Métodos de Conexão e Parâmetros de Transformadores de Aterramento
Configurações de Enrolamento dos Transformadores de Aterramento
Os transformadores de aterramento são classificados por conexão de enrolamento em dois tipos: ZNyn (zigzag) ou YNd. Seus pontos neutros podem ser conectados a um indutor de supressão de arco ou a um resistor de aterramento. Atualmente, o transformador de aterramento do tipo zigzag (Z) conectado via um indutor de supressão de arco ou um resistor de baixo valor é mais comumente utilizado.
1. Transformador de Aterramento do Tipo Z
Os transformadores de aterramento do tipo Z vêm em versões de isolamento imerso em óleo e seco. Entre eles, o resina-moldada é um tipo de isolamento seco. Estruturalmente, é semelhante a um transformador de potência trifásico convencional, exceto que, em cada perna de fase, o enrolamento é dividido em duas seções de número igual de espiras—superior e inferior. O final de uma seção está conectado em série com polaridade inversa ao final do enrolamento de outra fase.
As duas seções de enrolamento têm polaridades opostas, formando uma nova fase em uma configuração em zigzag. Os terminais de início dos enrolamentos superiores—U1, V1, W1—são trazidos para fora e conectados às linhas de fornecimento CA trifásicas A, B e C, respectivamente. Os terminais de início dos enrolamentos inferiores—U2, V2, W2—são ligados juntos para formar o ponto neutro, que então é conectado a um resistor de aterramento ou a um indutor de supressão de arco, conforme mostrado na figura. Dependendo do método de conexão específico, os transformadores de aterramento do tipo Z são categorizados ainda em configurações ZNvn1 e ZNyn11.
Os transformadores de aterramento do tipo Z também podem ser equipados com um enrolamento de baixa tensão, geralmente conectado em estrela com neutro aterrado (yn), permitindo que sirvam como transformadores de serviço de estação.
2. Transformador de Aterramento do Tipo Z
Vantagens da conexão em zigzag dos transformadores do tipo Z:
Durante um curto-circuito monofásico, a corrente de falha de aterramento é distribuída aproximadamente igualmente entre os três enrolamentos trifásicos. As forças eletromagnéticas (FEMs) dos dois enrolamentos em cada perna do núcleo são opostas em direção, portanto, não há efeito de amortecimento, permitindo que a corrente flua livremente do ponto neutro para a linha com falha.
Não há componente de terceira harmônica na tensão de fase, pois, em um banco de transformadores trifásico de três fases unifásicas conectadas em zigzag, as terceiras harmônicas têm magnitude e direção idênticas como vetores. Devido à disposição do enrolamento, as forças eletromotrizes de terceira harmônica em cada fase se cancelam, resultando em uma tensão de fase quase senoidal.
Em um transformador de aterramento do tipo Z, as correntes de sequência zero nos dois meios-enrolamentos na mesma perna do núcleo fluem em direções opostas; portanto, a reatância de sequência zero é muito baixa e não sufoca a corrente de sequência zero. O princípio por trás de sua baixa impedância de sequência zero é o seguinte: em cada uma das três pernas do núcleo do transformador de aterramento, existem dois enrolamentos com número igual de espiras, cada um conectado a diferentes tensões de fase.
Quando tensões trifásicas de sequência positiva ou negativa equilibradas são aplicadas aos terminais de linha do transformador de aterramento, a FEM em cada perna do núcleo é a soma vetorial das FEMs dos dois enrolamentos conectados a diferentes fases. As FEMs resultantes em pernas individuais do núcleo estão deslocadas por 120°, formando um conjunto trifásico equilibrado. A FEM monofásica pode estabelecer um circuito magnético através de todas as três pernas do núcleo, resultando em baixa relutância magnética, grande fluxo magnético, alta força eletromotriz induzida e, portanto, impedância de magnetização muito alta.
No entanto, quando uma tensão de sequência zero é aplicada aos terminais de linha trifásica, as FEMs produzidas pelos dois enrolamentos em cada perna do núcleo são iguais em magnitude, mas opostas em direção, resultando em FEM líquida nula por perna—portanto, não existe FEM de sequência zero nas três pernas do núcleo. A FEM de sequência zero só pode completar seu caminho através do tanque e do meio circundante, que apresenta relutância magnética muito alta; consequentemente, a FEM de sequência zero é muito pequena, levando a uma impedância de sequência zero muito baixa.
3. Parâmetros do Transformador de Aterramento
Para atender aos requisitos das redes de distribuição que usam compensação de aterramento por indutor de supressão de arco, bem como satisfazer as necessidades de cargas de serviço de estação para energia e iluminação em subestações, são selecionados transformadores conectados em Z, e os parâmetros-chave do transformador de aterramento devem ser definidos de forma razoável.
3.1 Capacidade Nominal
A capacidade do lado primário do transformador de aterramento deve corresponder à capacidade do indutor de supressão de arco. Com base nas classificações padrão de capacidade do indutor de supressão de arco, recomenda-se que a capacidade do transformador de aterramento seja definida em 1,05–1,15 vezes a capacidade do indutor de supressão de arco. Por exemplo, um indutor de supressão de arco de 200 kVA seria pareado com um transformador de aterramento de 215 kVA.
3.2 Corrente de Compensação do Ponto Neutro
A corrente total que flui pelo ponto neutro do transformador durante uma falha monofásica
Na fórmula acima:
U é a tensão de linha da rede de distribuição (V);
Zx é a impedância do indutor 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 do tempo de operação contínua do indutor de supressão de arco, que é especificado como 2 horas.
3.3 Impedância de Sequência Zero
A impedância de sequência zero é um parâmetro crítico do transformador de aterramento e afeta significativamente as configurações de proteção relé para limitar as correntes de falha de fase única e suprimir sobretensões. Para transformadores de aterramento em zigzag (tipo Z) sem enrolamento secundário, bem como aqueles com conexões estrela/triângulo aberto, existe apenas uma impedância - a impedância de sequência zero - permitindo que os fabricantes atendam aos requisitos das concessionárias.
3.4 Perdas
As perdas são um parâmetro de desempenho importante dos transformadores de aterramento. Para transformadores de aterramento equipados com um enrolamento secundário, a perda a vazio pode ser equivalente à de um transformador de dois enrolamentos da mesma classificação. Em relação às perdas de carga, quando o lado secundário opera em carga total, o lado primário carrega uma carga relativamente leve; portanto, sua perda de carga é menor do que a de um transformador de dois enrolamentos com a mesma capacidade no lado secundário.
3.5 Elevação de Temperatura
De acordo com os padrões nacionais, a elevação de temperatura dos transformadores de aterramento é regulamentada da seguinte forma:
A elevação de temperatura sob corrente contínua nominal deve estar de acordo com as disposições no padrão nacional para transformadores de potência gerais ou transformadores de seco. Isso se aplica principalmente a transformadores de aterramento cujo lado secundário está frequentemente carregado.
Quando a corrente de carga de curta duração dura não mais de 10 segundos (um cenário que geralmente ocorre quando o ponto neutro está conectado a um resistor), a elevação de temperatura deve conformar-se aos limites especificados no padrão nacional para transformadores de potência em condições de curto-circuito.
Quando o transformador de aterramento opera juntamente com um reator de extinção de arco, sua elevação de temperatura deve estar de acordo com os requisitos de elevação de temperatura para o reator de extinção de arco:
Para enrolamentos que transportam continuamente a corrente nominal, a elevação de temperatura é limitada a 80 K. Isso se aplica principalmente a transformadores de aterramento com conexões estrela/triângulo aberto.
Para enrolamentos com uma duração máxima de corrente de 2 horas (como especificado para a corrente nominal), a elevação de temperatura permitida é de 100 K. Esta condição corresponde ao modo de operação de maioria dos transformadores de aterramento.
Para enrolamentos com uma duração máxima de corrente de 30 minutos, a elevação de temperatura permitida é de 120 K.
Essas disposições baseiam-se em garantir que, nas condições de operação mais severas, a temperatura do ponto quente dos enrolamentos não exceda 140 °C a 160 °C, garantindo assim a operação segura da isolação e evitando uma redução severa na vida útil da isolação.
