Caracterização da Impedância de Sequência Zero de Transformador Seco de Aterramento com Conexão ZN

Em um sistema trifásico com isolamento neutro, um transformador de aterramento fornece um ponto neutro artificial, que pode ser solidamente aterrado ou aterrado via reatores/bobinas de supressão de arco. A conexão ZNyn11 é típica, onde as forças eletromotriz de sequência zero nas meias-bobinas internas/externas da mesma coluna do núcleo se cancelam, equilibrando as correntes de falha nas bobinas em série e minimizando o fluxo de fuga de sequência zero/impedância.

A impedância de sequência zero é crucial: determina a magnitude da corrente de falha e a distribuição de tensão fase-terra nos sistemas aterrados por impedância.

1. Características do Transformador de Aterramento Conectado ZN

Embora os transformadores conectados YNd11 possam ser usados, a ZNyn11 é preferida (Fig. 1). Principais diferenças:

• YNd11 depende das correntes circulantes no delta para equilíbrio, reduzindo a capacidade de saída.

• ZNyn11 usa acoplamento magnético em série para equilíbrio de corrente de falha sem perda de capacidade, resultando em maior adoção.

Durante falhas monofásicas à terra, a seleção de uma impedância de aterramento apropriada limita as correntes de curto-circuito de fase dentro da corrente de fase nominal do transformador principal.

2. Análise de Impedância de Sequência Zero de Transformadores de Aterramento Conectados ZN

Os principais parâmetros técnicos do modelo de análise do transformador de aterramento são mostrados na Tabela 1, com a tolerância de desvio da impedância de sequência zero exigida dentro de ±7,5%.

2.1 Cálculo de Impedância de Sequência Zero via Fórmula Empírica Tradicional

Como mostrado na Figura 2 (arranjo de bobina do transformador de aterramento), a impedância de sequência zero é definida como a razão entre a queda de tensão em uma fase e a corrente de falha quando a corrente de falha flui simultaneamente por todas as três fases. Para o cálculo, X₀ segue o princípio de impedância dos transformadores de potência de dupla bobina comuns (Equação 1).

Na fórmula, W representa o número de voltas da bobina. Para uma bobina com conexão ZN, W é o número de voltas da meia-bobina; ∑aR denota a área equivalente de fluxo de fuga. Para uma bobina com conexão ZN, é a área equivalente de fluxo de fuga das duas meias-bobinas; ρ é o coeficiente de Rogowski; H é a altura de reatância da bobina.

Substituindo os dados da Tabela 1 na Equação (1), a impedância de sequência zero calculada é 70,6 Ω.

2.2 Análise de Impedância de Sequência Zero via Software Eletromagnético

O software eletromagnético Magnet da Infolytica foi empregado para a análise do campo magnético. Um modelo 3D simplificado foi estabelecido com base nas características estruturais do produto, conforme mostrado na Figura 3. O software utiliza um algoritmo de resolução de grupo de potenciais T-Ω com elementos laminados usando polinômios de interpolação de 1ª a 3ª ordem.

A análise por elementos finitos (FEA) é um método de cálculo numérico baseado no princípio variacional e na interpolação de malha. Primeiro, transforma o problema de valor de contorno em um problema variacional correspondente (ou seja, um problema extremo de uma funcional), então discretiza o problema variacional em um problema extremo de uma função multivariável comum através da interpolação de malha, finalmente reduzindo-o a um conjunto de equações algébricas multivariáveis para resolver a solução numérica. Durante a análise, as divisões de malha foram definidas como: ar 80, núcleo de ferro 30 e bobinas 15. O diagrama de malha do produto é detalhado na Figura 4.

Nos algoritmos de elementos finitos, a ordem polinomial está correlacionada com a precisão das funções de forma do domínio de campo - ordens mais altas caracterizam melhor as propriedades do campo. Para este modelo, foi adotado um polinômio de 2ª ordem, com um máximo de 20 iterações, erro de iteração de 0,5% e erro de gradiente conjugado de 0,01%.

Para testar a impedância de sequência zero do transformador de aterramento pelo método de acoplamento campo-circuito: aplique a corrente nominal de alta tensão (27,59 A pico para o software) no ponto neutro, mantenha o lado de baixa tensão em circuito aberto e meça a tensão.

2.3 Medição de Impedância de Sequência Zero

A impedância de sequência zero é medida entre os terminais de linha e o terminal neutro do transformador de aterramento na frequência nominal (como mostrado na Figura 5), expressa em ohms por fase. Seu valor é calculado como 3U/I (onde U é a tensão de teste e I é a corrente de teste). Durante a medição, uma corrente nominal de 19,5 A é aplicada aos terminais de linha, e a tensão entre os terminais de linha e o ponto neutro é medida como 443,3 V. A impedância de sequência zero calculada é 68,2 Ω.

2.4 Análise Comparativa dos Valores Calculados, Simulados e Medidos

Os principais parâmetros de desempenho são comparados na Tabela 2. Os resultados mostram que tanto a impedância de sequência zero calculada quanto a simulada do transformador de aterramento estão próximas ao valor medido, com desvios de 3,5% e 0,88%, respectivamente. Os resultados da simulação do software eletromagnético estão mais próximos dos valores medidos. Os resultados da análise do campo magnético ajudam a entender claramente as características de distribuição do campo magnético do produto nesta condição de trabalho, o que pode ser usado para otimizar o projeto eletromagnético e estrutural do produto com base nas características de distribuição do campo magnético.

Os resultados da simulação do campo magnético obtidos pelo software eletromagnético estão mais alinhados com os valores medidos. Com a ajuda dos resultados da análise do campo magnético, as características de distribuição do campo magnético do produto nesta condição de trabalho podem ser compreendidas de maneira mais clara, permitindo assim o desenvolvimento direcionado do projeto eletromagnético e estrutural do produto.

3. Conclusão

A impedância de sequência zero é um parâmetro-chave dos transformadores de aterramento, com requisitos rigorosos de desvio pelos usuários. Ao calcular com fórmulas empíricas tradicionais em engenharia, é necessário corrigir os coeficientes empíricos, o que depende muito da experiência dos projetistas e dificilmente garante a precisão.

Para melhorar a precisão, este artigo utiliza software de simulação para análise do campo magnético, compara com os resultados das fórmulas empíricas e verifica através de testes. Os resultados da simulação são precisos e podem atender às necessidades de engenharia.