Análise das Causas de Falso Disparo da Proteção do Transformador de Aterramento

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 dos transformadores principais na rede geralmente está conectado em configuração delta, o que não fornece ponto neutro para conectar resistores de aterramento. Quando ocorre uma falha de terra monofásica em um sistema com ponto neutro não aterrado, o triângulo de tensões entre fases permanece simétrico, causando mínima perturbação nas operações do usuário. Além disso, quando a corrente capacitiva é relativamente pequena (menos de 10 A), algumas falhas de terra transitórias podem se extinguir automaticamente, o que é altamente eficaz para melhorar a confiabilidade do fornecimento de energia e reduzir incidentes de interrupção.

No entanto, com a expansão contínua e 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 essas 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 podem gerar sobretensões de arco-terra com amplitudes alcançando até 4U (onde U é a tensão de pico de fase) ou até mais, durando por períodos prolongados. Isso representa graves ameaças à isolamento dos equipamentos elétricos, potencialmente causando quebras em pontos de isolamento fracos e levando a perdas significativas.

• O arco sustentado ioniza o ar circundante, degradando suas propriedades isolantes e aumentando a probabilidade de curtos-circuitos entre fases.

• Podem ocorrer sobretensões ferroressonantes, danificando facilmente transformadores de tensão e parasitas - potencialmente até causando explosões de parasitas. Essas consequências ameaçam gravemente a integridade do isolamento dos equipamentos da rede e a operação segura de todo o sistema de energia.

Para prevenir tais incidentes e fornecer corrente e tensão de sequência zero suficientes para garantir o funcionamento confiável da proteção contra falhas de terra, deve-se criar um ponto neutro artificial para que um resistor de aterramento possa ser conectado. Esta necessidade levou ao desenvolvimento de transformadores de aterramento (comumente referidos como "transformadores de aterramento" ou "unidades de aterramento"). Um transformador de aterramento cria artificialmente um ponto neutro com um resistor de aterramento, geralmente com resistência muito baixa (geralmente inferior a 5 ohms).

Além disso, devido às suas características eletromagnéticas, o transformador de aterramento apresenta alta impedância para correntes de sequência positiva e negativa, permitindo apenas que uma pequena corrente de excitação flua através de seus enrolamentos. Em cada perna do núcleo, duas seções de enrolamento são enroladas em direções opostas. Quando correntes de sequência zero iguais fluem através desses enrolamentos, eles exibem baixa impedância, resultando em queda de tensão mínima nos enrolamentos sob condições de sequência zero.

Especificamente, durante uma falha de terra, o enrolamento carrega correntes de sequência positiva, negativa e zero. Ele apresenta alta impedância para correntes de sequência positiva e negativa, mas baixa impedância para corrente de sequência zero. Isso ocorre porque, dentro da mesma fase, os dois enrolamentos estão conectados em série com polaridade oposta; suas forças eletromotriz induzidas têm magnitude igual, mas direção oposta, anulando-se mutuamente, apresentando assim baixa impedância para corrente de sequência zero.

Em muitas aplicações, os transformadores de aterramento são usados apenas para fornecer um ponto neutro com um pequeno resistor de aterramento e não fornecem qualquer carga secundária. Portanto, muitos transformadores de aterramento são projetados sem um enrolamento secundário. Durante a operação normal da rede, o transformador de aterramento opera essencialmente em estado sem carga. No entanto, durante uma falha, ele carrega corrente de falha apenas por um curto período. Em um sistema aterrado de baixa resistência, quando ocorre uma falha de terra monofásica no lado de 10 kV, a proteção de sequência zero altamente sensível identifica e isola temporariamente o alimentador com falha. 

O transformador de aterramento está ativo apenas durante o breve intervalo entre a ocorrência da falha e a operação da proteção de sequência zero do alimentador. Durante esse tempo, a corrente de sequência zero flui através do resistor de aterramento neutro e do transformador de aterramento, seguindo a fórmula: I_R = U / (R₁ + R₂), onde U é a tensão de fase do sistema, R₁ é o resistor de aterramento neutro e R₂ é a resistência adicional no loop de falha de terra.

Com base na análise acima, as características operacionais de um transformador de aterramento são: operação sem carga a longo prazo e sobrecarga a curto prazo durante falhas.

Em resumo, um transformador de aterramento cria artificialmente um ponto neutro para conectar um resistor de aterramento. Durante uma falha de terra, ele exibe alta impedância para correntes de sequência positiva e negativa, mas baixa impedância para corrente de sequência zero, garantindo assim o funcionamento confiável da proteção contra falhas de terra.

Atualmente, os transformadores de aterramento instalados em subestações servem dois propósitos principais:

• Fornecendo energia AC de baixa tensão para uso auxiliar da subestação;

• Criando um ponto neutro artificial no lado de 10 kV, que, quando combinado com uma bobina de supressão de arco (bobina de Petersen), compensa a corrente de falha capacitiva de terra durante falhas de terra monofásicas de 10 kV, extinguindo o arco no ponto de falha. O princípio é o seguinte:

Ao longo de toda a extensão dos condutores em uma rede de energia trifásica, existe capacitância tanto entre as fases quanto entre cada fase e a terra. Quando o neutro da rede não está solidamente aterrado, a capacitância para a terra da fase com falha se torna zero durante uma falha de terra monofásica, enquanto as tensões das outras duas fases aumentam para √3 vezes a tensão de fase normal. Embora essa tensão aumentada permaneça dentro dos limites de design de isolamento, ela aumenta sua capacitância para a terra. A corrente de falha capacitiva de terra durante uma falha monofásica é aproximadamente três vezes a corrente capacitiva normal por fase. Quando essa corrente se torna grande, ela mantém facilmente arcos intermitentes, excitando oscilações ressonantes no circuito indutivo-capacitivo da rede e gerando sobretensões de até 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 um neutro não aterrado, pois suas correntes de falha capacitiva monofásica de terra permanecem pequenas. Para sistemas de tensão mais alta, deve-se usar um transformador de aterramento para conectar o ponto neutro através de impedância.

Quando um lado do transformador principal de uma subestação (por exemplo, o lado de 10 kV) está conectado em delta ou estrela sem neutro trazido para fora, e a corrente de terra capacitiva monofásica é grande, não há ponto neutro disponível para aterramento. Nesses casos, utiliza-se um transformador de aterramento para criar um ponto neutro artificial, permitindo a conexão com uma bobina de extinção de arco. Este neutro artificial permite que o sistema compense a corrente capacitiva e extinga os arcos de terra — esta é a função fundamental do transformador de aterramento.

Durante a operação normal, o transformador de aterramento experimenta tensões trifásicas equilibradas e carrega apenas uma pequena corrente de excitação, operando essencialmente sem carga. A diferença de potencial entre o neutro e a terra é zero (desconsiderando a pequena tensão de deslocamento do neutro da bobina de extinção de arco), e nenhuma corrente flui através da bobina. Se, por exemplo, a fase C sofre uma falha de terra, a tensão de sequência zero resultante (derivada da assimetria) flui através da bobina de extinção de arco para a terra. A bobina gera uma corrente indutiva que compensa a corrente de falha de terra capacitiva, eliminando assim o arco — funcionalmente idêntico a uma bobina de extinção de arco independente.

Nos últimos anos, várias operações incorretas da proteção do transformador de aterramento ocorreram em subestações de 110 kV em certa região, afetando severamente a estabilidade da rede. Para identificar as causas raiz, foram realizadas análises, implementadas medidas corretivas e compartilhadas lições para prevenir recorrências e orientar outras regiões.

Com o aumento do uso de alimentadores de cabo nas redes de 10 kV das subestações de 110 kV, as correntes de terra capacitivas monofásicas aumentaram substancialmente. Para suprimir as magnitudes de sobretensão durante as falhas de terra, muitas subestações de 110 kV agora instalaram transformadores de aterramento para implementar aterramento de baixa resistência, estabelecendo um caminho de corrente de sequência zero. Isso permite a proteção de sequência zero seletiva para isolar falhas de terra com base na localização, evitando a reativação de arcos e garantindo o fornecimento seguro de energia.

Desde 2008, certa região reformou seus sistemas de 10 kV de subestações de 110 kV para aterramento de baixa resistência, instalando transformadores de aterramento e dispositivos de proteção associados. Isso permite o isolamento rápido de qualquer falha de terra no alimentador 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 e ameaçando a estabilidade da rede. Portanto, é essencial identificar as causas e implementar soluções.

1. Análise das Causas das Operações Incorretas da Proteção do Transformador de Aterramento

Quando um alimentador de 10 kV sofre uma falha de terra, a proteção de sequência zero do alimentador na subestação de 110 kV deve atuar primeiro para isolar a falha. Se falhar, a proteção de backup de sequência zero do transformador de aterramento dispara os interruptores de ligação de barras e do transformador principal para conter a falha. Portanto, a operação correta da proteção e dos interruptores do alimentador de 10 kV é crucial. A análise estatística das operações incorretas em cinco subestações mostra que a falha da proteção do alimentador é a causa principal.

A proteção de sequência zero do alimentador de 10 kV opera da seguinte forma: amostragem do TC de sequência zero → iniciação da proteção → disparo do interruptor. Os componentes-chave são o TC de sequência zero, o relé de proteção e o interruptor. A análise se concentra nesses:

1.1 Erros do TC de sequência zero causando operações incorretas
Durante uma falha de terra, o TC de sequência zero do alimentador com falha detecta a corrente de falha, acionando sua proteção. Simultaneamente, o TC de sequência zero do transformador de aterramento também sente a corrente. Para garantir a seletividade, as configurações de proteção do alimentador (por exemplo, 60 A, 1,0 s) são menores do que as configurações do transformador de aterramento (por exemplo, 75 A, 1,5 s para disparar a ligação de barras, 2,5 s para disparar o transformador principal). No entanto, erros do TC (por exemplo, -10% para o TC do transformador de aterramento, +10% para o TC do alimentador) podem tornar as correntes de acionamento reais quase iguais (67,5 A versus 66 A), dependendo apenas do atraso. Isso aumenta o risco de sobreposição do transformador de aterramento.

1.2 Aterramento incorreto do escudo do cabo causando operações incorretas
Os alimentadores de 10 kV usam cabos blindados com escudos aterrados em ambas as extremidades — uma prática comum de mitigação de EMI. Os TCs de sequência zero geralmente são toroidais, instalados ao redor do cabo na saída do quadro de distribuição. Durante uma falha de terra, a corrente desequilibrada induz um sinal no TC. No entanto, se o escudo for aterrado em ambas as extremidades, as correntes circulantes do escudo também passam pelo TC, distorcendo a medição. Sem a instalação adequada (por exemplo, fio de aterramento do escudo passando corretamente pelo TC), a proteção do alimentador pode falhar, causando a sobreposição do transformador de aterramento.

1.3 Falha da proteção do alimentador causando operações incorretas
Ainda que os relés baseados em microprocessador ofereçam alto desempenho, a qualidade dos produtos varia. As falhas comuns envolvem módulos de alimentação, amostragem, CPU ou saída de disparo. Se não forem detectadas, essas podem causar a recusa da proteção, levando à operação incorreta do transformador de aterramento.

1.4 Falha do interruptor do alimentador causando operações incorretas
O envelhecimento, operações frequentes ou interruptores de baixa qualidade (especialmente os tipos GG-1A mais antigos em áreas rurais) aumentam as taxas de falha. Falhas no circuito de controle — especialmente bobinas de disparo queimadas — impedem a operação do interruptor, mesmo quando a proteção ordena um disparo, forçando a ação de backup do transformador de aterramento.

1.5 Falhas de terra de alta impedância em um ou dois alimentadores causando operações incorretas
Se dois alimentadores experimentarem falhas de terra de alta impedância simultâneas na mesma fase, as correntes de sequência zero individuais (por exemplo, 40 A e 50 A) podem permanecer abaixo do acionamento do alimentador (60 A), mas sua soma (90 A) excede a configuração do transformador de aterramento (75 A), causando sobreposição. Mesmo uma única falha de alta impedância grave (por exemplo, 58 A) combinada com a corrente capacitiva normal (por exemplo, 12–15 A) pode se aproximar de 75 A. Perturbações do sistema podem então desencadear operações incorretas.

2. Medidas Preventivas Contra Operações Incorretas

2.1 Corrigir erros do TC

Use TCs de sequência zero de alta qualidade; rejeite unidades com erro >5% durante a comissionamento; defina limiares de proteção com base nos valores primários; verifique as configurações via teste de injeção primária.

2.2 Corrigir o aterramento do escudo do cabo

• Conduza os fios de aterramento do escudo para baixo através do TC de sequência zero e isole-os das bandejas de cabos; evite contato antes do TC.

• Deixe as extremidades dos condutores expostas para testes; isole o restante.

• Se o ponto de aterramento do escudo estiver abaixo do TC, não o conduza através do TC. Evite colocar o ponto de aterramento dentro da janela do TC.

• Treine o pessoal de proteção e cabos sobre a instalação adequada.

• Imponha inspeções conjuntas de aceitação pelas equipes de relés, operações e cabos.

2.3 Prevenir a recusa de proteção

Use relés comprovados e confiáveis; substitua unidades envelhecidas ou com falhas; aprimore a manutenção; instale resfriamento/ventilação para evitar superaquecimento.

2.4 Prevenir a recusa do disjuntor

Use disjuntores confiáveis e modernos (por exemplo, tipos selados carregados por mola ou motor); elimine os antigos gabinetes GG-1A; mantenha circuitos de controle; use bobinas de disparo de alta qualidade.

2.5 Mitigar riscos de falhas de alta impedância

Investigue e limpe alimentadores prontamente quando ocorrerem alarmes de aterramento; reduza os comprimentos dos alimentadores; equilibre as cargas de fase para minimizar a corrente capacitiva normal.

3. Conclusão

Embora os transformadores de aterramento melhorem a estrutura e a estabilidade da rede, as operações incorretas recorrentes destacam riscos ocultos. Este artigo analisa as causas principais e propõe soluções práticas para orientar regiões que instalaram ou planejam instalar transformadores de aterramento.

Transformadores de Aterramento Zigzag (Tipo Z)

Em redes de distribuição de 35 kV e 66 kV, as bobinas dos transformadores são geralmente conectadas em estrela com um ponto neutro disponível, eliminando a necessidade de transformadores de aterramento. No entanto, em redes de 6 kV e 10 kV, os transformadores conectados em delta não têm um ponto neutro, necessitando de um transformador de aterramento para fornecer um—principalmente para conectar bobinas de supressão de arco.

Os transformadores de aterramento usam conexões de enrolamentos zigzag (tipo Z): cada enrolamento de fase é dividido em duas pernas do núcleo. As fluxos magnéticos de sequência zero dos dois enrolamentos se cancelam, resultando em uma impedância de sequência zero muito baixa (geralmente <10 Ω), baixas perdas em vazio e utilização de mais de 90% da capacidade nominal. Em contraste, os transformadores convencionais têm uma impedância de sequência zero muito maior, limitando a capacidade da bobina de supressão de arco a ≤20% da classificação do transformador. Portanto, os transformadores tipo Z são ótimos para aplicações de aterramento.

Quando a tensão de desequilíbrio do sistema é grande, os enrolamentos tipo Z balanceados são suficientes para medição. Em sistemas de baixo desequilíbrio (por exemplo, redes totalmente em cabo), o neutro é projetado para produzir uma tensão de desequilíbrio de 30–70 V para necessidades de medição.

Os transformadores de aterramento também podem fornecer cargas secundárias, atuando como transformadores de serviço de estação. Nesses casos, a classificação primária é igual à soma da capacidade da bobina de supressão de arco e da capacidade da carga secundária.

A função principal de um transformador de aterramento é fornecer corrente de compensação de falha no solo.

A Figura 1 e a Figura 2 mostram duas conexões comuns de transformadores de aterramento tipo Z: ZNyn11 e ZNyn1. O princípio por trás da baixa impedância de sequência zero é o seguinte: cada perna do núcleo contém dois enrolamentos idênticos conectados a diferentes tensões de fase. Sob tensão de sequência positiva ou negativa, a força magnetomotriz (FMM) em cada perna é a soma vetorial de duas FMMs de fase. As três FMMs das pernas estão equilibradas e separadas por 120°, formando um caminho magnético fechado com baixa relutância, alto fluxo, alta tensão induzida e, portanto, alta impedância de magnetização.

Sob tensão de sequência zero, os dois enrolamentos em cada perna produzem FMMs iguais, mas opostas, resultando em FMM líquida nula por perna. Nenhum fluxo de sequência zero flui no núcleo; em vez disso, circula através do tanque e meio circundante, encontrando alta relutância. Consequentemente, o fluxo e a impedância de sequência zero são muito baixos.