Qual é a diferença entre um transformador de aterramento e um transformador convencional?

O que é um Transformador de Aterramento?

Um transformador de aterramento, abreviado como "transformador de aterramento", pode ser classificado em imerso em óleo e seco, de acordo com o meio de enchimento; e em transformadores de aterramento trifásico e monofásico, de acordo com o número de fases.

Diferença Entre Transformadores de Aterramento e Transformadores Convencionais

O propósito de um transformador de aterramento é criar um ponto neutro artificial para conectar uma bobina de supressão de arco ou resistência quando o sistema está conectado em delta (Δ) ou estrela (Y) sem um ponto neutro acessível. Tais transformadores utilizam conexões de enrolamento em zig-zag (ou "Z-type"). A principal diferença em relação aos transformadores convencionais é que cada enrolamento de fase é dividido em dois grupos enrolados em direções opostas no mesmo braço do núcleo magnético. Este design permite que o fluxo magnético de sequência zero flua através dos braços do núcleo, enquanto nos transformadores convencionais, o fluxo de sequência zero viaja ao longo de caminhos de fuga. 

Portanto, a impedância de sequência zero de um transformador de aterramento Z-type é muito baixa (em torno de 10 Ω), enquanto a de um transformador convencional é muito maior. De acordo com as regulamentações técnicas, quando se utiliza um transformador convencional para conectar uma bobina de supressão de arco, a capacidade da bobina não deve exceder 20% da capacidade nominal do transformador. Em contraste, um transformador Z-type pode suportar uma bobina de supressão de arco na capacidade de 90%–100% de sua própria capacidade. Além disso, os transformadores de aterramento podem fornecer cargas secundárias e servir como transformadores de serviço de estação, economizando custos de investimento.

Princípio de Funcionamento dos Transformadores de Aterramento

Um transformador de aterramento cria artificialmente um ponto neutro com uma resistência de aterramento, que geralmente tem uma resistência muito baixa (geralmente exigida para ser menor que 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 uma pequena corrente de excitação fluir nos enrolamentos. Em cada braço do núcleo, as duas seções de enrolamento são enroladas em direções opostas. Quando correntes de sequência zero iguais fluem através desses enrolamentos no mesmo braço, eles exibem baixa impedância, resultando em uma queda de tensão mínima. 

Durante uma falha de aterramento, os enrolamentos conduzem correntes de sequência positiva, negativa e zero. O enrolamento apresenta alta impedância para correntes de sequência positiva e negativa, mas baixa impedância para corrente de sequência zero, pois, dentro da mesma fase, os dois enrolamentos estão conectados em série com polaridades opostas—suas forças eletromotriz induzidas têm a mesma magnitude, mas direções opostas, cancelando-se mutuamente.

Muitos transformadores de aterramento são usados exclusivamente para fornecer um ponto neutro de baixa resistência e não fornecem nenhuma carga secundária; portanto, muitos são projetados sem um enrolamento secundário. Durante a operação normal da rede, o transformador de aterramento opera essencialmente em estado de carga nula. No entanto, durante uma falha, ele carrega a corrente de falha apenas por um curto período. Em um sistema de aterramento de baixa resistência, quando ocorre uma falha de aterramento monofásica, a proteção de sequência zero altamente sensível identifica rapidamente e isola temporariamente o alimentador defeituoso. 

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 este tempo, a corrente de sequência zero flui através da resistência de aterramento do neutro e do transformador de aterramento, seguindo a fórmula: IR = U / R₁, onde U é a tensão de fase do sistema e R₁ é a resistência de aterramento do neutro.

Consequências Quando o Arco de Aterramento Não Pode Ser Extinto de Forma Confiável

• A extinção intermitente e reacendimento do arco de aterramento monofásico gera sobretensões de arco-aterramento com amplitudes que podem chegar a 4U (onde U é a tensão de pico de fase) ou até mais, durando por períodos prolongados. Isso representa uma grave ameaça à isolamento dos equipamentos elétricos, podendo causar rupturas em pontos de isolamento fracos e resultar em perdas significativas.

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

• Poderiam ocorrer sobretensões ferroressonantes, danificando facilmente transformadores de tensão e parasurtidores—potencialmente até causando explosões de parasurtidores. Essas consequências ameaçam severamente a integridade do isolamento dos equipamentos da rede e a segurança operacional do sistema de energia como um todo.

O que São Correntes de Sequência Positiva, Negativa e Zero?

• Corrente de sequência negativa: Fase A atrasada em relação à Fase B por 120°, Fase B atrasada em relação à Fase C por 120°, e Fase C atrasada em relação à Fase A por 120°.

• Corrente de sequência positiva: Fase A avançada em relação à Fase B por 120°, Fase B avançada em relação à Fase C por 120°, e Fase C avançada em relação à Fase A por 120°.

• Corrente de sequência zero: Todas as três fases (A, B, C) estão em fase—nenhuma fase leva ou atrasa outra.

Durante falhas de curto-circuito trifásicas e operação normal, o sistema contém apenas componentes de sequência positiva.
Durante falhas de aterramento monofásicas, o sistema contém componentes de sequência positiva, negativa e zero.
Durante falhas de curto-circuito bifásicas, o sistema contém componentes de sequência positiva e negativa.
Durante falhas de curto-circuito bifásicas com aterramento, o sistema contém componentes de sequência positiva, negativa e zero.

Características Operacionais dos Transformadores de Aterramento

O transformador de aterramento opera em condições sem carga durante a operação normal da rede e experimenta sobrecarga de curta duração durante falhas. Em resumo, a função do transformador de aterramento é criar artificialmente um ponto neutro para conectar uma resistência de aterramento. Durante uma falha de aterramento, ele exibe alta impedância para correntes de sequência positiva e negativa, mas baixa impedância para corrente de sequência zero, garantindo o funcionamento confiável da proteção contra falhas de aterramento.

Aterramento Neutro através de Sistemas de Bobina de Extinção de Arco

Quando ocorre uma falha de aterramento monofásica transitória na rede devido à má isolação do equipamento, danos externos, erro do operador, sobretensão interna ou qualquer outra causa, a corrente de falha de aterramento flui através da bobina de extinção de arco como corrente indutiva, que é oposta em direção à corrente capacitiva. Isso pode reduzir a corrente no ponto de falha a um valor muito pequeno ou até mesmo zero, extinguindo o arco e eliminando os perigos associados. A falha é limpa automaticamente, sem acionar a proteção por relé ou disparo de disjuntor, melhorando significativamente a confiabilidade do fornecimento de energia.

Três Modos Operacionais de Compensação

Existem três modos operacionais de compensação diferentes: subcompensação, compensação total e supercompensação.

• Subcompensação: A corrente indutiva após a compensação é menor que a corrente capacitiva.

• Supercompensação: A corrente indutiva após a compensação é maior que a corrente capacitiva.

• Compensação total: A corrente indutiva após a compensação é igual à corrente capacitiva.

Modo de Compensação Utilizado no Aterramento Neutro através de Sistemas de Bobina de Extinção de Arco

Em sistemas com aterramento neutro através de bobina de extinção de arco, a compensação total deve ser evitada. Independentemente da magnitude da tensão de desequilíbrio do sistema, a compensação total pode causar ressonância em série, sujeitando a bobina de extinção de arco a tensões perigosamente altas. Portanto, na prática, adota-se a supercompensação ou subcompensação, sendo a supercompensação o modo mais comumente utilizado.

Principais Razões para Adotar a Supercompensação

Em sistemas subcompensados, podem ocorrer facilmente sobretensões elevadas durante falhas. Por exemplo, se parte das linhas for desconectada devido a uma falha ou por outras razões, um sistema subcompensado pode se deslocar em direção à compensação total, causando ressonância em série e resultando em tensão de deslocamento neutro muito alta e sobretensão. Um grande deslocamento neutro em sistemas subcompensados também ameaça a integridade da isolação, um inconveniente que não pode ser evitado enquanto a subcompensação for utilizada.

Durante a operação normal de um sistema subcompensado com desequilíbrio trifásico significativo, podem ocorrer sobretensões ferroressonantes muito altas. Este fenômeno surge da ressonância ferromagnética entre a bobina de extinção de arco subcompensada (onde ωL > 1/(3ωC₀)) e a capacitância da linha (3C₀). Tal ressonância não ocorre com supercompensação.

Os sistemas de energia continuam a expandir-se, e a capacitância da rede em relação ao solo aumenta em conformidade. Com supercompensação, a bobina de extinção de arco originalmente instalada pode permanecer em serviço por algum tempo, mesmo se eventualmente se deslocar em direção à subcompensação. No entanto, se o sistema começar com subcompensação, qualquer expansão imediatamente requer capacidade adicional de compensação.

Com supercompensação, a corrente que flui pelo ponto de falha é indutiva. Após a extinção do arco, a taxa de recuperação da tensão da fase com falha é mais lenta, tornando menos provável a reacendida do arco.

Sob supercompensação, uma diminuição na frequência do sistema apenas aumenta temporariamente o grau de supercompensação, o que não constitui problema durante a operação normal. Por outro lado, a subcompensação combinada com uma frequência reduzida pode aproximar o sistema da compensação total, levando a um aumento na tensão de deslocamento neutro.

Resumo

O transformador de aterramento também funciona como transformador de estação, reduzindo a tensão de 35 kV para tensão baixa de 380 V para fornecer energia para carregamento de baterias, alimentação de ventiladores SVG, iluminação de manutenção e cargas auxiliares gerais da estação.

Nas redes de energia modernas, os cabos estão substituindo amplamente as linhas aéreas. Como a corrente de falha de aterramento monofásica capacitiva de linhas de cabo é muito maior do que a de linhas aéreas, o aterramento neutro através de bobinas de extinção de arco frequentemente falha em extinguir o arco de falha e suprimir as perigosas sobretensões ressonantes. Portanto, nossa subestação adota um esquema de aterramento neutro de baixa resistência. Esta abordagem é semelhante aos sistemas de neutro solidamente aterrado e requer a instalação de proteção contra falha de aterramento monofásico que opera para disparar disjuntores. Quando ocorre uma falha de aterramento monofásico, o alimentador com falha é isolado rapidamente.