Perturbação de Alta Tensão no Transformador de Potência

Perturbações de alta tensão no transformador de potência são de dois tipos,

• Sobretensão Transitória

• Sobretensão de Frequência de Rede

Sobretensão Transitória

Uma sobretensão de alta tensão e alta frequência pode surgir no sistema de energia devido a qualquer uma das seguintes causas,

• Aterramento por arco se o ponto neutro estiver isolado.

• Operações de comutação de diferentes equipamentos elétricos.

• Impulso de raio atmosférico.

Independentemente das causas da sobretensão, ela é, afinal, uma onda viajante com forma de onda alta e íngreme e também de alta frequência. Esta onda viaja na rede do sistema de energia, e, ao chegar no transformador de potência, causa a quebra da isolação entre as espiras adjacentes ao terminal de linha, o que pode criar um curto-circuito entre as espiras.

Sobretensão de Frequência de Rede

Há sempre uma chance de sobretensão no sistema devido à desconexão súbita de uma grande carga. Embora a amplitude desta tensão seja maior que seu nível normal, a frequência permanece a mesma que estava nas condições normais. A sobretensão no sistema causa um aumento no estresse na isolação do transformador. Como sabemos, a tensão, o aumento da tensão causa um aumento proporcional no fluxo de trabalho.

Isso, portanto, causa um aumento na perda de ferro e um aumento proporcionalmente grande na corrente de magnetização. O fluxo aumentado é desviado do núcleo do transformador para outras partes estruturais de aço do transformador. Parafusos do núcleo, que normalmente carregam pouco fluxo, podem estar sujeitos a um grande componente de fluxo desviado da região saturada do núcleo ao lado. Nessas condições, o parafuso pode ser rapidamente aquecido e destruir sua própria isolação, bem como a isolação do enrolamento.

Efeito de Baixa Frequência no Transformador de Potência

Como o número de espiras no enrolamento é fixo, a partir dessa equação, fica claro que, se a frequência diminui no sistema, o fluxo no núcleo aumenta, os efeitos são mais ou menos semelhantes aos da sobretensão.

Falhas Internas no Transformador de Potência

As principais falhas que ocorrem dentro de um transformador de potência são categorizadas como,

• Quebra de isolamento entre o enrolamento e a terra

• Quebra de isolamento entre diferentes fases

• Quebra de isolamento entre espiras adjacentes, ou seja, falha inter-espiras

• Falha no núcleo do transformador

Falhas Internas de Terra no Transformador de Potência

Falhas Internas de Terra em um Enrolamento Conectado em Estrela com Ponto Neutro Aterrado através de uma Impedância

Em um enrolamento conectado em estrela com o ponto neutro aterrado através de uma impedância, a corrente de falha depende da impedância de aterramento e da distância do ponto de falha ao neutro. A tensão no ponto de falha é maior se estiver mais distante do neutro, levando a uma corrente de falha maior. A corrente de falha também depende da reatância de fuga da porção do enrolamento entre o ponto de falha e o neutro, mas isso geralmente é baixo em comparação com a impedância de aterramento.

Falhas Internas de Terra em um Enrolamento Conectado em Estrela com Ponto Neutro Solidamente Aterrado

Neste caso, a impedância de aterramento é idealmente zero. A corrente de falha depende da reatância de fuga da porção do enrolamento entre o ponto de falha e o ponto neutro do transformador. A corrente de falha também depende da distância entre o ponto neutro e o ponto de falha no transformador.

Como dito no caso anterior, a tensão entre esses dois pontos depende do número de voltas do enrolamento entre o ponto de falha e o ponto neutro. Portanto, em um enrolamento conectado em estrela com o ponto neutro solidamente aterrado, a corrente de falha depende de dois fatores principais: primeiro, a reatância de fuga do enrolamento entre o ponto de falha e o ponto neutro, e segundo, a distância entre o ponto de falha e o ponto neutro. 

Mas a reatância de fuga do enrolamento varia de maneira complexa com a posição da falha no enrolamento. Observa-se que a reatância diminui muito rapidamente para o ponto de falha se aproximando do neutro e, portanto, a corrente de falha é a mais alta para a falha próxima ao extremo neutro. Nesse ponto, a tensão disponível para a corrente de falha é baixa e, ao mesmo tempo, a reatância que opõe a corrente de falha também é baixa, portanto, o valor da corrente de falha é suficientemente alto. 

Novamente, para o ponto de falha afastado do ponto neutro, a tensão disponível para a corrente de falha é alta, mas, ao mesmo tempo, a reatância oferecida pela porção do enrolamento entre o ponto de falha e o ponto neutro é alta. Pode-se notar que a corrente de falha mantém um nível muito alto ao longo do enrolamento. Em outras palavras, a corrente de falha mantém uma magnitude muito alta, independentemente da posição da falha no enrolamento.

Falhas Internas Fase a Fase no Transformador de Potência

Falhas fase a fase no transformador são raras. Se tal falha ocorrer, dará origem a uma corrente substancial para ativar o relé de sobrecorrente instantâneo no lado primário, bem como o relé diferencial.

Falha Inter-Espiras no Transformador de Potência

O transformador de potência conectado a um sistema de transmissão de extra-alta tensão está muito suscetível a impulsos de tensão de alta magnitude, frente íngreme e alta frequência devido a surtos de raio na linha de transmissão. As tensões entre as espiras do enrolamento tornam-se tão grandes que não conseguem suportar o estresse, causando falha de isolamento entre as espiras em alguns pontos. Além disso, o enrolamento de baixa tensão é estressado devido à transferência de tensão de surto. Um número muito grande de falhas de transformadores surge de falhas entre espiras. Falhas inter-espiras também podem ocorrer devido a forças mecânicas entre as espiras originadas por curto-circuitos externos.

Falha no Núcleo do Transformador de Potência

Se alguma parte da lâmina do núcleo for danificada ou ponteada por um material condutor, pode causar correntes de fôrça e superaquecimento local. Isso também pode acontecer se a isolação dos parafusos usados para apertar as lâminas do núcleo falhar. Essas falhas causam superaquecimento local severo, mas não afetam significativamente a corrente de entrada e saída do transformador, tornando-as difíceis de detectar com esquemas de proteção elétrica padrão. O superaquecimento excessivo pode quebrar o óleo do transformador, liberando gases que se acumulam no relé Buchholz e acionam um alarme.