Análise de um Acidente de Explosão em um Transformador de Tensão de 35 kV

Transformadores de tensão (PTs) consistem em núcleos de ferro e bobinas, funcionando de maneira semelhante aos transformadores, mas com capacidade menor. Eles convertem alta tensão em baixa tensão para dispositivos de proteção, medição e contagem, sendo amplamente utilizados em plantas/estações. Classificados por isolamento: seco - tipo (≤6 kV), fundido - tipo (interior 3 - 35 kV), imerso em óleo (exterior ≥35 kV) e preenchido com gás SF₆ (para aparelhos combinados).

Durante a operação da subestação, acidentes devido à ressonância eletromagnética ou envelhecimento do isolamento dos PTs ainda ocorrem. Por exemplo, em março de 2015, um PT de linha de entrada de 35 kV em uma usina termelétrica explodiu devido ao envelhecimento do isolamento, causando o desligamento das barras de 35 kV I e II. Análise após a investigação no local:

1 Modo de Operação Antes da Falha

O estado do sistema da planta antes da falha é mostrado na Figura 1.

A subestação recebe energia de duas linhas de entrada de 35 kV (Linha Jingdian 390, Linha Jingre 391). Seus disjuntores estão fechados, conectando-se às barras de 35 kV Seção I e II. Essas barras utilizam fiação em barra simples seccionada. Para-raios protegem o lado de fornecimento de energia; não há proteção de linha de entrada no lado da usina termelétrica. Ligações de fornecimento de energia:

• Barras de 35 kV Seção I → transformador principal 3# → barras de 10 kV Seção I.

• Barras de 35 kV Seção II → transformador principal 4# → barras de 10 kV Seção II.

• Barras de 10 kV Seção I e II operam em paralelo.

2. Investigação no Local e Retrospectiva do Acidente

Pessoal de operação/manutenção encontrou dois vestígios de explosão:

• PT3 do lado da Linha Jingdian 390 de 35 kV: Monitora as tensões de linha da Fase A/B. A explosão rompeu sua base, deixando marcas de queimadura.

• Disjuntor de Entrada da Linha Jingdian 390 de 35 kV: Corrente de curto-circuito causou a explosão. Parafusos da cabeça do cabo derreteram; contatos/dedos foram queimados/deformados.

2.1 Análise de Dados de Tensão da Barra de 35 kV Seção II

Foram recuperados dados de gravação de falhas da barra de 35 kV Seção II para restaurar as formas de onda de tensão, corrente e parâmetros elétricos durante o acidente. Uma análise precisa dos dados traça o desenvolvimento da falha, fornecendo evidências-chave para determinar a causa do acidente.

2.2 Desenvolvimento da Falha e Análise Elétrica
(1)Distorção de Tensão Pré-Falha

• 19,6 ms pré-falha: A barra de 35 kV Seção II tem tensões trifásicas simétricas, tensão de sequência zero mínima → equipamentos normais.

• 13,6 ms pré-falha: As tensões da Fase A/B caem para 49,0 V/43,1 V; a Fase C salta para 71,8 V; a tensão de sequência zero sobe para 22,4 V → danos no isolamento do transformador de tensão.

• 1,6 ms pré-falha: As tensões da Fase A/B caem para 11,9 V/7,4 V; a Fase C cai para 44,5 V; a tensão de sequência zero atinge 23,5 V → piora do envelhecimento do isolamento.

 (2)Ocorrência da Falha e Resposta de Proteção

Durante a falha: O isolamento da Fase A/B quebra (curto para terra); a tensão da Fase C cai. 3 ms depois, as tensões trifásicas retornam a zero; o PT explode → determinado como curto-circuito trifásico para terra.

Conclusão: As tensões da barra pré-falha eram normais (sem raios/operacional incorreta → ressonância de sobretensão excluída). A operação de longo prazo causou a degradação do isolamento do transformador de tensão → danos internos no isolamento levaram a curto-circuito entre espiras → evolução para quebra de isolamento trifásico/curto-circuito → disparo da linha.

(3)Configuração e Ação de Proteção

Os disjuntores de linha de entrada (Jingdian 390, Jingre 391) não têm proteção de entrada. A estação principal tem proteções com configurações idênticas:

• Proteção diferencial: Configuração de 5 A, operação em 0s.

• Proteção rápida limitada por tempo: Configuração de 21,2 A, operação em 1,1s.

• Proteção de sobrecorrente: Necessária análise adicional (ver Figura 2 para dados de gravação de corrente de entrada, não fornecida).

Após a falha, as correntes em ambas as linhas aumentaram. Após os transientes, alcançaram o estado estacionário:

• Linha Jingdian 390 de 35 kV: 14.116 A (corrente de falha primária em estado estacionário);

• Linha Jingre 391 de 35 kV: 10.920 A (corrente de falha primária em estado estacionário).

Operações de proteção:

• Linha Jingdian 390 (lado da estação principal remota): A proteção diferencial disparou 268 ms após a explosão. A falha não foi isolada, pois as barras de 35 kV Seção I e II estavam em loop.

• Linha Jingre 391 (lado da estação principal remota): A proteção rápida limitada por tempo disparou 1.173 ms após a explosão, isolando a falha.

3 Análise de Causas e Medidas Preventivas
3.1 Causas do Acidente

O transformador de tensão eletromagnético totalmente isolado, comissionado em 2008, não teve manutenção de interrupção/testes elétricos. A operação de longo prazo causou falha interna do isolamento. Principais causas:

• Defeitos de Produto: Design subpadrão → isolamento insuficiente, vida útil curta.

• Contaminação Ambiental: Sujeira nas mangas de porcelana → queda acentuada da resistência de isolamento em épocas chuvosas, flashovers e danos de isolamento a longo prazo.

• Deterioração do Óleo Isolante: Selamento inadequado → ingresso de umidade, distorção do campo elétrico, redução da tensão suportável e propriedades dielétricas do óleo.

• Envelhecimento e Impactos Externos: Envelhecimento térmico (condições ambientais, uso prolongado); envelhecimento mecânico (sobretensão de comutação, correntes de curto-circuito danificando o isolamento).

3.2 Testes de Danos no Isolamento

Testes regulares de resistência de isolamento prevenem falhas:

• Bobina Primária: Use medidor de 2.500 V durante a entrega/revisão → resistência de isolamento ≥ 3.000 MΩ. Em testes preventivos, a queda de resistência ≤ 50% do valor inicial.

• Bobina Secundária: Use medidor de 1.000 V durante a entrega/revisão → resistência de isolamento ≤ 10 MΩ.

3.3 Falha Comum: Sobretenção de Ressonância
Condições de Ocorrência :

• Transformadores de tensão eletromagnéticos são indutores não lineares. O aumento da corrente de excitação causa saturação ferromagnética → queda de indutância (principal causa de ressonância).

• Para a ressonância, é necessário capacitância/indutância compatíveis (reatância indutiva ≤ 100× reatância capacitiva).

• Condições de gatilho: comutação de barras sem carga, limpeza súbita de falha de aterramento, raios, sobretensão de comutação, etc.

Prevenções: Conecte os neutros dos transformadores de tensão ao solo através de eliminadores de harmônicos + resistores pequenos; instale dispositivos de eliminação de harmônicos nos deltas abertos dos transformadores de tensão da barra.

4. Conclusão

O envelhecimento do isolamento nos transformadores de tensão causa falhas e interrupções de barras – comum nas redes. Siga estritamente os regulamentos de testes preventivos, teste/substitua equipamentos não qualificados. Neste acidente, as linhas de entrada da usina termelétrica sem proteção e o disjuntor de ligação 1 de 35 kV falhado ampliaram a falha. Verifique regularmente a configuração/confiabilidade da proteção. A análise de acidentes ajuda a identificar rapidamente problemas, tomar ações direcionadas, reduzir riscos de falhas e aumentar a confiabilidade da subestação.