Melhoria da Lógica de Proteção e Aplicação Engenhosa de Transformadores de Aterramento em Sistemas de Alimentação de Trânsito Ferroviário

1. Configuração do Sistema e Condições de Operação
Os transformadores principais da Subestação Principal do Centro de Convenções e Exposições e da Subestação Principal do Estádio Municipal do Metrô de Zhengzhou adotam uma conexão de enrolamento em estrela/delta com um modo de operação de ponto neutro não aterrado. Do lado do barramento de 35 kV, é usado um transformador de aterramento Zigzag, conectado ao solo através de um resistor de baixo valor, e também fornece cargas de serviço de estação. Quando ocorre um curto-circuito de fase única no solo em uma linha, forma-se um caminho através do transformador de aterramento, resistor de aterramento e rede de aterramento, gerando corrente zero-sequência. 

Isso permite que a proteção zero-sequência de alta sensibilidade e seletiva dentro da seção com falha opere de forma confiável e interrompa imediatamente os disjuntores correspondentes, isolando assim a falha e limitando seu impacto. Se o transformador de aterramento for desconectado, o sistema torna-se um sistema não aterrado. Nessa condição, uma falha de fase única no solo ameaçaria severamente a isolação do sistema e a segurança dos equipamentos. Portanto, quando a proteção do transformador de aterramento opera, não apenas o próprio transformador de aterramento deve ser interrompido, mas o transformador principal associado também deve ser intertravado e interrompido.

2. Limitações dos Esquemas de Proteção Existentes
Nos sistemas de alimentação da Subestação Principal do Centro de Convenções e Exposições e da Subestação Principal do Estádio Municipal do Metrô de Zhengzhou, a proteção existente para o transformador de serviço de aterramento inclui apenas proteção contra sobrecorrente. Quando uma falha faz com que o transformador de aterramento seja interrompido e retirado de serviço, ele interrompe apenas seu próprio quadro de distribuição sem intertravar o disjuntor de alimentação de entrada correspondente. 

Isso resulta na seção de barramento afetada operando por um período prolongado sem um ponto de aterramento. Em caso de falha de fase única no solo nessas condições, pode ocorrer sobretensão ou o sistema de proteção pode não detectar a corrente zero-sequência, causando mal funcionamento ou inoperância da proteção zero-sequência—potencialmente agravando o incidente e comprometendo a segurança geral do sistema de energia.

Além disso, durante as operações de transferência automática de seção (autoconmutação de seção), o transformador de serviço de aterramento na seção de barramento desenergizada não é intertravado para interrupção. Isso pode fazer com que ambas as seções de barramento fiquem interconectadas através do disjuntor de seção, resultando em uma condição de aterramento em dois pontos no sistema. Tal cenário de aterramento em dois pontos pode levar a dois problemas graves: (1) classificação incorreta da corrente zero-sequência durante falhas no solo, causando recusa de operação da proteção ou disparo falso; e (2) correntes circulantes induzidas pela corrente zero-sequência, levando a superaquecimento e danos à isolação dos equipamentos.

A lógica de proteção atual tem limitações significativas. Os dispositivos de proteção convencionais monitoram apenas o estado operacional do transformador de aterramento e não estabelecem lógica de intertravamento com os disjuntores de alimentação de entrada ou o disjuntor de seção—faltando mecanismos de bloqueio/intertravamento necessários.

3. Recomendações para Melhorar as Limitações das Proteções Existentes

3.1 Medidas de Melhoria Propostas

Adicionar Lógica “Intertravamento de Interrupção do Transformador de Serviço de Aterramento”

• Condição de Disparo: O disjuntor do transformador de serviço de aterramento abre. Se o sistema usa aterramento de baixa resistência, a desaparição da corrente do resistor de aterramento pode ser adicionada como critério adicional.

• Lógica de Intertravamento de Interrupção: Interromper o disjuntor de alimentação de entrada: Se o transformador de serviço de aterramento for removido e não houver outro ponto de aterramento na seção de barramento, intertravar o disjuntor de alimentação de entrada para forçar a transferência de carga para outra seção. Interromper o disjuntor de seção: Se ambas as seções de barramento estiverem operando em paralelo através do disjuntor de seção, intertravar o disjuntor de seção para isolar a seção de barramento não aterrada.

• Recomendação de Implementação Técnica: Adicionar proteção contra corrente zero-sequência. Ao operar por sobrecorrente ou corrente zero-sequência, o dispositivo de proteção deve interromper seu próprio disjuntor local e simultaneamente enviar comandos de intertravamento de interrupção aos disjuntores de alimentação de entrada e de seção correspondentes. Fabricantes de dispositivos de proteção devem modificar o diagrama de lógica de intertravamento e realizar atualizações de software com base nessa lógica.

3.2 Atualização de Proteção Baseada em Tensão Zero-Seqüência

• Função de Bloqueio/Disparo de Sobretensão Zero-Seqüência: Adicionar proteção contra sobretensão zero-sequência ao esquema de proteção do barramento como backup quando o transformador de serviço de aterramento está fora de serviço. Se a tensão zero-sequência exceder o limiar definido por mais tempo que o atraso pré-definido, interromper automaticamente o disjuntor de alimentação de entrada ou de seção.

• Coordenação com o Estado do Transformador de Aterramento: Vincular a função de proteção de tensão zero-sequência ao sinal de estado operacional do transformador de serviço de aterramento: Quando o transformador de aterramento está operando normalmente, a proteção de tensão zero-sequência opera no modo de alarme. Quando o transformador de aterramento está fora de serviço, a proteção de tensão zero-sequência muda para o modo de disparo.

• Notas de Implementação – Medidas Anti-Malfuncionamento: Adicionar atraso para evitar disparo falso devido a perturbações transitórias. Usar critérios de lógica “E” (por exemplo, tensão zero-sequência + estado off do transformador de aterramento) para aumentar a confiabilidade.

3.3 Modificação do Circuito de Controle (Melhoria de Hardware)

• Adicionar circuitos de intertravamento hardwired entre o dispositivo de proteção do transformador de serviço de aterramento e o dispositivo de proteção do disjuntor de alimentação de entrada. Quando o transformador de aterramento dispara, o sinal de disparo do terminal de saída do dispositivo de proteção → aciona o terminal de saída do dispositivo de proteção do disjuntor de alimentação de entrada → interrompe o disjuntor de alimentação de entrada.

• Durante a operação de transferência automática de barramento, quando o dispositivo de proteção do barramento envia um sinal para acionar o disjuntor da alimentação de entrada, ele simultaneamente envia um sinal por meio de seu terminal de intertravamento → para o terminal de saída do dispositivo de proteção do transformador de serviço de aterramento → para acionar o disjuntor do transformador de aterramento.

3.4 Implementação de Retrofit no Local
Como mostrado na Tabela 1, tanto a Opção 1 quanto a Opção 2 requerem modificação e atualização dos dispositivos de proteção. No entanto, os subestacionamentos principais do Centro de Convenções e Exposições e do Estádio Municipal são subestações envelhecidas cujo equipamento está bem além da garantia. A implementação da Opção 1 ou Opção 2 exigiria que o fabricante original do dispositivo de proteção realizasse atualizações de software, envolvendo significativo investimento de mão de obra e financeiro. Portanto, os operadores optaram pela Opção 3 — implementar modificações no local adicionando circuitos de intertravamento com fiação dura.

Quando o transformador de aterramento é desligado devido a uma falha, é necessário que o disjuntor da alimentação de entrada seja desligado por intertravamento. Durante a inspeção, foi constatado que as saídas de reserva 1, 2 e 3 não estavam sendo utilizadas. Após o término das operações de trem, os técnicos de manutenção solicitaram ao despachante de equipamentos uma permissão para trabalhar ("solicitação de autorização para trabalho"). O despachante realizou a transferência de carga conforme as necessidades operacionais e aprovou a permissão para o trabalho quando as condições estavam adequadas para a construção.

Para o circuito de intertravamento: a saída de reserva 2 (terminais 517/518) na placa de sinal 5# do dispositivo de proteção WCB-822C—contatos normalmente abertos—foi conectada em série a um novo circuito de intertravamento com fiação dura. Este circuito então foi roteado para os terminais normalmente abertos da saída 5 (terminais 13/14) na placa de saída 4# do dispositivo de proteção WBH-818A para o quadro do disjuntor de alimentação de entrada. Após o sinal de saída do terminal, o disjuntor de alimentação de entrada disparou. A fiação dura foi instalada entre o quadro do transformador de aterramento e o quadro do disjuntor de alimentação de entrada, e integrada no circuito de bloqueio com fiação dura através de um elo físico de pressão. O acionamento ou desacoplamento deste contato de pressão determina se a função de bloqueio está ativa.

Os pontos de modificação para a outra seção de barras são idênticos aos mencionados acima. Durante a reforma de ambas as seções de barras, foram utilizadas alimentações de entrada seccionadas para garantir o fornecimento contínuo de energia às respectivas áreas de serviço, minimizando assim o impacto na manutenção dos equipamentos pós-operacionais.

Após a conclusão das modificações, foram realizados testes de relés de proteção para verificar a funcionalidade do intertravamento. Uma vez verificado como normal, o sistema foi colocado diretamente em operação.

Em relação ao intertravamento do transformador de aterramento da estação durante a operação de transferência automática de barras (BATS) na barra desenergizada: durante a inspeção, foi constatado que as saídas de reserva 3 a 7 não estavam sendo utilizadas. Após o término das operações de trem, os técnicos de manutenção solicitaram ao despachante de equipamentos uma permissão para trabalhar. O despachante executou a troca de carga conforme as necessidades operacionais e concedeu aprovação uma vez que as condições de construção fossem atendidas.

Para a reforma no local do transformador de aterramento da Seção I da barra: foi adicionado um novo circuito com fiação dura. A saída de reserva 3 (terminais 519/520) na placa de sinal 5# do dispositivo de proteção WBT-821C—contatos normalmente abertos—foi conectada em série ao novo circuito com fiação dura, que então foi roteado para os terminais normalmente abertos da saída de reserva 1 (terminais 514/515) na placa de saída 5# do dispositivo de proteção WCB-822C no quadro do transformador de aterramento da Seção I. Após a saída do terminal, o disjuntor do transformador de aterramento disparou. O novo circuito com fiação dura foi instalado nas portas dos gabinetes secundários tanto do quadro do transformador de aterramento quanto do quadro de ligação de barras, e conectado ao circuito de bloqueio com fiação dura através de um elo físico de pressão. A função de bloqueio pode ser ativada ou desativada pelo acionamento ou desacoplamento do contato de pressão.

Para a reforma no local do transformador de aterramento da Seção II da barra: foi adicionado um novo circuito com fiação dura. A saída de reserva 4 (terminais 311/312) na placa de expansão 3# do dispositivo de proteção WBT-821C—contatos normalmente abertos—foi conectada em série ao novo circuito com fiação dura, que então foi roteado para os terminais normalmente abertos da saída de reserva 1 (terminais 514/515) na placa de saída 5# do dispositivo de proteção WCB-822C no quadro do transformador de aterramento da Seção II. Após a saída do terminal, o disjuntor do transformador de aterramento disparou. O novo circuito com fiação dura foi instalado nas portas dos gabinetes secundários tanto do quadro do transformador de aterramento quanto do quadro de ligação de barras, e conectado ao circuito de bloqueio com fiação dura através de um elo físico de pressão. A função de bloqueio pode ser ativada ou desativada pelo acionamento ou desacoplamento do contato de pressão.

A modificação do sinal de intertravamento para o transformador de aterramento da estação na barra desenergizada durante a inicialização da transferência automática de barras foi concluída durante o processo de reforma de barras simples mencionado para a seção de barras correspondente.

4. Conclusão

Como um ponto neutro artificial introduzido em sistemas de potência com configurações de neutro não aterrado, o transformador de aterramento desempenha um papel crucial na garantia da segurança e operação estável do sistema. As melhorias descritas acima aumentam significativamente a segurança do sistema quando o transformador de aterramento é retirado de serviço, evitando efetivamente riscos de sobretensão e danos aos equipamentos causados pela operação sem um ponto de aterramento. Antes da implementação real, deve-se realizar uma verificação detalhada com base nos modelos específicos de equipamentos e parâmetros do sistema.