Atenuação da corrente de inrush do transformador de média tensão por meio de dispositivo de comutação controlado

Dispositivos de Comutação Controlada na Faixa de Tensão Média

Há mais de três décadas, os Dispositivos de Comutação Controlada (DCCs) foram introduzidos para mitigar transientes de comutação causados por disjuntores de alta tensão conectados a reatores de deriva e bancos de capacitores. Pesquisas subsequentes expandiram sua aplicação para linhas de transmissão e transformadores de potência. Inicialmente, esses dispositivos otimizavam os momentos de comutação em uma base por fase usando disjuntores operados independentemente por pólos (IPO).

Recentemente, o aumento global da demanda por energia impulsionou a integração de fontes de energia renováveis em redes de distribuição de média tensão, em vez de depender exclusivamente de sistemas de transmissão de alta tensão (AT). Essa mudança exigiu o enfrentamento de problemas de queda de tensão decorrentes de correntes de entrada não controladas durante a energização de transformadores.

Os equipamentos de média tensão geralmente operam com três pólos simultaneamente, o que contrasta com a operação independente em aplicações de AT. Isso exigiu avanços significativos na tecnologia DCC para gerenciar efetivamente as correntes de entrada de energização de transformadores usando interruptores padrão com operação simultânea de pólos. Hoje, essa inovação é amplamente utilizada não apenas em instalações de energia renovável, como parques eólicos e plantas solares fotovoltaicas, mas também em configurações industriais e redes de transporte, onde o controle de correntes de entrada é crucial para a energização confiável de transformadores de média e alta tensão.

Corrente de Entrada em Transformadores de Média Tensão

A magnitude da corrente de entrada durante a energização do transformador é significativamente influenciada pelo fluxo residual no núcleo do transformador; níveis mais altos de fluxo residual podem levar a maiores correntes de entrada na energização aleatória. Estratégias eficazes de mitigação são essenciais para evitar perturbações operacionais e garantir a estabilidade da rede.

Ao implementar técnicas avançadas de comutação controlada, é possível minimizar ou eliminar essas correntes de entrada. Esses métodos não só melhoram a confiabilidade do sistema, mas também prolongam a vida útil do equipamento, reduzem custos de manutenção e melhoram a eficiência geral nas redes de distribuição de média tensão. A adoção dessas tecnologias marca um avanço fundamental na adaptação às demandas evolutivas das redes de distribuição elétrica modernas.

Relação Entre o Fluxo Residual e a Corrente de Entrada do Transformador

Dados de campo coletados durante a comissionamento de Dispositivos de Comutação Controlada (DCCs) em disjuntores e equipamentos de comutação com operação simultânea de pólos verificaram a relação entre o fluxo residual e a corrente de entrada do transformador. O uso de DCCs geralmente resulta em uma redução de 3:1 na corrente de entrada em comparação com a energização aleatória, mitigando significativamente possíveis perturbações.

Métodos de Mitigação de Corrente de Entrada com Disjuntor Operado em Conjunto

A explicação a seguir ilustra o conceito de comutação controlada para mitigação de corrente de entrada aplicado a transformadores de potência:

Quando uma fase R de um transformador desmagnetizado é energizada no cruzamento zero da tensão (como mostrado à esquerda na Figura 1), isso força o núcleo do transformador profundamente na saturação, introduzindo um adicional de 2 unidades per-unit (u.p.) de fluxo no núcleo. Esta condição pode levar a correntes de entrada significativas devido à saturação do núcleo.

No entanto, quando o transformador é energizado no pico de tensão positivo, este primeiro quarto ciclo positivo adiciona apenas 1 u.p. de fluxo no núcleo. À medida que a tensão então passa para a metade negativa do ciclo, começa a diminuir o fluxo dentro do núcleo. Como o transformador não atinge seu limite de saturação nessas condições, a saturação do núcleo é evitada, prevenindo assim a ocorrência de corrente de entrada.

Este cenário corresponde à energização em estado estacionário do transformador, onde o fluxo do núcleo está defasado em 90 graus em relação à tensão. Ao sincronizar cuidadosamente o momento de energização com pontos ótimos na forma de onda da tensão, o risco de correntes de entrada é minimizado, garantindo uma operação mais suave e estável do transformador.

Em resumo, as técnicas de comutação controlada aproveitam o tempo preciso para mitigar eficazmente as correntes de entrada. Evitando a saturação do núcleo através de pontos estratégicos de energização no ciclo de tensão, esses métodos garantem o desempenho confiável do transformador, aumentam a estabilidade da rede e reduzem perturbações operacionais. Esta abordagem representa um avanço crítico na tecnologia de equipamentos de média tensão, oferecendo benefícios substanciais tanto para novas instalações quanto para atualizações de sistemas existentes.

A situação se torna mais complexa ao usar um disjuntor trifásico com operação simultânea de pólos. De fato, selecionar o instante de energização que minimiza a corrente de entrada em uma fase pode ser prejudicial para as outras duas fases. Isso é ilustrado na Figura 2, onde a mitigação da corrente de entrada para a fase R de um transformador desmagnetizado (à esquerda) afeta adversamente as fases Y e B (à direita).

Ao otimizar o momento de energização para uma fase para reduzir sua corrente de entrada, as condições para as outras duas fases podem inadvertidamente levar a correntes de entrada aumentadas, destacando a necessidade de uma abordagem equilibrada em sistemas multipolares.

Como explicado anteriormente, o padrão de fluxo residual em um transformador de potência é o resultado de sua desenergização anterior.

Quando um transformador é reenergizado, o fluxo dinâmico induzido pela tensão aplicada é adicionado ou subtraído do fluxo residual, dependendo da polaridade da tensão aplicada. De acordo com os princípios de comutação controlada, o momento ótimo de energização para uma fase de transformador ocorre quando o fluxo prospectivo induzido corresponde ao fluxo residual existente (Figura 3, à esquerda). Por exemplo, na presença de fluxo residual positivo, a aplicação de tensão negativa primeiro reduz o fluxo do núcleo a zero no pico de tensão negativo e, em seguida, imediatamente alcança a operação em estado estacionário do transformador sem saturar seu núcleo.

Por outro lado (Figura 3, à direita), energizar a fase no cruzamento zero positivo da tensão adicionaria 2 u.p. de fluxo positivo ao núcleo, além do fluxo residual de 0,5 u.p. Isso empurraria o núcleo do transformador para uma saturação profunda, resultando em corrente de entrada excessiva. Portanto, a presença de fluxo residual aumenta a corrente de entrada máxima quando a energização do transformador é não controlada.

Selecionar precisamente o instante de energização para coincidir com o fluxo induzido com o fluxo residual pode efetivamente prevenir a saturação do núcleo, reduzindo as correntes de entrada e garantindo a operação suave do transformador. Esta estratégia não só melhora a confiabilidade do sistema, mas também prolonga a vida útil do equipamento e reduz os custos de manutenção. O timing adequado da energização é especialmente crítico em sistemas multipolares para equilibrar o desempenho entre as fases, garantindo a estabilidade e a eficiência da rede.

Esta abordagem destaca a importância de considerar o efeito do fluxo residual ao projetar e implementar tecnologias de comutação controlada para transformadores de potência, visando alcançar redes de transmissão de energia mais eficientes e confiáveis.

Quando há fluxo residual no núcleo do transformador, a situação com um disjuntor operado em conjunto se torna ainda mais complexa. O instante ótimo de energização deve considerar a operação simultânea de todas as três fases de acordo com a magnitude e a polaridade do fluxo residual. No entanto, para cada padrão possível de fluxo residual, sempre existe um instante de energização ótimo que resulta em mínima saturação do transformador (Figura 4).

No seguinte exemplo, o padrão de fluxo residual é 0, -0,5 e +0,5 u.p. nas fases R, Y e B, respectivamente. Energizar o transformador de potência em 90° (o pico de tensão da fase R) resulta na menor saturação das fases. No entanto, fechar a fase azul (assumindo a fase B) no cruzamento zero positivo da tensão (240°) causaria a pior corrente de entrada, que seria 6,5 vezes maior do que o instante de comutação ótimo calculado por um Dispositivo de Comutação Controlada (DCC).

Isso destaca a importância de determinar com precisão o momento ótimo de energização para cada condição específica de fluxo residual para minimizar a saturação do transformador e as correntes de entrada. O timing adequado garante uma operação mais suave e aumenta a confiabilidade e a eficiência do sistema de energia.

Quando a energização de um transformador de potência não é controlada, a pior corrente de entrada possível sempre aparecerá na fase com o maior fluxo residual. Um Dispositivo de Comutação Controlada (DCC) minimiza a corrente de entrada de energização, calculando o instante ótimo de fechamento dos pólos com base no padrão de fluxo residual. Consequentemente, sob condições específicas de alto fluxo residual, a corrente de entrada pode ser eliminada completamente.

A Figura 5 ilustra a corrente de entrada relativa teórica durante a energização em função do maior dos três fluxos residuais medidos no transformador (com um joelho de saturação em 1,2 u.p.). A corrente de entrada máxima é normalizada para a corrente máxima de energização do núcleo desmagnetizado. Quando o fluxo residual do núcleo é alto (no eixo horizontal), o DCC elimina a corrente de entrada, impedindo que o transformador entre em saturação (área inferior da linha azul). Por outro lado, energizar o transformador de potência em um momento aleatório pode empurrar o transformador para a saturação total (linha vermelha), levando a uma corrente de entrada excessiva e quedas de tensão subsequentes na rede. Este diagrama, portanto, demonstra a eficácia da mitigação de corrente de entrada fornecida por um DCC em comparação com a energização aleatória ou não controlada.