Proteção do Transformador de Aterramento: Causas de Mau Funcionamento e Medidas Corretivas em Subestações de 110kV

No sistema de energia da China, as redes de 6 kV, 10 kV e 35 kV geralmente adotam um modo de operação com ponto neutro não aterrado. O lado de distribuição de tensão do transformador principal na rede é geralmente conectado em configuração delta, o que não fornece um ponto neutro para conectar uma resistência de aterramento.

Quando ocorre um defeito de terra monofásico em um sistema com ponto neutro não aterrado, o triângulo de tensões entre fases permanece simétrico, causando um impacto mínimo nas operações dos usuários. Além disso, quando a corrente capacitiva é relativamente pequena (menor que 10 A), alguns defeitos de terra transitórios podem se extinguir automaticamente, o que é altamente eficaz para melhorar a confiabilidade do fornecimento de energia e reduzir incidentes de interrupção de energia.

No entanto, com a expansão contínua e o desenvolvimento da indústria de energia, este método simples já não atende às demandas atuais. Nas redes de energia urbanas modernas, o uso crescente de circuitos de cabo levou a correntes capacitivas significativamente maiores (superiores a 10 A). Sob tais condições, o arco de terra não pode ser extinto de forma confiável, resultando nas seguintes consequências:

• A extinção e reacendimento intermitentes do arco de terra monofásico geram sobretensões de arco-terra com amplitudes que chegam a 4U (onde U é a tensão de pico de fase) ou até mais, durando por períodos prolongados. Isso representa sérias ameaças à isolamento dos equipamentos elétricos, podendo causar quebras nos pontos de isolamento fraco e levar a perdas significativas.

• O arco sustentado causa a ionização do ar, degradando o isolamento do ar circundante e tornando os curtos-circuitos entre fases mais prováveis.

• Poderão ocorrer sobretensões por ferroressonância, danificando facilmente transformadores de potencial (TPs) e pararraios, e em casos graves, até mesmo causando explosões de pararraios. Essas consequências representam uma grave ameaça ao isolamento dos equipamentos da rede e à operação segura do sistema de energia.

Para prevenir os acidentes mencionados acima e fornecer corrente e tensão zero-séquencia suficientes para a operação confiável da proteção contra defeitos de terra, deve-se criar um ponto neutro artificial para que uma resistência de aterramento possa ser conectada. Para atender a essa necessidade, foram desenvolvidos transformadores de aterramento (comumente referidos como "unidades de aterramento"). Um transformador de aterramento cria artificialmente um ponto neutro com uma resistência de aterramento, geralmente com um valor de resistência muito baixo (geralmente inferior a 5 ohms).

Além disso, devido às suas características eletromagnéticas, o transformador de aterramento apresenta alta impedância para correntes positivas e negativas, permitindo apenas uma pequena corrente de excitação fluir através de seus enrolamentos. Em cada braço do núcleo, duas seções de enrolamento são enroladas em direções opostas. Quando correntes zero-séquencia iguais fluem através desses enrolamentos no mesmo braço do núcleo, eles apresentam baixa impedância, resultando em uma queda de tensão mínima nos enrolamentos sob condições de zero-séquencia.

Durante um defeito de terra, correntes positivas, negativas e zero-séquencia fluem através dos enrolamentos. Os enrolamentos apresentam alta impedância para correntes positivas e negativas, mas para a corrente zero-séquencia, os dois enrolamentos na mesma fase estão conectados em série com polaridade oposta. Suas forças eletromotrizes induzidas têm magnitudes iguais, mas direções opostas, anulando-se mutuamente, apresentando, assim, baixa impedância.

Em muitas aplicações, os transformadores de aterramento são usados apenas para fornecer um ponto neutro com uma pequena resistência de aterramento e não fornecem qualquer carga; portanto, muitos transformadores de aterramento são projetados sem um enrolamento secundário. Durante a operação normal da rede, o transformador de aterramento opera essencialmente em condição de sem carga. No entanto, durante um defeito, ele carrega a corrente de defeito apenas por um curto período de tempo.

Em um sistema com ponto neutro aterrado com baixa resistência, quando ocorre um defeito de terra monofásico, a proteção zero-séquencia altamente sensível identifica rapidamente e isola temporariamente o alimentador defeituoso. O transformador de aterramento está ativo apenas durante o breve intervalo entre a ocorrência do defeito de terra e a operação da proteção zero-séquencia para limpar o defeito. Durante esse tempo, a corrente zero-séquencia flui através da resistência de aterramento do ponto neutro e do transformador de aterramento, dada por

onde U é a tensão de fase do sistema, R1 é a resistência de aterramento do ponto neutro e R2 é a resistência adicional no loop de defeito de terra.

Com base na análise acima, as características operacionais dos transformadores de aterramento são: operação sem carga a longo prazo com capacidade de sobrecarga a curto prazo.

Em resumo, um transformador de aterramento cria artificialmente um ponto neutro para conectar uma resistência de aterramento. Durante um defeito de terra, ele apresenta alta impedância para correntes positivas e negativas, mas baixa impedância para a corrente zero-séquencia, permitindo a operação confiável da proteção contra defeitos de terra.

Atualmente, os transformadores de aterramento instalados nas subestações servem a dois propósitos:

• Fornecimento de energia AC de baixa tensão para uso auxiliar na subestação;

• Criação de um ponto neutro artificial no lado de 10 kV, que, quando combinado com um bobinado de extinção de arco, compensa a corrente de defeito de terra capacitiva durante defeitos de terra monofásicos de 10 kV, extinguindo, assim, o arco no ponto do defeito. O princípio é o seguinte:

Ao longo de toda a extensão das linhas de transmissão em uma rede de energia trifásica, existem capacitâncias entre as fases e entre cada fase e o solo. Quando o ponto neutro da rede não está solidamente aterrado, a capacitância fase-terra da fase defeituosa se torna zero durante um defeito de terra monofásico, enquanto as tensões fase-terra das outras duas fases aumentam para √3 vezes a tensão de fase normal. Embora esse aumento de tensão não supere a resistência de isolamento projetada para segurança, ele aumenta sua capacitância fase-terra.

A corrente de falta à terra capacitiva durante uma falha monofásica é aproximadamente três vezes a corrente capacitiva normal por fase. Quando essa corrente é grande, pode causar facilmente arcos intermitentes, levando a sobretensões no circuito ressonante LC formado pela indutância e capacitância da rede, com magnitudes que chegam a 2,5 a 3 vezes a tensão de fase. Quanto maior a tensão da rede, maior o risco dessas sobretensões. Portanto, apenas sistemas abaixo de 60 kV podem operar com neutro não aterrado, pois suas correntes de falta à terra capacitivas monofásicas são relativamente pequenas. Para níveis de tensão mais altos, um transformador de aterramento deve ser usado para conectar o ponto neutro através de impedância à terra.

Quando o lado de 10 kV do transformador principal de uma subestação está conectado em triângulo ou estrela sem ponto neutro, e a corrente de falta à terra capacitiva monofásica é grande, é necessário um transformador de aterramento para criar um ponto neutro artificial, permitindo a conexão a uma bobina de extinção de arco. Isso forma um sistema de aterramento neutro artificial—a função principal do transformador de aterramento. Durante a operação normal, o transformador de aterramento suporta a tensão equilibrada da rede e carrega apenas uma pequena corrente de excitação (condição sem carga).

A diferença de potencial entre o neutro e a terra é zero (ignorando a tensão de deslocamento do neutro da bobina de extinção de arco), e nenhuma corrente flui pela bobina de extinção de arco. Supondo que ocorra um curto-circuito fase-C-terra, a tensão de sequência zero resultante da assimetria trifásica flui pela bobina de extinção de arco até a terra. Assim como a própria bobina de extinção de arco, a corrente indutiva induzida compensa a corrente de falta à terra capacitiva, eliminando o arco no ponto de falha.

Nos últimos anos, várias operações incorretas da proteção do transformador de aterramento ocorreram em subestações de 110 kV em uma certa região, afetando severamente a estabilidade da rede. Para identificar as causas raiz, foram realizadas análises sobre os motivos dessas operações incorretas, e medidas correspondentes foram implementadas para prevenir a recorrência e fornecer referências para outras regiões.

Atualmente, as alimentações de 10 kV em subestações de 110 kV estão cada vez mais usando linhas de saída de cabo, aumentando significativamente a corrente de falta à terra capacitiva monofásica no sistema de 10 kV. Para suprimir as magnitudes de sobretensão durante faltas à terra monofásicas, as subestações de 110 kV começaram a instalar transformadores de aterramento para implementar um esquema de aterramento de baixa resistência, estabelecendo um caminho de corrente de sequência zero. Isso permite a proteção seletiva de sequência zero para isolar faltas à terra com base na localização da falha, evitando a reacendimento de arcos e sobretensões, garantindo assim o fornecimento seguro de energia aos equipamentos da rede.

A partir de 2008, uma certa rede regional reformulou seus sistemas de 10 kV em subestações de 110 kV para aterramento de baixa resistência, instalando transformadores de aterramento e dispositivos de proteção associados. Isso permitiu o isolamento rápido de qualquer falha à terra em alimentações de 10 kV, minimizando o impacto na rede. No entanto, recentemente, cinco subestações de 110 kV na região experimentaram repetidas operações incorretas da proteção do transformador de aterramento, causando interrupções de subestação e perturbando severamente a estabilidade da rede. Portanto, identificar as causas e implementar medidas corretivas é essencial para manter a segurança da rede regional.

1.Análise das Causas de Operação Incorreta da Proteção do Transformador de Aterramento

Quando uma alimentação de 10 kV experimenta uma falha de curto-circuito à terra, a proteção de sequência zero na alimentação defeituosa na subestação de 110 kV deve atuar primeiro para isolar a falha. Se isso não for feito corretamente, a proteção de sequência zero do transformador de aterramento agirá como backup, acionando o disjuntor de barra e ambos os lados do transformador principal para isolar a falha. Assim, a operação correta da proteção e dos disjuntores de alimentação de 10 kV é crucial para a segurança da rede. A análise estatística das operações incorretas em cinco subestações de 110 kV mostra que a causa principal é a falha das alimentações de 10 kV em isolar corretamente as faltas à terra.

Princípio da Proteção de Sequência Zero da Alimentação de 10 kV:

Amostragem de TC de sequência zero → Ativação da proteção da alimentação → Acionamento do disjuntor.
A partir deste princípio, o TC de sequência zero, o relé de proteção da alimentação e o disjuntor são componentes-chave para a operação correta. O seguinte analisa as causas de operação incorreta a partir desses aspectos:

1.1 Erro de TC de sequência zero causando operação incorreta da proteção do transformador de aterramento.
Durante uma falha à terra na alimentação de 10 kV, o TC de sequência zero da alimentação defeituosa detecta a corrente de falha, acionando sua proteção para isolar a falha. Simultaneamente, o TC de sequência zero do transformador de aterramento também sente a corrente de falha e inicia a proteção. Para garantir a seletividade, a proteção de sequência zero da alimentação de 10 kV é configurada com corrente e tempo menores do que a proteção do transformador de aterramento. Configurações de corrente: transformador de aterramento—75 A primária, 1,5 s para acionar o disjuntor de barra de 10 kV, 1,8 s para bloquear a transferência automática de 10 kV, 2,0 s para acionar o lado de baixa tensão do transformador, 2,5 s para acionar ambos os lados; alimentação de 10 kV—60 A primária, 1,0 s para acionar o disjuntor.

No entanto, erros de TC são inevitáveis. Se o TC do transformador de aterramento tiver um erro de -10% e o TC da alimentação tiver um erro de +10%, as correntes de operação reais tornam-se 67,5 A e 66 A—praticamente iguais. Relying apenas na graduação de tempo, uma falha à terra na alimentação de 10 kV poderia facilmente causar a operação prematura da proteção de sobrecorrente de sequência zero do transformador de aterramento.

1.2 Aterramento incorreto do escudo do cabo causando operação incorreta.
As alimentações de 10 kV em subestações de 110 kV usam cabos blindados com escudos aterrados em ambas as extremidades—uma prática comum de mitigação de EMI. Os TCs de sequência zero são do tipo toroidal instalados ao redor dos cabos nos terminais de saída do painel de distribuição. Durante as faltas à terra, as correntes desequilibradas induzem sinais no TC para ativar a proteção. No entanto, com o aterramento em ambas as extremidades, as correntes induzidas no escudo também passam pelo TC de sequência zero, criando sinais falsos. Sem a mitigação adequada, isso prejudica a precisão da proteção de sequência zero da alimentação, levando ao acionamento de backup do transformador de aterramento.

1.3 Falha da proteção da alimentação de 10 kV causando operação incorreta.

Os relés baseados em microprocessador modernos oferecem melhor desempenho, mas problemas de qualidade variável dos fabricantes e dissipação de calor inadequada permanecem. As estatísticas de falhas mostram que os módulos de alimentação, placas de amostragem, placas CPU e módulos de saída de acionamento nas proteções de alimentação de 10 kV são os mais propensos a falhas. Falhas não detectadas podem causar a recusa da proteção, acionando a operação incorreta do transformador de aterramento.

1.4 Falha no disjuntor de alimentador de 10 kV causando mau funcionamento.
Com o envelhecimento, operações frequentes ou problemas inerentes de qualidade, as falhas em equipamentos de comutação de 10 kV — especialmente nos circuitos de controle — estão aumentando. Em áreas montanhosas menos desenvolvidas, equipamentos de comutação GG-1A mais antigos permanecem em serviço com taxas mais altas de falhas à terra. Mesmo que a proteção de sequência zero opere corretamente, a falha do disjuntor (por exemplo, bobina de desligamento queimada impedindo a operação) leva ao mau funcionamento do transformador de aterramento.

1.5 Falhas à terra de alta impedância em dois alimentadores de 10 kV (ou uma única falha grave de alta impedância) causando mau funcionamento.
Quando dois alimentadores apresentam falhas à terra de alta impedância na mesma fase, as correntes individuais de sequência zero podem permanecer abaixo do limiar de atuação de 60 A (por exemplo, 40 A e 50 A), portanto, as proteções dos alimentadores apenas emitem alarme. Porém, a corrente somada (90 A) excede o ajuste de 75 A do transformador de aterramento, provocando desligamento prematuro. Com alimentadores de 10 kV totalmente em cabo, as correntes capacitivas normais podem atingir 12–15 A. Mesmo uma única falha grave de alta impedância (por exemplo, 58 A) somada à corrente capacitiva normal se aproxima de 75 A. Oscilações no sistema poderiam então facilmente acionar o mau funcionamento do transformador de aterramento.

2. Medidas para Prevenir Mau Funcionamento da Proteção do Transformador de Aterramento

Com base na análise acima, recomendam-se as seguintes medidas:

2.1 Para prevenir mau funcionamento induzido por erro de TC
Utilizar TCs de sequência zero de alta qualidade; testar rigorosamente as características dos TCs antes da instalação e rejeitar qualquer um com erro >5%; definir os valores de atuação da proteção com base na corrente primária; verificar os ajustes mediante teste de injeção primária.

2.2 Para prevenir aterramento incorreto da blindagem do cabo

• Os condutores de aterramento da blindagem do cabo devem passar verticalmente através do TC de sequência zero e ser isolados das bandejas de cabos. Nenhum contato de aterramento deve ocorrer antes de passar pelo TC. Expor as extremidades metálicas para teste de injeção primária; isolar confiavelmente o restante.

• Se o ponto de aterramento da blindagem estiver abaixo do TC, o condutor não deve passar pelo TC. Evitar rotear o condutor de aterramento da blindagem pelo centro do TC.

• Intensificar o treinamento técnico para que as equipes de proteção e cabos compreendam plenamente os métodos de instalação do TC e do aterramento da blindagem.

• Reforçar os procedimentos de aceitação com inspeções conjuntas pelas equipes de proteção, operação e cabos.

2.3 Para prevenir falha da proteção do alimentador
Selecionar dispositivos de proteção comprovados e confiáveis; substituir unidades antigas ou com frequente defeito; intensificar a manutenção; instalar ar-condicionado e ventilação para evitar operação em alta temperatura.

2.4 Para prevenir falha do disjuntor do alimentador
Utilizar equipamentos de comutação confiáveis e maduros; substituir gradativamente armários GG-1A antigos por tipos selados com acionamento por mola ou motor; manter os circuitos de controle; utilizar bobinas de desligamento de alta qualidade.

2.5 Para prevenir mau funcionamento por falha de alta impedância
Realizar imediatamente patrulhamento e reparo nos alimentadores após alarme de sequência zero; reduzir os comprimentos dos alimentadores; balancear as cargas de fase para minimizar as correntes capacitivas normais.

3. Conclusão

À medida que mais redes regionais instalam transformadores de aterramento e proteções associadas para melhorar a estrutura e estabilidade, incidentes recorrentes de mau funcionamento destacam a necessidade de enfrentar efeitos adversos. Este artigo analisa as principais causas do mau funcionamento da proteção do transformador de aterramento e propõe contramedidas, fornecendo orientação para regiões que já instalaram ou planejam instalar tais sistemas.