Análise de Caso sobre o Malfuncionamento do Relé de Proteção por Sobrecorrente do Transformador de Aterramento

O modo de aterramento neutro refere-se à conexão entre o ponto neutro do sistema de energia e o solo. Nos sistemas de 35 kV e abaixo na China, os métodos comuns incluem aterramento neutro não aterrado, aterramento por bobina de extinção de arco e aterramento por pequena resistência. O modo não aterrado é amplamente utilizado, pois permite a operação de curto prazo durante falhas de aterramento monofásico, enquanto o aterramento por pequena resistência se tornou o principal por sua rápida remoção de falhas e limitação de sobretensão. Muitas subestações instalaram transformadores de aterramento para reformar o aterramento neutro, mas as características de falha alteradas afetam a proteção por relé, arriscando mau funcionamento ou recusa.

Este artigo introduz os princípios e características dos transformadores de aterramento, expõe a configuração/configuração de proteção atual em sistemas de pequena resistência, analisa as causas de mau funcionamento e utiliza um caso de aterramento monofásico para dissecar as ações de proteção e as raízes da falha. Fornece referências para o tratamento/prevenção de falhas, aprofunda a compreensão do pessoal de manutenção, aumenta a eficiência de solução de problemas e elimina perigos potenciais.

Princípio de Funcionamento do Transformador de Aterramento

Durante a transformação de uma subestação com sistema de delta conectado, neutro não aterrado, em um sistema de aterramento por pequena resistência, para introduzir um ponto neutro, a prática mais comum é adicionar um transformador de aterramento na barra. Atualmente, geralmente é selecionado um transformador de aterramento tipo Z para introduzir o ponto de aterramento. Em seguida, será analisado o princípio de funcionamento do transformador de aterramento tipo Z.

O transformador de aterramento tipo Z é estruturalmente semelhante a um transformador de energia comum. No entanto, a bobina em cada núcleo de fase é dividida em duas partes com o mesmo número de espiras, superior e inferior, que são conectadas em forma de zigue-zague. Seu método de ligação é mostrado na Figura 1.

Quando ocorre um curto-circuito a terra, a corrente de sequência zero flui através do ponto neutro. A ligação em zigue-zague do transformador de aterramento tipo Z faz com que as correntes de sequência zero superiores e inferiores se oponham, cancelando fluxos magnéticos e minimizando a impedância de sequência zero para evitar sobretensão excessiva de arco-aterramento. Para correntes de sequência positiva/negativa, suas propriedades eletromagnéticas semelhantes às de um transformador convencional criam alta impedância, restringindo seu fluxo.

Em operação normal, o transformador de aterramento opera próximo ao vazio (sem carga secundária). Durante uma falha a terra, as correntes de falha de sequência positiva, negativa e zero passam por ele. Devido à "alta impedância de sequência positiva/negativa, baixa impedância de sequência zero", o dispositivo de proteção mede principalmente a corrente de sequência zero da rede.

2 Configuração e Análise da Proteção de Corrente para Transformadores de Aterramento

A proteção de corrente do transformador de aterramento geralmente usa proteção de corrente fase-a-fase e de sequência zero. Aqui está a divisão:

2.1 Configuração da Proteção de Corrente Fase-a-Fase
2.1.1 Princípios de Configuração

Esta proteção inclui disparo instantâneo e proteção contra sobrecorrente:

• Disparo Instantâneo: Coordenar com a proteção de sobrecorrente de backup do transformador de alimentação no mesmo lado. Garantir sensibilidade durante curtos-circuitos bifásicos (modo de operação mínimo) e evitar correntes de inrush (7-10 vezes a corrente nominal do transformador de aterramento) e correntes de falha do lado de baixa tensão.

• Proteção Contra Sobrecorrente: Configurar para evitar a corrente nominal do transformador de aterramento e a corrente de fase máxima de falha externa monofásica, garantindo confiabilidade.

• Lógica de Operação: O disparo instantâneo atua imediatamente (sem atraso); a proteção contra sobrecorrente (backup para curtos-circuitos fase-a-fase) tem um atraso curto e configurações menores para coordenação escalonada.

2.1.2 Modos de Disparo

Com base na conexão do transformador de aterramento ao transformador de alimentação:

• Conectado à barra de baixa tensão: disparo instantâneo/proteção contra sobrecorrente dispara o disjuntor do mesmo lado para isolar rapidamente as falhas.

• Conectado ao condutor de baixa tensão: proteção dispara todos os disjuntores laterais para cortar o caminho de falha e evitar escalonamento.

2.2 Configuração da Proteção de Corrente de Sequência Zero para Transformadores de Aterramento
2.2.1 Princípios de Configuração

• O valor de configuração de corrente deve garantir sensibilidade suficiente quando ocorre uma falha de fases a terra.

• Cooperar com o valor de configuração da proteção de longo atraso para a sensibilidade total da linha da proteção de corrente de sequência zero inferior.

• Para o primeiro limite de tempo da corrente de sequência zero, deve-se considerar evitar a ocorrência sucessiva de falhas de fases a terra em duas linhas.

• O tempo de operação deve ser maior que o tempo de operação máximo da Seção II da corrente de sequência zero de cada componente conectado à barra.

Como a proteção de corrente de sequência zero do transformador de aterramento não serve como proteção principal, há três limites de tempo, que são mostrados a seguir:

Na fórmula: t0¹, t0², t0³ são os 1º, 2º e 3º limites de tempo da proteção de corrente de sequência zero do transformador de aterramento, respectivamente; t_0I' é o valor de configuração de tempo da Seção I da corrente de sequência zero da linha de saída; t_0II' é o valor de configuração de tempo mais longo da Seção II da proteção de corrente de sequência zero de todos os equipamentos na barra, exceto o transformador de aterramento; Δt é configurado como 0,2-0,5 s.

2.2.2 Modos de Disparo

• Quando o transformador de aterramento está conectado à barra correspondente da subestação, a proteção de corrente de sequência zero opera: o 1º limite de tempo dispara o disjuntor de ligação de barra ou disjuntor de seção e bloqueia o dispositivo de entrada automática de alimentação reserva (referido como "entrada automática de reserva" para abreviar); o 2º limite de tempo dispara os disjuntores do mesmo lado do transformador de aterramento e do transformador de alimentação.

• Quando o transformador de aterramento está conectado ao condutor correspondente do transformador de alimentação, a proteção de corrente de sequência zero opera: o 1º limite de tempo dispara o disjuntor de ligação de barra ou disjuntor de seção e bloqueia a entrada automática de reserva; o 2º limite de tempo dispara o disjuntor do mesmo lado do transformador de alimentação; o 3º limite de tempo dispara os disjuntores de todos os lados do transformador de alimentação.

2.3 Análise da Operação da Proteção de Corrente para Transformadores de Aterramento

A análise da configuração de proteção do transformador de aterramento mostra diferenças significativas nos modos de disparo entre a proteção de corrente fase-a-fase e a proteção de corrente de sequência zero: a proteção de sequência zero bloqueia a entrada automática de reserva durante a operação, enquanto a proteção fase-a-fase não bloqueia.

Se a corrente de sequência zero medida pelo dispositivo de proteção atinge o valor de operação e ocorre uma falha a terra (com o transformador de aterramento sendo o único caminho de corrente de sequência zero em um sistema de aterramento por pequena resistência), o dispositivo detecta a falha, mas não consegue localizá-la. Se a falha estiver na linha de saída, após a proteção disparar o transformador de aterramento, a entrada automática de reserva muda para a barra de reserva. Se a barra de reserva recolocar a linha com falha, o transformador de aterramento nela ainda detecta a corrente de sequência zero, acionando outro disparo. Como a entrada automática de reserva não terminou de carregar, a faixa de interrupção pode se expandir. Portanto, a proteção de sequência zero deve bloquear a entrada automática de reserva.

Quando a proteção fase-a-fase atua (mas a proteção de sequência zero não), o dispositivo julga um curto-circuito bifásico no próprio transformador de aterramento. Ele dispara o transformador de aterramento, dispara paralelamente o disjuntor do mesmo lado do transformador de alimentação, e a entrada automática de reserva muda para a barra de reserva. Como a falha está no transformador de aterramento disparado, a barra de reserva reconecta à linha normal, restaurando o fornecimento de energia.

Em resumo, a proteção de corrente fase-a-fase e de sequência zero dos transformadores de aterramento diferem muito no julgamento da causa e localização da falha, exigindo configurações e configurações distintas. No entanto, durante um curto-circuito a terra, a proteção fase-a-fase pode operar incorretamente devido aos componentes de sequência zero medidos. Dada a lógica diferente de entrada automática de reserva, a operação incorreta pode expandir a faixa de falha ou até mesmo causar um apagão total da subestação.

3 Análise de Caso
3.1 Processo de Falha

O diagrama de ligação primário de uma subestação de 110 kV é mostrado na Figura 2. Antes da falha, o disjuntor 018 de baixa tensão do Transformador 1 estava fechado, o disjuntor 032 de baixa tensão do Transformador 2 estava fechado, e o disjuntor 034 estava na posição de teste.

Às 06:14 de 30 de julho de 2023, a proteção de sobrecorrente da Seção I do transformador de aterramento nº 2 foi ativada, disparando o disjuntor 022 do transformador de aterramento nº 2. Ao mesmo tempo, ela acionou o corte do disjuntor 032 de baixa tensão do Transformador 2, causando a perda de energia nas barras II e III de 10 kV. O dispositivo de alimentação automática de reserva (auto-standby) operou para fechar o disjuntor de ligação de barra 020 de 10 kV Seção I/II.

Às 06:36, a proteção de sobrecorrente da Seção I do transformador de aterramento nº 1 foi ativada, disparando o disjuntor 015 do transformador de aterramento nº 1 e acionando o corte do disjuntor 018 de baixa tensão do Transformador 1, levando à perda de energia em todas as barras de 10 kV Seções I, II e III. O dispositivo de auto-standby então fechou o disjuntor 032 de baixa tensão do Transformador 2 e o disjuntor 022 do transformador de aterramento nº 2. No entanto, a falha persistiu, acionando novamente a proteção de sobrecorrente da Seção I do transformador de aterramento nº 2. O disjuntor 022 disparou e acionou o corte do disjuntor 032, causando finalmente um apagão completo no sistema de 10 kV da subestação.

3.2 Resultados da Inspeção de Equipamentos no Local
Achados da inspeção de equipamentos primários:

• Corpo do transformador de aterramento: Não foram encontradas anomalias nos transformadores de aterramento nº 1 e nº 2, sem vestígios óbvios de falha nas bobinas ou núcleos.

• Intervalo PT da barra de 10 kV Seção III (armário de interruptores 040):

• Manchas de água evidentes na tampa superior do armário de interruptores, indicando infiltração de água da chuva.

• Ablação severa na posição C da barreira de obturador da câmara de carrinho, com dois orifícios na obturador superior.

• A caixa de contato superior C e o contato estático foram queimados e danificados, com água líquida acumulada dentro da caixa.

• Marcas de queima de arco nos contatos móveis superior/inferior C do carrinho do para-raios, molas aneladas e cilindros de isolamento do braço de contato danificados.

• A manga de isolamento externa da barra C na câmara de barra foi queimada e rachada. Foi observada a penetração de manchas de água na área C da placa traseira da câmara de barra, e gotas de água condensadas no sensor de exibição de energia.

• Uma pequena quantidade de água acumulada no fundo da câmara do transformador de tensão, enquanto os três PTs de fase não mostraram anomalias externas óbvias.

A infiltração de água da chuva do suporte de aço acima da câmara PT da barra de 10 kV Seção III no armário de interruptores deteriorou a isolação, causando um descarga na fase C que evoluiu para uma falha de aterramento metálico. No sistema de aterramento de baixa resistência, o transformador de aterramento nº 2 detectou correntes de sequência zero de ~4,3 A/fase (superando a configuração de sobrecorrente da Seção I de 2,5 A), acionando o disparo. A proteção de sobrecorrente não bloqueia o auto-standby de 10 kV, levando a operações repetidas. O último disparo deixou o auto-standby sem carregamento, causando um apagão completo de 10 kV.

Fator contribuinte principal: A palavra-chave de controle "cancelamento de sequência zero de corrente de fase" estava desativada (configurada como "0"), impedindo o filtro de software dos componentes de sequência zero nas correntes de fase. Com uma corrente de sequência zero de 13 A, a proteção de sobrecorrente operou incorretamente. Devidamente ativada, essa palavra-chave teria evitado a falha. Em vez disso, a proteção de sobrecorrente de sequência zero da Seção I (configurada em 1,4 A) operou: o 1º limite de tempo disparou a ligação de barra e bloqueou o auto-standby; o 2º limite de tempo disparou os disjuntores do transformador de aterramento e do transformador principal, isolando as Seções II/III, enquanto a Seção I permaneceu energizada.

Causa raiz: A palavra-chave de controle de cancelamento de sequência zero desativada permitiu a interpretação incorreta da corrente de fase.

4 Conclusão

Este artigo esboça as configurações de proteção do transformador de aterramento, analisa os riscos de operação incorreta sob altas correntes de sequência zero e apresenta um estudo de caso. Para prevenir recorrências:

• Ativar recursos de cancelamento de sequência zero baseados em software (por exemplo, a palavra-chave de controle "cancelamento de sequência zero de corrente de fase") em sistemas de aterramento de baixa resistência.

• Se tais recursos não estiverem disponíveis, otimizar a coordenação entre as configurações de proteção de sobrecorrente e de sequência zero.

Ponto chave: A configuração proativa de software de proteção é crucial para prevenir operações incorretas durante falhas a terra.