Análise da Tecnologia de Proteção de Aterramento de Transformadores em Locais de Construção

Atualmente, a China alcançou certos feitos neste campo. A literatura relevante projetou esquemas de configuração típica para proteção contra falhas de aterramento em sistemas de distribuição de baixa tensão de usinas nucleares. Com base na análise de casos domésticos e internacionais em que falhas de aterramento em sistemas de distribuição de baixa tensão de usinas nucleares causaram malfuncionamento da proteção de sequência zero dos transformadores, as causas subjacentes foram identificadas. Além disso, foram propostas sugestões de melhoria para medidas de proteção contra falhas de aterramento em sistemas de alimentação auxiliar de usinas nucleares com base nesses esquemas de configuração típicos.

A literatura relacionada estudou os padrões de variação da corrente diferencial e da corrente de restrição, e através do cálculo da razão entre a corrente diferencial e a corrente de restrição, realizou uma análise quantitativa sobre a adaptabilidade da proteção de diferenciação de razão do transformador principal nessas condições de falha.

No entanto, os métodos mencionados ainda enfrentam numerosos problemas que precisam ser resolvidos urgentemente. Por exemplo, resistência de aterramento excessiva, seleção inadequada de métodos de aterramento e medidas insuficientes de aterramento de proteção contra raios - esses problemas podem levar a falhas nos transformadores e até mesmo desencadear acidentes de segurança. Portanto, é necessário realizar pesquisas e análises mais aprofundadas sobre tecnologias de proteção de aterramento de transformadores em canteiros de obras, incorporando os resultados de pesquisa mais recentes e desenvolvimentos tecnológicos.

Por meio desta pesquisa, não apenas o nível teórico da tecnologia de proteção de aterramento de transformadores pode ser aprimorado, mas também soluções e medidas práticas e viáveis podem ser fornecidas para projetos de construção reais. Espera-se que esta pesquisa possa atrair mais atenção e ênfase de acadêmicos nas tecnologias de proteção de aterramento de transformadores em canteiros de obras, promovendo coletivamente o desenvolvimento deste campo.

1 Determinação dos Métodos de Aterramento de Transformadores

O método tradicional de aterramento direto do ponto neutro do transformador pode causar correntes de curto-circuito excessivas em determinadas condições, potencialmente danificando equipamentos. Portanto, é proposto um método de aterramento de baixa resistência no ponto neutro. O aterramento de baixa resistência no ponto neutro é uma abordagem eficaz de aterramento de transformadores que controla efetivamente a corrente de aterramento do transformador conectando uma resistência baixa entre o ponto neutro do transformador e a terra. Este método de aterramento não só regula a magnitude da corrente de aterramento e reduz o impacto de raios e sobretensão nos transformadores, melhorando assim a estabilidade operacional, mas também limita as correntes de curto-circuito e reduz o risco de danos ao equipamento.

Especificamente, ao implementar o aterramento de baixa resistência no ponto neutro para transformadores em canteiros de obras, o primeiro passo é determinar o valor apropriado de resistência de aterramento. De acordo com a lei de Ohm, o valor da resistência de aterramento é inversamente proporcional à corrente de aterramento e à tensão de aterramento. Portanto, ao selecionar o valor de resistência de aterramento para o método de aterramento de baixa resistência no ponto neutro, o valor de resistência deve ser determinado primeiro, com a fórmula de cálculo a seguir:

Na fórmula, R₀ representa o valor de resistência do resistor de aterramento; U₀ representa a tensão nominal média do sistema elétrico em construção; I₀ representa a corrente que flui pelo resistor do ponto neutro. De acordo com o cálculo na fórmula (1), deve ser selecionado um valor apropriado de resistência de aterramento que possa limitar eficazmente a corrente de curto-circuito, evitando ao mesmo tempo um impacto excessivo no transformador.

Em seguida, é a determinação de parâmetros como a seção transversal e o material do fio de aterramento. O material do fio de aterramento também deve possuir excelente condutividade e resistência à corrosão para garantir sua vida útil e confiabilidade. Este estudo considera de forma abrangente as condições reais de aterramento de transformadores em canteiros de obras e seleciona o fio de cobre estanhado como condutor de aterramento - um material com boa condutividade, fácil de instalar e com fortes capacidades anticorrosivas, que atende plenamente aos requisitos do método de aterramento de baixa resistência no ponto neutro.

A seção transversal do fio de aterramento afeta diretamente seu valor de resistência, o que, por sua vez, influencia a corrente de aterramento. Portanto, a seção transversal apropriada do fio de aterramento é selecionada com base na seguinte fórmula:

Na fórmula, S representa a seção transversal do fio de aterramento no método de aterramento de baixa resistência no ponto neutro; η representa o coeficiente de proporção entre a resistência de aterramento do ponto neutro e a resistência de aterramento do transformador; T representa a elevação de temperatura permitida do fio de aterramento. Finalmente, deve ser determinada a profundidade de enterramento do eletrodo de aterramento. Para garantir a operação estável do eletrodo de aterramento em ambientes adversos, sua profundidade de enterramento deve exceder a espessura da camada de solo congelado no local de construção, garantindo assim de forma abrangente a confiabilidade e a segurança do sistema de aterramento.

Em resumo, ao implementar o aterramento de transformadores em canteiros de obras, é adotado um método de aterramento de baixa resistência no ponto neutro, com configurações razoáveis para parâmetros de aterramento, incluindo valor de resistência, seção transversal do fio de aterramento, seleção de material e profundidade de enterramento do eletrodo de aterramento, fornecendo uma base sólida para a operação estável do transformador durante a construção.

2 Projeto do Esquema de Proteção de Aterramento de Transformadores

Conforme o conteúdo acima, o método de aterramento de baixa resistência do ponto neutro é adotado na tecnologia de proteção de aterramento de transformadores em canteiros de obras. Este método de aterramento controla principalmente a corrente de aterramento do transformador de forma eficaz através de baixa resistência. Vários tipos de falhas podem ocorrer durante a operação do transformador, sendo a falha de aterramento monofásico a mais comum. Uma falha de aterramento monofásico refere-se a um curto-circuito entre uma bobina de fase do transformador e o solo, enquanto as outras duas fases continuam funcionando normalmente. Esta falha causa alterações no potencial do ponto neutro do transformador, levando a um desequilíbrio nas correntes trifásicas. Utilizando essa característica, propõe-se um esquema de proteção baseado no desequilíbrio de corrente trifásica em transformadores:

O primeiro é a proteção seção I de sequência zero, com sua fórmula de cálculo configurada da seguinte forma:

Na fórmula, I₁ representa o valor de corrente de operação da proteção de sequência zero dos transformadores em construção; γ₁ representa o coeficiente de confiabilidade; γ₂ representa o coeficiente de ramificação de sequência zero; I₂ representa o valor de corrente de operação da proteção de sequência zero dos componentes adjacentes dos transformadores em construção. Após calcular o valor de corrente para a proteção seção I de sequência zero de acordo com a fórmula (3), o tempo de operação para a proteção seção I geralmente é definido para ser aproximadamente 0,5 segundos maior que o tempo de operação da próxima proteção de sequência zero.

Em seguida, temos a proteção seção II de sequência zero. A fórmula de cálculo para seu valor de corrente de proteção é a mesma para a proteção seção I de sequência zero, ou seja, a corrente de proteção também é obtida de acordo com a fórmula (3), mas o tempo de operação difere, exigindo um aumento de aproximadamente 0,3 segundos com base no tempo de operação da proteção seção I de sequência zero.

Finalmente, há a proteção de tensão de sequência zero. Considerando de forma abrangente que, durante falhas de aterramento monofásico em transformadores em canteiros de obras, o ponto neutro pode perder sua sensibilidade inerente, a tensão de operação da proteção de tensão de sequência zero deve ser inferior à tensão de sequência zero máxima que aparece no ponto de instalação da proteção durante falhas de aterramento monofásico. O valor da tensão de proteção de tensão de sequência zero é determinado principalmente de acordo com a seguinte fórmula:

Na fórmula, U₁ representa a tensão de operação da proteção de tensão de sequência zero; U₂ representa a tensão nominal das três bobinas secundárias.

Em resumo, para formar um esquema completo de proteção de desequilíbrio de corrente trifásica, são necessários uma série de cálculos complexos, incluindo fórmulas de cálculo para as proteções seção I e II de sequência zero, e proteção de tensão de sequência zero. A derivação e aplicação dessas fórmulas ajudarão a determinar com mais precisão o tipo e a gravidade das falhas de aterramento monofásico em canteiros de obras. Este esquema de proteção não apenas localiza e isola rapidamente as falhas de aterramento, mas também reduz a probabilidade de incidentes de interrupção de energia causados por falhas de aterramento. Ao mesmo tempo, combinado com o método de aterramento de baixa resistência do ponto neutro, forma-se uma estrutura de proteção de aterramento completa para transformadores em construção, fornecendo forte proteção para a operação segura dos transformadores.

3 Análise Experimental

Para verificar a eficácia da tecnologia de proteção de aterramento de transformadores mencionada anteriormente em canteiros de obras, este capítulo utilizará o software de simulação de sistemas de energia PowerFactory para realizar experimentos de simulação de proteção de aterramento de transformadores. Primeiro, um modelo de sistema elétrico de edifícios é estabelecido no software de simulação, que inclui principalmente transformadores, linhas de alta e baixa tensão, cargas e outros equipamentos. A Tabela 1 apresenta o modelo e as especificações dos parâmetros do transformador experimental.

A estrutura específica do transformador é mostrada na Figura 1.

Em seguida, foram realizados experimentos de simulação de proteção de aterramento do transformador utilizando três métodos de aterramento diferentes: aterramento de baixa resistência no ponto neutro, aterramento de alta resistência no ponto neutro e aterramento no ponto neutro com bobina de extinção de arco. Ao configurar os métodos de aterramento, para o método de aterramento de baixa resistência no ponto neutro, foi selecionada uma resistência de valor pequeno, especificamente definida em 0,5 Ω, para simular o efeito do aterramento de baixa resistência; para o método de aterramento de alta resistência no ponto neutro, foi selecionada uma resistência de valor maior, definida em 10 Ω, para simular as características do aterramento de alta resistência.

Durante o experimento, foram simulados os níveis de corrente de aterramento do transformador sob falhas de aterramento monofásico. A localização específica da falha foi definida no meio de uma linha de fase no lado de baixa tensão do transformador, com a resistência de falha definida em 100 Ω para simular a resistência de aterramento durante uma falha de aterramento. No processo de simulação da falha, foi utilizado um sistema de aquisição de dados de alta taxa de amostragem para registrar os dados de corrente de aterramento, com a frequência de amostragem definida em 1000 vezes por segundo para garantir a captura de mudanças sutis na corrente de aterramento.

Além de registrar o valor da corrente de aterramento no momento da ocorrência da falha, foram definidos vários pontos de tempo, incluindo 0,1 s, 0,5 s, 1 s, 5 s e 10 s após a ocorrência da falha, para observar as mudanças na corrente de aterramento em diferentes pontos de tempo. Para evitar a aleatoriedade nos resultados experimentais, os dados de corrente de aterramento foram registrados 10 vezes, sendo tomado o valor médio como o resultado final do experimento. A Figura 2 fornece uma comparação dos efeitos de proteção de aterramento do transformador sob diferentes métodos de aterramento.

Como mostrado na Figura 2, a análise de simulação comparou as características de corrente de aterramento dos transformadores sob falhas monofásicas para os métodos de aterramento de baixa resistência no ponto neutro, aterramento de alta resistência e aterramento com bobina de extinção de arco. Os resultados indicam que, durante uma falha de aterramento monofásico em transformadores, a corrente de aterramento sob o método de aterramento de baixa resistência no ponto neutro é significativamente maior do que sob os métodos de aterramento de alta resistência no ponto neutro e aterramento com bobina de extinção de arco.

Sob a tecnologia de proteção de aterramento projetada, a corrente média de aterramento do transformador foi de 70,11 A, o que representa um aumento de 43,44 A e 21,62 A, respectivamente, em comparação com as tecnologias do grupo controle. Isso ajuda a reduzir a intensidade do arco no ponto de falha e acelera a capacidade de autoeliminação da falha. Portanto, a tecnologia de proteção de aterramento projetada é viável e confiável, adequada para aplicação prática em falhas de aterramento monofásico de transformadores, protegendo efetivamente a segurança operacional dos transformadores em canteiros de obras.

4.Conclusão

A tecnologia de proteção de aterramento para transformadores em construção propõe um esquema de proteção de sobrecorrente zero-sequence baseado no método de aterramento de baixa resistência no ponto neutro. Através de experimentos comparativos, foi verificada a superioridade da tecnologia de proteção de aterramento projetada na proteção principal para falhas monofásicas de transformadores. Embora alguns avanços tenham sido alcançados, ainda existem certas limitações. Por exemplo, as condições experimentais e as amostras de dados podem não ser suficientemente abrangentes, exigindo uma validação adicional da universalidade das conclusões.

As pesquisas futuras poderiam se concentrar nas seguintes áreas: primeiro, expandir o escopo dos experimentos e aumentar as amostras de dados para melhorar a precisão e a universalidade das conclusões; segundo, realizar estudos aprofundados sobre outros esquemas e tecnologias de proteção para explorar métodos de proteção de aterramento de transformadores mais eficientes e confiáveis; finalmente, desenvolver dispositivos e sistemas de proteção de alto desempenho em combinação com aplicações práticas de engenharia.