Análise do Comportamento Operacional do Transformador de Aterramento em Condições de Falha Monofásica ao Terra no Sistema

1 Análise Teórica

Nas redes de distribuição, os transformadores de aterramento desempenham dois papéis-chave: alimentar cargas de baixa tensão e conectar bobinas de supressão de arco nos neutros para proteção de aterramento. As falhas de aterramento, o tipo mais comum de falha em redes de distribuição, impactam fortemente as características operacionais dos transformadores, causando mudanças bruscas nos parâmetros eletromagnéticos e no estado.Para estudar o comportamento dinâmico dos transformadores sob falhas de aterramento monofásicas, construa este modelo: Suponha que as características inerentes de um transformador permanecem estáveis durante as falhas monofásicas do lado de baixa tensão. Em seguida, deduza suas regras de operação através do mecanismo de compensação da bobina de supressão de arco. Os materiais relevantes incluem: Figura 1 (estrutura física do transformador), Figura 2 (circuito equivalente do sistema sob falha monofásica) e Figura 3 (circuito equivalente operacional do transformador).

u representa a tensão da fonte de energia virtual, e sua fórmula de cálculo é:

Na fórmula:U_m é a amplitude da tensão da barra; w₀ é a frequência angular de linha; w₀ é o ângulo de fase da tensão gerado após o sistema experimentar uma falha de aterramento monofásica. Durante uma falha na fase de arco, a corrente i_L da bobina de supressão de arco é:

Na fórmula: δ1 é o fator de atenuação; IL representa a amplitude da corrente do sistema e indutância; R1 é a resistência equivalente do transformador principal e do circuito de modo de linha; e é o ângulo de fase da tensão quando ocorre uma falha de aterramento monofásica; L denota a indutância de sequência zero do transformador de aterramento e a indutância da bobina de supressão de arco.

Existe uma correlação entre a corrente indutiva e o grau de desafinação na bobina de supressão de arco, e a seguinte fórmula pode ser derivada:

Na fórmula:i_C é a corrente de aterramento compensada; C é a capacitância à terra da linha de distribuição; v é o grau de desafinação do sistema da subestação. Quando a falha de aterramento monofásica do sistema está em um estado de aterramento estável, a corrente indutiva da bobina de supressão de arco tende a estabilizar.

Combinando a análise acima, a seguinte equação pode ser derivada:

Na fórmula:R_L é a resistência equivalente do transformador principal e do circuito de modo de linha (a "indutância equivalente" original provavelmente é um erro de digitação; corrigido para "resistência equivalente" com base na lógica do circuito; se for realmente indutância, mantenha o símbolo L_L); w₀ é a frequência angular de linha.

A fórmula (4) pode ser substituída na fórmula (5) para calcular a corrente indutiva, e a seguinte fórmula é obtida:

Combinado com a Fórmula (6), durante a fase de extinção do arco, a indutância da bobina de supressão de arco e a capacitância à terra da linha de distribuição estão conectadas em série, e a corrente do sistema é uniforme. Após a corrente indutiva retornar ao normal, a fórmula de cálculo para a corrente indutiva é a seguinte:

Na fórmula: u_C0+ é a tensão de capacitância à terra do sistema durante a fase de extinção do arco; i_L0+ é a corrente indutiva fluindo pela bobina de supressão de arco do sistema durante a fase de extinção do arco; w é a frequência angular de ressonância. Com base na análise acima, em diferentes estágios da falha de aterramento monofásica do sistema, os fatores que influenciam as características operacionais do transformador de aterramento são diferentes, como mostrado especificamente na Tabela 1.

2 Construção e Verificação do Modelo de Simulação
2.1 Construção do Modelo
A construção do modelo de simulação é baseada nos parâmetros do transformador de aterramento em uma determinada região, conforme detalhado na Tabela 2. Os parâmetros da linha de cabo são mostrados na Tabela 3.

2.2 Verificação do Modelo

Na verificação do modelo, para garantir a autenticidade e validade da pesquisa, pode-se configurar uma falha de aterramento monofásica do sistema a 4 km de distância da linha de cabo 1 A e da barra de 10 kV. O ângulo de fase da falha toma 90° como referência. Use o modelo de simulação construído para obter as correntes de sequência zero de diferentes linhas na falha de aterramento monofásica do sistema, conforme detalhado na Tabela 4.

Quando ocorre uma falha de aterramento monofásica no sistema, a fórmula de cálculo para a corrente capacitiva de diferentes linhas do transformador de aterramento é:

Combinado com os dados na Tabela 4, quando ocorre uma falha de aterramento monofásica no sistema, o erro máximo entre o valor simulado da corrente de sequência zero da linha não-falha e o valor calculado da corrente capacitiva real à terra é -0.848%, e não há diferença significativa.

3 Análise de Simulação das Características Operacionais
3.1 Influência do Ângulo de Fase Inicial da Falha

Na fase de arco, as tensões trifásicas deformam significativamente. As tensões das fases A, B e C aumentam, expandindo o ângulo de fase inicial e aumentando a distorção de tensão. Na fase estável, um ângulo inicial maior reduz o tempo de estabilização das tensões trifásicas. Na fase de extinção do arco, apesar de diferentes ângulos iniciais, as tensões de fase mudam consistentemente: a Fase A retorna à amplitude normal; a Fase B cai para a normal; a Fase C primeiro cai abaixo do normal e depois sobe. Para as correntes: na primeira fase de arco, um ângulo inicial maior reduz a variação das correntes trifásicas; na fase estável, aumenta a variação; na fase de extinção do arco, as mudanças de corrente são uniformes, independentemente dos ângulos iniciais.

3.2 Influência da Resistência de Transição

Na fase de arco de uma falha de aterramento monofásica, uma menor resistência de transição do transformador de aterramento aumenta a variação das tensões trifásicas; na fase estável, amplifica a variação de tensão (as amplitudes das fases B e C são menores). Na fase de extinção do arco, as tensões trifásicas são consistentes sob diferentes resistências: a Fase A atinge a amplitude normal, a Fase B cai para a normal, e a Fase C cai e depois sobe. Para as correntes: na fase de arco, uma menor resistência aumenta a amplitude das correntes trifásicas. A primeira fase (alta resistência) tem pequena amplitude de corrente; a segunda (baixa resistência) tem grande amplitude; na terceira fase, com a bobina de supressão de arco parada, as correntes das fases A e C caem e depois sobem para o normal.

4 Conclusão

Uma falha de aterramento monofásica no sistema da subestação aumenta as correntes trifásicas do lado do transformador de aterramento (fases consistentes, sem danos ao equipamento). Para garantir o fornecimento de energia estável e seguro, compreenda a operação do transformador e os fatores de impacto após as falhas. Como a operação da subestação é afetada por múltiplos fatores, as empresas de energia devem priorizar as inspeções do sistema, melhorar o trabalho de inspeção, garantir a operação das linhas de distribuição, resolver as falhas de aterramento monofásicas e apoiar a vida cotidiana.