Discussão sobre o Projeto de Transformadores de Aterramento com Baixa Impedância de Sequência Zero

Com o crescimento da escala do sistema de energia e o processo de cablificação das redes urbanas, a corrente capacitiva nas redes de energia de 6kV/10kV/35kV aumentou significativamente (geralmente ultrapassando 10A). Como as redes de energia neste nível de tensão geralmente adotam o modo de operação com neutro isolado, e o lado de distribuição de tensão dos transformadores principais é geralmente em conexão delta, sem um ponto de aterramento natural, o arco durante falhas de terra não pode ser extinto confiavelmente, necessitando a introdução de transformadores de aterramento. Os transformadores de aterramento tipo Z tornaram-se o mainstream devido à sua baixa impedância de sequência zero, mas alguns sistemas requerem uma impedância de sequência zero ainda menor. Quanto menor o valor da impedância, maior a desvio, o que exige medidas direcionadas no projeto de transformadores de aterramento de baixa impedância de sequência zero.

1. Método de Cálculo da Impedância de Sequência Zero para Transformador de Aterramento Tipo Z
1.1 Estrutura Topológica

O enrolamento de alta tensão do transformador de aterramento tipo Z adota uma conexão em zigue-zague. Cada enrolamento por fase é dividido em metades superiores e inferiores (como mostrado na Figura 1), que são respectivamente enrolados em diferentes colunas do núcleo de ferro. As duas metades do mesmo enrolamento de fase são conectadas em série com polaridade inversa, formando uma estrutura especial de acoplamento eletromagnético.

A impedância de sequência zero é calculada conforme mostrado na equação (1).

Na fórmula, X0 é a impedância de sequência zero, W é o número de espiras de um enrolamento (ou seja, uma meia-volta), ΣaR é a área de vazamento magnético equivalente, ρ é o coeficiente de Lorenz, e H é a altura reativa do enrolamento.

2 Análise do Desvio da Impedância de Sequência Zero

De acordo com a norma IEC 60076 - 1, o desvio da impedância de sequência zero de um transformador de aterramento é considerado qualificado se estiver dentro da faixa de ±10%. Através da análise dos resultados de testes de centenas de transformadores de aterramento (incluindo os tipos a óleo e secos) produzidos pela empresa nos últimos anos, e comparando as diferenças entre os valores medidos e projetados da impedância de sequência zero, as diferenças podem ser divididas aproximadamente nas seguintes três categorias:

• O valor medido está próximo ao valor projetado: A diferença está dentro da faixa de desvio. Este tipo representa a maior proporção, e a maioria dos produtos é qualificada.

• O valor medido é menor que o valor projetado: O desvio ultrapassa o valor dado. No entanto, como os usuários geralmente especificam apenas o limite superior da impedância e não há requisito de limite inferior, ainda é qualificado, mas a proporção de ocorrência é extremamente pequena.

• O valor medido é maior que o valor projetado: Ultrapassa seriamente os requisitos do cliente e é julgado não qualificado. Da mesma forma, também é uma situação muito rara.

Devido aos diferentes requisitos de impedância de sequência zero por parte de diferentes usuários, existem vários tipos de transformadores de aterramento. Entre eles, a classe de 35kV tem a maior proporção, seguida pela classe de 10kV. Geralmente, para transformadores de aterramento de 35kV, a impedância de sequência zero é geralmente exigida que seja ≤ 120Ω; para a classe de 10kV, é geralmente exigida que seja ≤ 15Ω. Alguns usuários têm requisitos menores, e alguns não fazem requisitos claros.

3 Análise de Dados

Considerando de forma abrangente os resultados de testes de múltiplos transformadores de aterramento, a causa raiz do grande desvio da impedância de sequência zero reside no fato de que o valor exigido pelo usuário se desvia muito do valor convencional de impedância. Tanto valores muito grandes quanto muito pequenos trarão grandes desafios para a produção e fabricação. Pode-se ver na Fórmula (1) que a impedância de sequência zero tem uma relação quadrática com o número de espiras, que é o fator mais crítico afetando a impedância de sequência zero: quanto maior o número de espiras, maior a quantidade de fio utilizado; quanto menor o número de espiras, maior a quantidade de núcleo de ferro utilizada. Seja a impedância de sequência zero muito grande ou muito pequena, isso aumentará significativamente o custo de produção.

3.1 Análise de Caso

Tomemos como exemplo duas remessas de transformadores de aterramento de 10kV de pequena capacidade:

• Transformador de aterramento a óleo: Modelo DKS11 - 125/10.5, sem enrolamento secundário. O usuário exige que a impedância de sequência zero seja < 4&Omega;. De acordo com o método de cálculo anterior, após considerar o desvio de fabricação e reservar uma margem, o valor projetado é definido como 2.2&Omega;. No entanto, sob o mesmo processo de produção, o resultado da medição de teste ultrapassa seriamente o padrão, sendo 3,5 vezes o valor projetado; para a primeira remessa de 7 produtos, a impedância de sequência zero está na faixa de 7&Omega; - 8&Omega;.

• Transformador de aterramento seco: Modelo DKSC11 - 125/10.5, o valor projetado da impedância de sequência zero é 2.25&Omega;, e o resultado do teste do produto final é 6.8&Omega;, ultrapassando o padrão por cerca de 3 vezes. É enviado da fábrica apenas após negociação e permissão do usuário.

Por comparação, o desvio do tipo a óleo é ligeiramente maior que o do tipo seco. A razão é que, ao projetar para uma impedância de sequência zero muito baixa, o número de espiras é pequeno, o tamanho radial do enrolamento é pequeno, e a altura é relativamente alta, tornando difícil controlar o valor de sequência zero. Quando o valor base é pequeno, o controle inadequado do tamanho leva facilmente à amplificação do desvio; enquanto o enrolamento seco é moldado com resina, e a dimensão externa é mais fácil de controlar com a ajuda de um molde, então o desvio é relativamente menor.

Os dados de produção real mostram que o método de cálculo existente não é aplicável ao transformador de aterramento de baixa impedância de sequência zero. Combinado com os dados estatísticos de produtos anteriores, especula-se que um coeficiente de correção deve ser introduzido, e diferentes valores de sequência zero correspondem a diferentes coeficientes de correção: à medida que o valor de sequência zero aumenta, o coeficiente diminui de forma não linear; quando o valor de sequência zero atinge cerca de 10&Omega;, o coeficiente se aproxima de 1.0; após ultrapassar 10&Omega;, afetado pelas pequenas diferenças no processo de produção, o coeficiente muda pouco (há casos ocasionais em que é menor que 1.0, e o desvio geral é baixo), e a forma de expressão é aproximadamente uma função de proporcionalidade inversa no primeiro quadrante (ver Figura 2).

Deve-se notar que a análise acima é aplicável apenas a produtos de 10kV. Para produtos acima de 10kV, já que não há um requisito tão rigoroso para baixa impedância de sequência zero, o fenômeno de desvio excessivo da impedância de sequência zero não foi encontrado até o momento.

4 Soluções

Para abordar o problema de impedância de sequência zero medida excessivamente alta em transformadores de aterramento de baixa impedância de sequência zero, as seguintes medidas de otimização são propostas com base na coleta e análise de dados:

4.1 Estratégia de Otimização de Projeto

Quando os usuários exigem um valor de impedância de sequência zero extremamente baixo, a precisão das dimensões do enrolamento é difícil de garantir, amplificando facilmente os desvios de medição. Para produtos com uma impedância de sequência zero exigida <5&Omega;, uma margem de design de 2 a 5 vezes deve ser reservada. Quanto menor o valor da impedância, maior a margem necessária para garantir que os valores medidos atendam aos requisitos.

4.2 Pontos de Controle de Fabricação

O processo de produção desempenha um papel decisivo na garantia da precisão do desempenho do produto:

• Controle de Precisão do Molde: Fabricar moldes de enrolamento estritamente de acordo com as especificações de projeto, garantindo que as tolerâncias dimensionais sejam atendidas.

• Gestão de Dimensões do Enrolamento:

• Controlar precisamente as dimensões radiais e axiais dos enrolamentos, pois esses parâmetros afetam diretamente a impedância de sequência zero após o número de espiras ser determinado. Todas as dimensões devem estar de acordo com as tolerâncias do desenho.

• Para produtos de baixa impedância que usam fios esmaltados de pequena seção, o isolamento interlaminar deve ser colocado uniformemente, e os enrolamentos devem ser apertados.

• Processos Especiais para Produtos Secos:

• Para estruturas de resina moldada, usar moldes internos e externos para controlar precisamente as dimensões do diâmetro. A espessura do tecido de malha colocada antes do enrolamento deve ser ligeiramente menor (não maior) que especificado.

• As dimensões axiais dos enrolamentos segmentados são controladas pelo isolamento intersegmento. Ajustar e fixar a altura e o espaçamento de cada segmento para evitar o colapso durante a moldagem.

4.3 Recomendações de Acordo Técnico

• Priorizar a especificação de uma impedância de sequência zero &ge;5&Omega; nos acordos.

• Se os usuários insistirem em <5&Omega;, comunicar claramente as dificuldades de fabricação com antecedência e estabelecer um mecanismo de consulta para evitar riscos de entrega.

5 Conclusão

Para transformadores de aterramento de baixa impedância de sequência zero, existem desvios significativos entre os valores de projeto calculados por fórmulas gerais e as medições reais. Recomenda-se avaliar a viabilidade de fabricação na etapa de encomenda, introduzir fatores de correção no projeto e reservar margens de produção suficientes para melhorar a consistência do produto e a confiabilidade da entrega.