Quais são as falhas comuns encontradas durante a operação da proteção diferencial longitudinal do transformador de energia?

Proteção Diferencial Longitudinal do Transformador: Problemas Comuns e Soluções

A proteção diferencial longitudinal do transformador é a mais complexa entre todas as proteções diferenciais de componentes. Ocorrem ocasionalmente malfuncionamentos durante a operação. De acordo com estatísticas de 1997 da Rede Elétrica do Norte da China para transformadores com tensão nominal de 220 kV ou superior, houve um total de 18 operações incorretas, das quais 5 foram devido à proteção diferencial longitudinal—representando aproximadamente um terço. As causas de malfuncionamento ou falha em operar incluem problemas relacionados à operação, manutenção e gestão, bem como questões na fabricação, instalação e projeto. Este artigo analisa problemas comuns no campo e apresenta métodos práticos de mitigação.

1. Corrente Desbalanceada Causada pela Corrente de Inrush do Transformador

Durante a operação normal, a corrente de magnetização flui apenas no lado energizado e cria uma corrente desbalanceada na proteção diferencial. Geralmente, a corrente de magnetização é de 3% a 8% da corrente nominal; para grandes transformadores, geralmente é inferior a 1%. Durante falhas externas, as quedas de tensão reduzem a corrente de magnetização, minimizando seu impacto. No entanto, durante a energização de um transformador sem carga ou recuperação de tensão após a limpeza de uma falha externa, pode ocorrer uma grande corrente de inrush—alcançando 6 a 8 vezes a corrente nominal.

Esta corrente de inrush contém componentes não periódicos significativos e harmônicos de ordem alta, principalmente o segundo harmônico, e exibe descontinuidades na forma de onda da corrente (ângulos mortos).

Métodos de mitigação na proteção diferencial longitudinal:

(1) Relés do tipo BCH com transformadores de corrente de saturação rápida:
Durante falhas externas, o componente não periódico elevado satura rapidamente o núcleo do transformador de saturação rápida, impedindo que a corrente desbalanceada seja transferida para a bobina do relé—evitando assim disparos falsos. Durante falhas internas, embora existam inicialmente componentes não periódicos, eles decrescem em cerca de 2 ciclos. A partir daí, flui apenas a corrente de falha periódica, permitindo a operação sensível do relé.

(2) Relés baseados em microprocessador usando restrição de segundo harmônico:
A maioria dos relés digitais modernos usa bloqueio de segundo harmônico para distinguir inrush de falhas internas. Se ocorrer um malfuncionamento durante a limpeza de uma falha externa:

• Troque do modo de restrição fase a fase ("E") para o modo de restrição de máxima fase ("OU").

• Reduza a razão de restrição de segundo harmônico para 10%–12%.

• Em sistemas de grande capacidade onde o conteúdo de quinto harmônico também é alto após a limpeza da falha, adicione restrição de quinto harmônico.

• Para transformadores equipados com dupla proteção diferencial, considere usar princípios de simetria de forma de onda para identificar inrush—este método é mais sensível e confiável do que a restrição harmônica sozinha.

2. Fiação Incorreta nos Circuitos Secundários do TC

Uma causa recorrente de malfuncionamento é a polaridade invertida dos terminais secundários do transformador de corrente (TC)—resultado de treinamento inadequado, desvio dos desenhos de projeto ou verificações de comissionamento insuficientes.

Prática preventiva:
Antes de colocar a proteção diferencial longitudinal em serviço—após nova instalação, testes periódicos ou qualquer modificação no circuito secundário—o transformador deve ser carregado, e as seguintes verificações devem ser realizadas:

• Meça a tensão desbalanceada no loop diferencial usando um voltímetro de alta impedância; ela deve estar dentro dos limites do código.

• Meça a magnitude e o ângulo de fase das correntes secundárias em todos os lados.

• Construa um diagrama vetorial hexagonal para verificar que a soma vetorial das correntes de mesma fase é zero ou próxima de zero, confirmando a fiação correta.

Apenas após essas verificações, a proteção deve ser oficialmente comissionada.

3. Contato Ruim ou Circuito Aberto nos Circuitos Secundários

Ocorrem anualmente malfuncionamentos devido a conexões soltas ou circuitos abertos nos laços secundários do TC.

Recomendações:

• Fortaleça o monitoramento em tempo real da corrente diferencial durante a operação.

• Após a instalação/comissionamento do relé ou grandes revisões do transformador, inspecione todas as conexões secundárias do TC.

• Ajuste parafusos de terminal e use arruelas molas ou clips antivibração.

• Para aplicações críticas, use dois cabos paralelos para a fiação secundária diferencial para mitigar o risco de circuito aberto.

4. Problemas de Aterramento nos Circuitos Secundários de Proteção Diferencial

Alguns locais violam medidas antiacidente ao ter dois pontos de aterramento—um no gabinete de proteção e outro na caixa de terminais do parque de subestações. A diferença de potencial de terra resultante, especialmente durante raios ou soldagem nas proximidades, pode induzir corrente diferencial espúria e causar disparos falsos.

Solução:
Imponha rigorosamente o aterramento em único ponto. O único ponto de aterramento confiável deve estar localizado dentro do gabinete de proteção.

5. Degradation da Isolação dos Cabos Secundários do TC

A falha da isolação nos cabos secundários do TC—muitas vezes devido a práticas de construção inadequadas—também leva a malfuncionamentos. As causas comuns incluem:

• Dano à bainha do cabo durante a instalação,

• Junção de dois cabos quando o comprimento é insuficiente,

• Soldagem de condutos de cabos com cabos internos, causando danos térmicos.

Estes criam riscos ocultos para a confiabilidade da proteção.

Medidas preventivas:

• Durante a manutenção de equipamentos principais, teste periodicamente a resistência de isolamento entre cada núcleo-terra e núcleo-núcleo usando um megômetro de 1000 V; os valores devem atender aos requisitos do código.

• Mantenha os extremos de fios expostos nos terminais o mais curtos possível para evitar aterramento acidental ou curto-circuito entre fases devido à vibração.

6. Seleção de Transformadores de Corrente para Proteção Diferencial Longitudinal

A proteção diferencial envolve TCs em diferentes níveis de tensão, com razões e modelos variados, levando a características transitórias desajustadas—uma fonte potencial de malfuncionamento ou falha em operar.

• Lado de 500 kV: Use TCs de classe TP (classe de desempenho transitório), cujos núcleos com lacuna limitam a remanência a <10% do fluxo de saturação, melhorando significativamente a resposta transitória.

• 220 kV e abaixo: Geralmente use TCs de classe P, que não têm lacuna, têm maior remanência e desempenho transitório inferior.

Orientação de seleção: Embora os TCs de classe TP ofereçam desempenho técnico superior, são caros e volumosos—especialmente no lado de baixa tensão, onde a instalação em dutos de barras fechadas é difícil. Portanto, a menos que existam requisitos especiais do sistema, deve-se preferir TCs de classe P se atenderem às necessidades operacionais reais—evitando custos e desafios de instalação desnecessários.

Além disso, a seção transversal do cabo secundário deve ser adequada:

• Para longas extensões de cabo, use condutor de tamanho ≥4 mm² para minimizar a carga e garantir precisão.