Sobretensão por Raio no Ponto Neutro do Transformador de 110 kV: Simulação ATP & Soluções de Proteção

Existe uma vasta literatura sobre a análise de sobretensões no ponto neutro dos transformadores em condições de surto de raio. No entanto, devido à complexidade e aleatoriedade das ondas de raio, uma descrição teórica precisa permanece elusiva. Na prática de engenharia, as medidas de proteção são geralmente determinadas com base nos códigos do sistema de energia, selecionando dispositivos de proteção contra raios apropriados, com abundante documentação de suporte disponível.

Linhas de transmissão ou subestações são suscetíveis a descargas atmosféricas. Surto de raio pode se propagar ao longo das linhas de transmissão para subestações ou atingir diretamente o equipamento da subestação, induzindo sobretensão no ponto neutro do transformador, o que representa uma ameaça à isolamento do ponto neutro. Portanto, estudar as características da sobretensão do ponto neutro em condições de raio e avaliar a eficácia limitadora de tensão dos dispositivos de proteção tem significado prático [1]. Este artigo apresenta um estudo de simulação usando o Programa Alternativo de Transientes (ATP), a versão mais amplamente utilizada do Programa de Transientes Eletromagnéticos (EMTP), com base na configuração de uma subestação específica de 110 kV. Combinando a teoria de sobretensão de raio com as características de isolamento dos pontos neutros de transformadores de 110 kV, o artigo simula sobretensões no ponto neutro sob várias condições de onda de raio. Os resultados da simulação são analisados comparativamente, e medidas para mitigar a sobretensão no ponto neutro são propostas.

1. Análise Teórica

1.1 Descarga Atmosférica em Linhas de Transmissão

Quando uma linha aérea de transmissão é atingida por raio, uma onda viajante se propaga ao longo do condutor [1]. Dentro das subestações, inúmeras linhas de conexão curta (por exemplo, ligações de transformadores a barras ou pararraios) se comportam de maneira semelhante às linhas de transmissão sob o impulso de raio de duração extremamente curta. Essas linhas exibem processos de propagação, reflexão e refração de ondas rápidas, frequentemente gerando sobretensões transitórias com amplitudes de pico muito altas que podem danificar o equipamento.

1.2 Análise de Parâmetros de Enrolamentos de Transformador Conectados em Y sob Surto de Raio

Os enrolamentos de transformador trifásico geralmente são conectados em configurações Y, Yo ou Δ. Durante a operação, surtos de raio podem entrar através de uma, duas ou até três fases [1]. Este artigo se concentra em enrolamentos conectados em Y, pois apenas essas configurações têm um ponto neutro acessível. Quando um transformador está conectado em Yo e o acoplamento mútuo entre as fases é negligenciado, independentemente de uma, duas ou três fases serem atingidas, o sistema pode ser analisado como três enrolamentos independentes com terminais aterrados.

2. Condição de Isolamento dos Pontos Neutros de Transformadores de 110 kV

Pontos neutros de transformadores de 110 kV empregam isolamento gradativo, categorizado em níveis de 35 kV, 44 kV ou 60 kV. Atualmente, os fabricantes produzem principalmente transformadores com isolamento de ponto neutro de 60 kV. Diferentes níveis de isolamento têm capacidades de resistência dielétrica variadas, conforme mostrado na Tabela 1. Considerando as condições práticas, envelhecimento do isolamento e margens de segurança para tensão de frequência de rede, fatores de correção são aplicados. Um fator de margem de resistência a impulso de raio de 0,6 e um fator de margem de resistência a frequência de rede de 0,85 são adotados [1], levando aos valores de resistência de referência na Tabela 1.

Tabela 1 Níveis de Resistência de Isolamento / Valores de Resistência de Referência para Pontos Neutros

3. Simulação e Cálculo

Considere uma subestação de 110 kV com dois transformadores (Y/Δ) operando em paralelo, duas linhas de entrada de 110 kV e quatro linhas de saída de 35 kV. O diagrama unifilar é mostrado na Figura 1. Para limitar as correntes de falha de aterramento monofásico e reduzir interferências de comunicação, geralmente apenas um transformador tem seu ponto neutro aterrado, enquanto o outro permanece sem aterramento. Sob condições de surto de raios, pode ser induzida uma sobretensão muito alta no ponto neutro do transformador não aterrado, ameaçando sua isolamento. As seções a seguir apresentam análises de simulação usando o programa ATP em vários cenários.

Figura 1 Diagrama Unifilar da Subestação de 110 kV

3.1 Propagação de Surtos de Raios das Linhas de Transmissão para a Subestação

3.1.1 Seleção de Parâmetros de Onda de Raio

A causa principal de sobretensão nas subestações são os surtos de raios que se propagam das linhas de transmissão. A amplitude máxima de tensão na linha não pode exceder o nível de resistência U50% da cadeia de isoladores da linha; caso contrário, ocorrerá flashover na linha antes que o surto entre na subestação. Como a primeira 1–2 km da linha de entrada geralmente está protegida contra descargas diretas de raios, as ondas de raio que entram na subestação provêm principalmente de descargas além desta seção protegida. Para descargas fora da subestação, a magnitude da corrente de raio que entra na subestação via linhas ≤220 kV é geralmente ≤5 kA, e ≤10 kA para linhas de 330–500 kV, com uma inclinação significativamente reduzida [15,17]. Com base nessas condições, a onda de raio é modelada usando uma função dupla-exponencial típica:
u(t) = k(e⁻ᵃᵗ - e⁻ᵇᵗ),
onde a e b são constantes negativas, e k, a, b são determinados pela amplitude do surto, tempo de frente e tempo de cauda. Aqui, usa-se uma corrente de pico de 5 kA e uma onda exponencial padrão de 20/50 μs.

3.1.2 Configuração de Parâmetros de Equipamentos da Subestação

Os surtos de raios contêm harmônicos de frequência muito alta; portanto, os parâmetros de linha da subestação são modelados como parâmetros distribuídos. Os interruptores, disjuntores, transformadores de corrente (TCs) e transformadores de tensão (TTs) dentro da subestação são representados por capacitâncias equivalentes em paralelo. A capacitância de entrada equivalente do transformador é dada por Cₜ = kS⁰·⁵, onde S é a capacidade do transformador trifásico. Para níveis de tensão ≤220 kV, n=3, e para transformadores de 110 kV, k=540. O para-raios de barra é selecionado como YH1OWx-108/290, e o para-raios de ponto neutro como YH1.5W-72/186.

3.1.3 Cálculo e Análise

A sobretensão gerada no ponto neutro difere dependendo se ele está localmente aterrado ou não aterrado. São realizadas simulações para três cenários: surto monofásico de circuito único, surto bifásico de circuito único e surto monofásico de circuito duplo, considerando tanto com quanto sem para-raios de ponto neutro. Os resultados são mostrados na Tabela 2.

Tabela 2 Sobretensão Máxima sob Condições de Ponto Neutro Localmente Aterrado / Não Aterrado

3.1.4 Análise dos Resultados

A partir da Tabela 2, em sistemas onde o neutro do transformador é aterrado localmente, o para-raios da barra de distribuição limita efetivamente a sobretensão, portanto, o ponto neutro do transformador não aterrado não experimenta alta sobretensão, e o para-raios do ponto neutro geralmente não opera. Em sistemas onde o ponto neutro está localmente não aterrado, a sobretensão no ponto neutro é muito alta. Sem um para-raios, isso representa uma ameaça severa à isolamento (a tensão de impulso de raio suportada por um transformador de 110 kV com isolamento graduado, considerando margem de segurança, é de 195 kV). A instalação de um para-raios no ponto neutro reduz significativamente a sobretensão de pico. Portanto, os surtos de raio propagados das linhas não ameaçam o isolamento de um ponto neutro equipado com para-raios.

3.2 Descarga Direta de Raio na Subestação

Embora as subestações geralmente tenham proteção contra raios abrangente, descargas diretas de raios, embora raras devido à complexidade e aleatoriedade dos raios, ainda podem ocorrer [2] e causar danos ao equipamento. Portanto, é necessário estudar a sobretensão no ponto neutro causada por descargas diretas e as medidas de proteção correspondentes.

3.2.1 Seleção de Parâmetros de Raio e Subestação

Os parâmetros da subestação permanecem os mesmos previamente definidos. Os cálculos são realizados usando parâmetros padrão de raio (1,2/50 μs) com amplitudes de 50, 100, 200 e 250 kA. A impedância de onda do canal de raio é considerada 400 Ω.

3.2.2 Cálculo e Análise

Os resultados para a descarga direta de raio em uma barra monofásica (descargas bifásicas são raras) sob condições de neutro aterrado localmente e neutro não aterrado estão mostrados na Tabela 3 (I e II representam casos sem e com para-raios no ponto neutro, respectivamente).

Tabela 3 Sobretensão de Pico sob Condições de Neutro Localmente Aterrado / Não Aterrado (Descarga Direta)

3.2.3 Análise dos Resultados

Como mostrado na Tabela 3, com o aumento da amplitude da corrente de raio, o pico de sobretensão no ponto neutro aumenta significativamente e as oscilações se tornam mais pronunciadas. Mesmo com um para-raios, a tensão residual através do para-raios aumenta. Em subestações com neutros localmente não aterrados, a sobretensão no ponto neutro devido a raios é particularmente grave. Mesmo com um para-raios, a sobretensão permanece alta. Por exemplo, um raio direto de 250 kA gera uma sobretensão no ponto neutro de 224,1 kV. Neste caso, mesmo que o para-raios do ponto neutro opere, o transformador ainda pode ser danificado.

3.2.4 Discussão das Medidas de Melhoria

(1) Instale um para-raios no terminal do transformador (por exemplo, adicione YH10Wx-108/290 para transformadores não aterrados) para limitar a sobretensão de surto de raio.
(2) Aumente a capacidade de descarga de corrente do para-raios do ponto neutro. O para-raios existente tem uma capacidade de descarga de 1,5 kA com uma tensão residual de 186 kV. Propõe-se aumentar essa capacidade para 15 kA.

Re-simulações para o raio direto na barra em um sistema de neutro localmente não aterrado foram realizadas, e os resultados estão mostrados na Tabela 4.

Tabela 4 Pico de Sobretensão no Ponto Neutro com Para-raios (Medidas Melhoradas)

Comparando as Tabelas 3 e 4, a instalação de um para-raios no terminal do transformador é ineficaz na redução da sobretensão por raio no ponto neutro. No entanto, aumentar a capacidade de descarga do para-raios melhora significativamente a limitação da sobretensão. Portanto, este método é recomendado. Os fabricantes de para-raios são aconselhados a se concentrar em melhorias tecnológicas para aumentar a capacidade de corrente de descarga.

4. Conclusão

a) A instalação de para-raios tanto na barra como no ponto neutro do transformador limita efetivamente a sobretensão no ponto neutro causada por surtos de raio que se propagam das linhas de transmissão.
b) Quando uma subestação sofre um raio direto, pode ocorrer uma alta sobretensão no ponto neutro de um transformador não aterrado. Este efeito é mais pronunciado em sistemas com neutros parcialmente aterrados, e, sob os esquemas de proteção contra sobretensão existentes, o isolamento do ponto neutro ainda pode ser danificado.
c) A instalação de um para-raios no terminal do transformador não tem efeito significativo na limitação da sobretensão no ponto neutro; aumentar a capacidade de corrente de descarga do para-raios no ponto neutro é um método eficaz para a limitação da sobretensão.