Quais medidas de proteção contra raios são usadas para transformadores de distribuição H61?

Quais medidas de proteção contra raios são usadas para transformadores de distribuição H61?

Um para-raios deve ser instalado no lado de alta tensão do transformador de distribuição H61. De acordo com o SDJ7–79 "Código Técnico para o Projeto de Proteção Contra Sobretensões em Equipamentos Elétricos de Potência," o lado de alta tensão de um transformador de distribuição H61 geralmente deve ser protegido por um para-raios. O condutor de aterramento do para-raios, o ponto neutro no lado de baixa tensão do transformador e a carcaça metálica do transformador devem todos estar conectados juntos e aterrados em um ponto comum. Este método também é recomendado no DL/T620–1997 "Proteção Contra Sobretensões e Coordenação de Isolamento para Instalações Elétricas de Corrente Alternada," emitido pelo antigo Ministério de Energia Elétrica.

No entanto, pesquisas extensivas e experiência operacional mostraram que, mesmo com para-raios instalados apenas no lado de alta tensão, danos ao transformador ainda ocorrem sob condições de impulsos de raios. Em áreas gerais, a taxa anual de falhas é de cerca de 1%; em áreas com alta incidência de raios, pode chegar a cerca de 5%; e em regiões extremamente propensas a raios, com mais de 100 dias de tempestade por ano, a taxa anual de falhas pode ser tão alta quanto 50%. A causa principal é a chamada "sobretensão de transformação direta e reversa" induzida por surtos de raios entrando na bobina de alta tensão do transformador de distribuição. Os mecanismos dessas sobretensões são os seguintes:

1. Sobretensão de Transformação Reversa
Quando um surto de raio invade o lado de alta tensão de 3–10 kV e faz com que o para-raios opere, uma grande corrente de impulso flui através da resistência de aterramento, criando uma queda de tensão. Esta queda de tensão aparece no ponto neutro da bobina de baixa tensão, elevando seu potencial. Se a linha de baixa tensão for relativamente longa, ela se comporta como uma impedância de onda para o solo. Sob a influência deste potencial elevado do ponto neutro, uma grande corrente de impulso flui através da bobina de baixa tensão. As correntes de impulso trifásicas têm a mesma magnitude e direção, gerando um forte fluxo magnético de sequência zero.

 Este fluxo induz uma tensão de pulso muito alta na bobina de alta tensão de acordo com a relação de enrolamento do transformador. Essas tensões de pulso trifásicas induzidas têm a mesma magnitude e direção. Como a bobina de alta tensão geralmente está conectada em configuração estrela com um ponto neutro não aterrado, embora tenhamos tensões de pulso altas, nenhuma corrente de impulso correspondente flui na bobina de alta tensão para contrabalançar o efeito de magnetização. Assim, toda a corrente de impulso na bobina de baixa tensão atua como corrente de magnetização, produzindo um fluxo de sequência zero intenso e induzindo potenciais extremamente altos no lado de alta tensão. 

Como o potencial do terminal de alta tensão é limitado pela tensão residual do para-raios, este potencial induzido se distribui ao longo da bobina, atingindo seu máximo no final neutro. Consequentemente, o isolamento do ponto neutro é propenso a rupturas. Além disso, os gradientes de tensão entre camadas e espiras aumentam significativamente, podendo causar falhas de isolamento em outras localizações. Este tipo de sobretensão origina-se de um surto de entrada no lado de alta tensão e é acoplado eletromagneticamente de volta à bobina de alta tensão através da bobina de baixa tensão—comumente conhecido como "transformação reversa."

2. Sobretensão de Transformação Direta
A sobretensão de transformação direta ocorre quando um surto de raio entra através da linha de baixa tensão. Uma corrente de impulso então flui através da bobina de baixa tensão, induzindo uma tensão na bobina de alta tensão de acordo com a relação de enrolamento, o que eleva significativamente o potencial no ponto neutro de alta tensão. Isso também aumenta os gradientes de tensão entre camadas e espiras. Este processo—onde um surto no lado de baixa tensão induz sobretensão no lado de alta tensão—é chamado de "transformação direta." Testes mostram que, quando um surto de 10 kV entra no lado de baixa tensão e a resistência de aterramento é de 5 Ω, o gradiente de tensão entre camadas na bobina de alta tensão pode exceder a resistência à tensão de impulso total das camadas interiores em mais de 100%, inevitavelmente causando ruptura do isolamento.

Portanto, para-raios de válvula ou de óxido metálico comuns também devem ser instalados no lado de baixa tensão do transformador de distribuição H61. Neste esquema de proteção, os condutores de aterramento dos para-raios de alta e baixa tensão, o ponto neutro de baixa tensão e a carcaça metálica do transformador estão todos conectados juntos e aterrados em um único ponto (também referido como "conexão de quatro pontos" ou "aterramento tríplice").

A experiência operacional e estudos experimentais indicam que, mesmo para transformadores de distribuição com bom isolamento, falhas induzidas por raios devido a sobretensões de transformação direta e reversa ainda ocorrem quando para-raios são instalados apenas no lado de alta tensão. Isso porque os para-raios no lado de alta tensão não podem suprimir sobretensões de transformação direta ou reversa. O gradiente de tensão entre camadas sob essas sobretensões é proporcional ao número de espiras e depende da distribuição da bobina; a ruptura do isolamento pode ocorrer no início, meio ou fim da bobina—mas o final é o mais vulnerável. A instalação de para-raios no lado de baixa tensão pode limitar efetivamente tanto as sobretensões de transformação direta quanto as de transformação reversa a um nível seguro.

Outro método de proteção é o aterramento separado para os lados de alta e baixa tensão. Nesta configuração, o para-raios de alta tensão é aterrado independentemente, nenhum para-raios é instalado no lado de baixa tensão, e o ponto neutro de baixa tensão e a carcaça do transformador são conectados juntos e aterrados separadamente do sistema de aterramento de alta tensão.

Este método utiliza o efeito de atenuação do solo sobre as ondas de raios para eliminar essencialmente a sobretensão de transformação reversa. Com relação à sobretensão de transformação direta, cálculos mostram que a redução da resistência de aterramento de baixa tensão de 10 Ω para 2,5 Ω pode diminuir a sobretensão de transformação direta de alta tensão em aproximadamente 40%. Com o tratamento adequado do eletrodo de aterramento de baixa tensão, a sobretensão de transformação direta pode ser eliminada completamente.

Este esquema de proteção é simples e econômico, embora imponha requisitos mais altos para a resistência de aterramento em baixa tensão, conferindo-lhe certo valor prático para uma aplicação mais ampla.

Além dos métodos acima, outras medidas de proteção contra raios para transformadores de distribuição incluem a instalação de um enrolamento de equilíbrio no núcleo do transformador para suprimir sobretensões de transformação direta e inversa, ou o embarque de descarregadores de surto de óxido metálico diretamente dentro do transformador.