Otimização dos Métodos de Aterramento para o Núcleo e as Presilhas do Transformador Elétrico

As medidas de proteção de aterramento do transformador são divididas em dois tipos: o primeiro é o aterramento do ponto neutro do transformador. Essa medida de proteção previne o deslocamento da tensão no ponto neutro causado pelo desequilíbrio de carga trifásica durante a operação do transformador, permitindo que os dispositivos de proteção disparem rapidamente e reduzam as correntes de curto-circuito. Isso é considerado aterramento funcional para o transformador. A segunda medida é o aterramento do núcleo e das presilhas do transformador.

Esta proteção previne o desenvolvimento de tensões induzidas nas superfícies do núcleo e das presilhas devido aos campos magnéticos internos durante a operação, o que poderia levar a falhas por descargas parciais. Isso é considerado aterramento protetivo para o transformador. Para garantir a operação segura e confiável do transformador, este artigo analisa e otimiza métodos de aterramento específicos para o núcleo e as presilhas do transformador.

1. Importância do Aterramento do Núcleo e das Presilhas

Os principais componentes internos de um transformador incluem: enrolamentos, núcleo e presilhas. Os enrolamentos formam o circuito elétrico do transformador, o núcleo constitui o circuito magnético, e as presilhas são principalmente usadas para fixar os enrolamentos e as lâminas de aço silício do núcleo. Durante a operação normal, os enrolamentos primário e secundário geram campos magnéticos quando a corrente flui através deles. Nesse ambiente magnético, tensões induzidas se desenvolvem nas superfícies do núcleo e das presilhas. 

Conforme a intensidade do campo magnético aumenta, o fluxo magnético cresce gradualmente, fazendo com que as tensões induzidas aumentem progressivamente. Devido à distribuição irregular do campo magnético, as tensões induzidas não uniformes criam diferenças de potencial, resultando em descargas contínuas nas superfícies do núcleo e das presilhas, levando a falhas internas no transformador. Esta tensão que causa falhas por descarga interna nos transformadores é chamada de "tensão flutuante". Portanto, durante a operação, o núcleo e as presilhas do transformador devem ser aterrados em um único ponto para reduzir e eliminar as tensões induzidas.

Ao aterrar o núcleo e as presilhas do transformador, apenas um ponto de aterramento é permitido para evitar correntes circulantes entre o núcleo e as presilhas. Se existirem dois ou mais pontos de aterramento, as diferenças de potencial causarão correntes circulantes entre o núcleo e as presilhas, levando a aumentos anormais de temperatura dentro do transformador. Isso danifica diretamente a isolamento sólido interno e acelera o envelhecimento do óleo de isolamento, afetando a vida útil normal do transformador.

2. Métodos de Aterramento do Núcleo e das Presilhas e Abordagens de Otimização

Nos designs atuais de transformadores na China, o aterramento do núcleo e das presilhas é principalmente alcançado conectando-os através de pequenos bushings ou parafusos isolados até o exterior do tanque do transformador antes de aterrarem. Este método de aterramento é dividido em dois métodos:

O primeiro método de aterramento (Figura 1) conecta o núcleo e as presilhas através de bushings ou parafusos isolados, então os curta-circuita juntos antes de aterrarem. Durante a operação normal do transformador, este método de aterramento exibe três caminhos de fluxo de corrente, rotulados I1, I2 e I3:

• I1: Núcleo → Terminal de aterramento → Terra

• I2: Presilhas → Terminal de aterramento → Terra

• I3: Núcleo → Terminal de aterramento → Terra → Presilhas

O segundo método de aterramento (Figura 2) roteia o núcleo e as presilhas através de bushings ou parafusos isolados para pontos de aterramento separados. Este método de aterramento também exibe três caminhos de fluxo de corrente durante a operação normal:

• I1: Núcleo → Ponto de aterramento do núcleo → Terra

• I2: Presilhas → Ponto de aterramento das presilhas → Terra

• I3: Núcleo → Ponto de aterramento do núcleo → Terra → Ponto de aterramento das presilhas → Presilhas

Dos dois métodos de aterramento mencionados acima, as correntes de aterramento induzidas I1 e I2 representam condições normais. No entanto, a corrente de aterramento induzida I3 difere significativamente:

No método de aterramento mostrado na Figura 1, a corrente induzida flui através do caminho: núcleo → terminal de aterramento → presilhas, criando uma "corrente circulante" entre o núcleo e as presilhas do transformador. Sob o efeito térmico desta corrente, a temperatura interna do transformador aumenta anormalmente. A alta temperatura causa diretamente a degradação do isolamento sólido e o envelhecimento do óleo de isolamento. Além disso, devido à influência da corrente circulante, os sistemas de monitoramento online não podem medir com precisão as correntes de aterramento do núcleo e das presilhas, levando a diagnósticos incorretos quando ocorrem falhas no equipamento. Portanto, o primeiro método de aterramento tem desvantagens significativas.

Em contraste, o método de aterramento mostrado na Figura 2 roteia a corrente induzida através de: núcleo → terra do núcleo → terra → terra das presilhas → presilhas. Como a corrente passa pela terra de alta resistência, nenhuma "corrente circulante" pode se formar entre o núcleo e as presilhas. Isso evita o aumento anormal de temperatura no transformador e permite que os sistemas de monitoramento online meçam com precisão as correntes de aterramento do núcleo e das presilhas (conforme DL/T 596-2021 Código de Testes Preventivos de Energia, a corrente de aterramento do núcleo não deve exceder 0,1 A e a corrente de aterramento das presilhas não deve exceder 0,3 A durante a operação do transformador). Isso fornece evidências confiáveis para determinar se existem falhas internas no transformador.

Para o transformador de potência sem regulação de tensão xx-223000/500, o núcleo e as presilhas são aterrados usando o método mostrado na Figura 1, o que apresenta várias questões operacionais:

(1) Durante a operação, forma-se facilmente uma "corrente circulante" entre o núcleo e as presilhas internas. O efeito térmico causa aumentos anormais de temperatura, acelerando a degradação do isolamento sólido e o envelhecimento do óleo de isolamento, reduzindo assim a vida útil do transformador.

(2) Devido à influência da "corrente circulante", os sistemas de monitoramento online não conseguem medir com precisão as correntes de aterramento do núcleo e das presilhas, tornando impossível fornecer evidências conclusivas para determinar falhas internas.

(3) As correntes de aterramento induzidas no núcleo e nas presilhas podem ser medidas continuamente e comparadas com as correntes de fuga monitoradas pelo sistema online para verificar a precisão do sistema de monitoramento.

(4) Durante a manutenção e reparo do transformador, ao medir a resistência de isolamento entre o núcleo/presilhas e o solo, os cabos de aterramento externos devem ser desconectados. Como este modelo de transformador usa parafusos de cobre M10 (isolados do solo) para conexões de núcleo e presilhas, que possuem excelente condutividade, mas baixa resistência mecânica e são propensos a quebras. Durante operações em campo, espaços confinados e forças desequilibradas podem causar facilmente fraturas nos parafusos de cobre. Considerando a estrutura interna compacta do transformador, resolver essa falha requer a remoção da tampa do tanque para substituição, afetando os ciclos normais de manutenção e a eficiência operacional.

Considerando esses quatro problemas, para garantir a detecção precisa das correntes de aterramento induzidas no núcleo e nas presilhas durante a operação, estender a vida útil do transformador, eliminar as "correntes circulantes" e evitar que as operações de manutenção causem danos que ampliem o escopo do reparo, recomenda-se otimizar o método de aterramento do núcleo e das presilhas do transformador da configuração da Figura 1 para a configuração da Figura 2.

3.Conclusão

Através de uma introdução detalhada dos componentes e funções internos do transformador, juntamente com uma análise científica das falhas de descarga ocorridas durante a operação, foram implementadas modificações nas partes defeituosas. Essa abordagem consegue estender a vida útil do equipamento, melhorar a segurança da rede elétrica e reduzir os custos de manutenção do equipamento.