Falhas Externas e Internas no Transformador
É essencial proteger transformadores de alta capacidade contra falhas elétricas externas e internas.
Falhas Externas em Transformadores de Potência
Curto-Circuito Externo em Transformador de Potência
O curto-circuito pode ocorrer em duas ou três fases do sistema de energia elétrica. O nível de corrente de falha é sempre suficientemente alto. Dependendo da tensão que foi curta e da impedância do circuito até o ponto de falha. A perda de cobre do transformador alimentado pela falha aumenta abruptamente. Este aumento na perda de cobre causa aquecimento interno no transformador. A corrente de falha elevada também produz estresses mecânicos severos no transformador. Os estresses mecânicos máximos ocorrem durante o primeiro ciclo da corrente de falha simétrica.
Perturbação de Alta Tensão em Transformador de Potência
Perturbações de alta tensão em transformador de potência são de dois tipos,
Sobretensão Transiente
Sobretensão de Frequência de Rede
Sobretensão Transiente
Uma sobretensão de alta tensão e alta frequência pode surgir no sistema de energia devido a qualquer uma das seguintes causas,
Arco ao solo se o ponto neutro estiver isolado.
Operação de comutação de diferentes equipamentos elétricos.
Impulso atmosférico de relâmpago.
Independentemente da causa da sobretensão, ela é, afinal, uma onda viajante com forma de onda alta e íngreme e também de alta frequência. Esta onda viaja na rede do sistema de energia elétrica, e, ao chegar no transformador de potência, causa a quebra da isolação entre as espiras adjacentes ao terminal de linha, o que pode criar um curto-circuito entre as espiras.
Sobretensão de Frequência de Rede
Há sempre uma chance de sobretensão do sistema devido à desconexão súbita de uma grande carga. Embora a amplitude desta tensão seja maior que seu nível normal, a frequência é a mesma que estava em condições normais. A sobretensão no sistema causa um aumento no estresse na isolação do transformador. Como sabemos, a tensão, quando aumentada, causa um aumento proporcional no fluxo de trabalho. Isso, portanto, causa um aumento na perda de ferro e um aumento proporcionalmente grande na corrente de magnetização. O fluxo aumentado é desviado do núcleo do transformador para outras partes estruturais de aço do transformador. Parafusos do núcleo, que normalmente carregam pouco fluxo, podem estar sujeitos a um componente grande de fluxo desviado da região saturada do núcleo ao lado. Nessas condições, o parafuso pode ser aquecido rapidamente e destruir sua própria isolação, bem como a isolação dos enrolamentos.
Efeito de Baixa Frequência em Transformador de Potência
Como a tensão, o número de espiras no enrolamento é fixo. Portanto, a partir dessa equação, fica claro que, se a frequência diminui no sistema, o fluxo no núcleo aumenta, os efeitos são mais ou menos semelhantes aos da sobretensão.
Falhas Internas em Transformador de Potência
As principais falhas que ocorrem dentro de um transformador de potência são categorizadas como,
Quebra de isolamento entre o enrolamento e a terra
Quebra de isolamento entre diferentes fases
Quebra de isolamento entre espiras adjacentes, ou seja, falha inter-espira
Falha no núcleo do transformador
Falhas Internas à Terra em Transformador de Potência
Falhas Internas à Terra em um Enrolamento Conectado em Estrela com Ponto Neutro Aterrado através de uma Impedância
Neste caso, a corrente de falha depende do valor da impedância de aterramento e é proporcional à distância do ponto de falha do ponto neutro, pois a tensão no ponto depende do número de espiras do enrolamento entre o ponto neutro e o ponto de falha. Se a distância entre o ponto de falha e o ponto neutro for maior, o número de espiras nessa distância também será maior, resultando em uma tensão mais alta entre o ponto neutro e o ponto de falha, o que causa uma corrente de falha mais alta. Portanto, em poucas palavras, pode-se dizer que o valor da corrente de falha depende do valor da impedância de aterramento, bem como da distância entre o ponto de falha e o ponto neutro. A corrente de falha também depende da reatância de fuga da parte do enrolamento entre o ponto de falha e o ponto neutro. Mas, comparado com a impedância de aterramento, é muito baixo e é obviamente ignorado, pois está em série com uma impedância de aterramento muito maior.
Falhas Internas à Terra em um Enrolamento Conectado em Estrela com Ponto Neutro Solidamente Aterrado
Neste caso, a impedância de aterramento é idealmente zero. A corrente de falha depende da reatância de fuga da parte do enrolamento entre o ponto de falha e o ponto neutro do transformador. A corrente de falha também depende da distância entre o ponto neutro e o ponto de falha no transformador. Como mencionado no caso anterior, a tensão entre esses dois pontos depende do número de espiras do enrolamento entre o ponto de falha e o ponto neutro. Portanto, em um enrolamento conectado em estrela com o ponto neutro solidamente aterrado, a corrente de falha depende de dois fatores principais: primeiro, a reatância de fuga do enrolamento entre o ponto de falha e o ponto neutro, e segundo, a distância entre o ponto de falha e o ponto neutro. No entanto, a reatância de fuga do enrolamento varia de maneira complexa com a posição da falha no enrolamento. Observa-se que a reatância diminui muito rapidamente para o ponto de falha se aproximando do neutro, e, portanto, a corrente de falha é a mais alta para a falha próxima ao final do neutro. Nesse ponto, a tensão disponível para a corrente de falha é baixa e, ao mesmo tempo, a reatância que opõe a corrente de falha também é baixa, portanto, o valor da corrente de falha é suficientemente alto. Novamente, para o ponto de falha distante do ponto neutro, a tensão disponível para a corrente de falha é alta, mas ao mesmo tempo, a reatância oferecida pela parte do enrolamento entre o ponto de falha e o ponto neutro é alta. Pode-se notar que a corrente de falha permanece em um nível muito alto em todo o enrolamento. Em outras palavras, a corrente de falha mantém uma magnitude muito alta, independentemente da posição da falha no enrolamento.
Falhas Internas Fase a Fase em Transformador de Potência
Falhas fase a fase no transformador são raras. Se tal falha ocorrer, dará origem a uma corrente substancial para acionar o relé de sobrecorrente instantâneo no lado primário, bem como o relé diferencial.
Falha Inter-Espiras em Transformador de Potência
Transformador de potência conectado com o sistema de transmissão de extra-alta tensão elétrica, é muito provável que esteja sujeito a tensões de impulso de alta magnitude, frente íngreme e alta frequência devido a surtos de relâmpagos na linha de transmissão. As tensões entre as espiras do enrolamento tornam-se tão grandes que não conseguem suportar o estresse, causando falha de isolamento entre as espiras em alguns pontos. Além disso, o enrolamento de baixa tensão também é estressado devido à tensão de impulso transferida. Um número muito grande de falhas de transformadores de potência surge de falhas entre espiras. A falha inter-espiras também pode ocorrer devido a forças mecânicas entre as espiras originadas por curto-circuito externo.
Falha no Núcleo de Transformador de Potência
Se qualquer parte das lâminas do núcleo estiver danificada, ou se as lâminas do núcleo forem ponteada por qualquer material condutor, isso causará uma corrente de fuga suficiente para fluir, e, portanto, essa parte do núcleo se tornará superaquecida. Às vezes, a isolação dos parafusos (utilizados para apertar as lâminas do núcleo juntas) falha, permitindo que uma corrente de fuga suficiente flua através do parafuso, causando superaquecimento. Essa falha de isolamento nas lâminas e nos parafusos do núcleo causa um aquecimento local severo. Embora esse aquecimento local cause uma perda adicional no núcleo, não cria nenhuma mudança perceptível na corrente de entrada e saída do transformador, portanto, essas falhas não podem ser detectadas pelo esquema de proteção elétrica normal. É desejável detectar a condição de superaquecimento local do núcleo do transformador antes que qualquer falha grave ocorra. O superaquecimento excessivo leva à quebra do óleo isolante do transformador com a evolução de gases. Esses gases são acumulados no relé Buchholz e atuam no alarme Buchholz.
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