Proteção de Transformador e Falha de Transformador

Existem diferentes tipos de transformadores, como transformadores de potência elétrica de duas ou três bobinas, autotransformadores, transformadores reguladores, transformadores de aterramento, transformadores retificadores, etc. Diferentes transformadores exigem diferentes esquemas de proteção de transformador dependendo de sua importância, conexões de bobina, métodos de aterramento e modo de operação, etc.
É prática comum fornecer proteção por relé Buchholz a todos os transformadores de 0,5 MVA e acima. Para todos os transformadores de distribuição de pequeno porte, apenas fusíveis de alta tensão são usados como dispositivo de proteção principal. Para todos os transformadores de distribuição de maior potência e importantes, a proteção contra sobrecorrente junto com a proteção contra falha restrita à terra é aplicada.
A proteção diferencial deve ser fornecida em transformadores com potência superior a 5 MVA.

Dependendo das condições normais de serviço, natureza das falhas do transformador, grau de sobrecarga sustentada, esquema de mudança de passo e muitos outros fatores, os esquemas de proteção de transformador apropriados são escolhidos.

Natureza das Falhas de Transformador

Embora o transformador de potência elétrica seja um dispositivo estático, as tensões internas decorrentes de condições anormais do sistema devem ser consideradas.
Um transformador geralmente sofre dos seguintes tipos de falha de transformador-

1. Sobrecorrente devido a sobrecargas e curtos-circuitos externos,

2. Falhas terminais,

3. Falhas nas bobinas,

4. Falhas incipientes.

Todas as falhas de transformador mencionadas acima causam tensões mecânicas e térmicas dentro das bobinas do transformador e seus terminais de conexão. As tensões térmicas levam ao superaquecimento, que afeta o sistema de isolamento do transformador. A deterioração do isolamento leva a falhas nas bobinas. Às vezes, a falha do sistema de resfriamento do transformador, leva ao superaquecimento do transformador. Portanto, os esquemas de proteção de transformador são muito necessários.

A corrente de curto-circuito de um transformador elétrico é normalmente limitada pela sua reatância e, para baixa reatância, o valor da corrente de curto-circuito pode ser excessivamente alto. A duração dos curtos-circuitos externos que um transformador pode suportar sem danos, conforme dado na BSS 171:1936.

As falhas gerais nas bobinas do transformador são falhas de terra ou falhas entre espiras. Falhas de bobina fase a fase em um transformador são raras. As falhas de fase em um transformador elétrico podem ocorrer devido a flashover no isolador e falhas no equipamento de troca de passo. Independentemente da falha, o transformador deve ser isolado imediatamente durante a falha, caso contrário, uma grande falha pode ocorrer no sistema de potência elétrica.
As falhas incipientes são falhas internas que não constituem perigo imediato. Mas, se essas falhas forem negligenciadas e não cuidadas, podem levar a falhas maiores. As falhas deste grupo são principalmente curtos-circuitos entre laminas devido à falha de isolamento entre as lâminas do núcleo, diminuição do nível de óleo devido a vazamentos de óleo, bloqueio dos caminhos de fluxo de óleo. Todas essas falhas levam ao superaquecimento. Portanto, o esquema de proteção de transformador também é necessário para falhas incipientes de transformador. A falha de terra, muito próxima ao ponto neutro da bobina estrela do transformador, também pode ser considerada como uma falha incipiente.
Influência das conexões de bobina e aterramento na magnitude da corrente de falha de terra.
Há principalmente duas condições para a corrente de falha de terra fluir durante falhas de bobina para terra,

1. Existe uma corrente para que a corrente flua para dentro e para fora da bobina.

2. O equilíbrio de volt-amperios é mantido entre as bobinas.

O valor da corrente de falha de terra da bobina depende da posição da falha na bobina, método de conexão da bobina e método de aterramento. O ponto neutro das bobinas pode ser aterrado solidamente ou via um resistor. No lado delta do transformador, o sistema é aterrado através de um transformador de aterramento. O transformador de aterramento fornece um caminho de baixa impedância para a corrente de sequência zero e alta impedância para as correntes de sequência positiva e negativa.

Bobina Estrela com Neutro Resistivo Aterrado

Neste caso, o ponto neutro do transformador é aterrado via um resistor e o valor da impedância dele é muito maior do que a impedância da bobina do transformador. Isso significa que o valor da impedância da bobina do transformador é desprezível comparado à impedância do resistor de aterramento. O valor da corrente de terra, portanto, é proporcional à posição da falha na bobina. Como a corrente de falha na bobina primária dos transformadores é proporcional à razão das espiras secundárias curto-circuitadas em relação ao total de espiras na bobina primária, a corrente de falha primária será proporcional ao quadrado do percentual de bobina curto-circuitada. A variação da corrente de falha tanto na bobina primária quanto na secundária é mostrada abaixo.

Bobina Estrela com Neutro Solidamente Aterrado

Neste caso, a magnitude da corrente de falha de terra é limitada exclusivamente pela impedância da bobina e a falha já não é proporcional à posição da falha. A razão para essa não linearidade é o desequilíbrio de ligação de fluxo.

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