Os transformadores de aterramento, também chamados de acopladores de neutro, são utilizados em sistemas de energia trifásicos onde nenhum ponto neutro está disponível ou o ponto neutro não é trazido para fora. Eles fornecem um ponto neutro artificial para que o sistema possa ser aterrado diretamente, através de um resistor ou através de uma bobina de supressão de arco. Isso ajuda a limitar as correntes de falta à terra monofásica e suprimir sobretensões nas fases sãs.
Os transformadores de aterramento são classificados como reatores na IEC 60076-6:2007. Seu projeto depende das condições de operação do sistema e dos requisitos da subestação. Como a literatura existente oferece orientações limitadas sobre testes, este artigo discute os testes de elevação de temperatura para vários tipos comuns de transformadores de aterramento imersos em óleo.
Os requisitos gerais de teste de elevação de temperatura devem seguir a IEC 60076-2:2011. Para transformadores imersos em óleo com refrigeração ONAN ou ONAF, os limites típicos são 60 K para a elevação de temperatura do óleo na parte superior e 65 K para a elevação média de temperatura do enrolamento, a menos que especificado de outra forma na especificação de compra.
Transformador de Aterramento em Ziguezague
2. Estados de Operação e Testes de Elevação de Temperatura
2.1 Transformadores de Aterramento com Corrente Nominal Contínua de Neutro e um Enrolamento Secundário
Transformador de Aterramento com Enrolamento Secundário
Para este tipo, o comprador especifica a corrente nominal contínua de neutro com base no deslocamento esperado do ponto neutro e no método de aterramento do neutro selecionado. Um enrolamento secundário também pode ser fornecido para o suprimento auxiliar da subestação.
Sob condições normais do sistema, o transformador de aterramento pode operar em:
- uma condição de carga trifásica equilibrada, onde o ponto neutro permanece próximo ao potencial de terra;
- uma condição de carga trifásica desequilibrada, onde o deslocamento do ponto neutro produz uma corrente contínua de sequência zero;
- uma condição de carga do enrolamento secundário.
Sob carga equilibrada, apenas a corrente de excitação flui no enrolamento primário. As perdas são principalmente perdas no núcleo e uma perda CC muito pequena do enrolamento primário. A elevação de temperatura do enrolamento para o óleo é, portanto, quase zero.
Quando ocorre o deslocamento do ponto neutro, uma corrente contínua de sequência zero flui através do enrolamento primário do transformador de aterramento. Isso produz perda CC do enrolamento e perdas por dispersão adicionais causadas pelo fluxo de sequência zero. Se o enrolamento secundário estiver com carga, a perda CC do enrolamento secundário e as perdas de carga adicionais também devem ser consideradas.
Como a condição equilibrada e a condição de deslocamento do neutro não ocorrem simultaneamente, enquanto a condição de carga secundária pode ser superposta a qualquer uma delas, o teste de elevação de temperatura deve simular a combinação mais severa.
Procedimento de teste de exemplo
Considere um transformador de aterramento imerso em óleo com os seguintes dados.
Dados Técnicos de Exemplo de um Transformador de Aterramento Imerso em Óleo
| Parâmetro |
Valor |
| Grupo vetorial |
ZNyn11 |
| Corrente nominal |
3,5 / 288,7 A |
| Perda em vazio |
1.337 W |
| Perda de carga a 75 °C com base em 200 kVA |
969 W |
| Perda CC do enrolamento de BT a 75 °C |
754 W |
| Corrente nominal contínua do neutro |
70 A |
| Perda na corrente nominal contínua do neutro a 75 °C |
4.930 W |
O teste de elevação de temperatura pode ser realizado da seguinte forma.
Etapa 1 — Estágio de perda total máxima
A perda total a ser aplicada é:
Pmax = PkN(75 °C) + P0 + Pr(75 °C)
Pmax = 4,930 + 1,337 + 754 = 7,021 W
onde:
- PkN(75 °C) é a perda produzida pela corrente nominal contínua do neutro;
- P0 é a perda em vazio na tensão e frequência nominais;
- Pr(75 °C) é a perda CC do enrolamento de baixa tensão na corrente nominal de carga secundária.
A perda produzida pela corrente nominal contínua do neutro deve ser baseada em valores medidos. Antes do teste, o enrolamento secundário é mantido em circuito aberto, e a corrente nominal contínua do neutro de 70 A é aplicada entre os terminais de alta tensão ABC e o ponto neutro O. A perda medida é então corrigida para a temperatura de referência de 75 °C.
Conexão do Teste de Elevação de Temperatura do Transformador de Aterramento
Pr(75 °C) é a perda CC do enrolamento de baixa tensão na corrente secundária nominal de 288,7 A. A corrente de alta tensão correspondente à carga secundária de 200 kVA é de 3,5 A, a qual já está incluída nos 70/3 A por fase. Portanto, a perda em plena carga medida em um teste de carga convencional não deve ser usada diretamente, caso contrário a perda CC de alta tensão seria aplicada duas vezes e o resultado da elevação de temperatura seria superestimado.
Após a determinação da perda total, o transformador é energizado de acordo com o diagrama de ligação do teste. A elevação de temperatura do óleo na parte superior e a elevação de temperatura média do óleo são obtidas de acordo com a IEC 60076-2:2011.
Etapa 2 — Elevação de temperatura do enrolamento de alta tensão
A corrente para esta etapa deve incluir a corrente nominal contínua do neutro e a corrente de alta tensão correspondente à capacidade secundária nominal. Para este exemplo, a corrente aplicada é:
I = 3 × 3.5 + 70 = 80.5 A
Esta corrente é mantida por uma hora. A resistência a quente do enrolamento de alta tensão entre o terminal B e o neutro O é medida para determinar a diferença de temperatura entre o enrolamento de alta tensão e o óleo e, portanto, a elevação de temperatura do enrolamento de alta tensão. Esta abordagem segue o princípio dado na IEC 60076-6:2007 para transformadores de aterramento com um enrolamento secundário.
Etapa 3 — Elevação de temperatura do enrolamento de baixa tensão
O transformador de aterramento é então tratado de forma semelhante a um transformador de distribuição para o teste do enrolamento de baixa tensão. O enrolamento de baixa tensão é curto-circuitado, e uma corrente trifásica simétrica de 3,5 A é aplicada ao lado de alta tensão, correspondente à capacidade secundária nominal. A duração do teste é de uma hora.
A resistência a quente do enrolamento de baixa tensão e a temperatura média do óleo são medidas. A diferença de temperatura entre o enrolamento de baixa tensão e o óleo é calculada e adicionada à elevação de temperatura média do óleo obtida na Etapa 1 para determinar a elevação de temperatura do enrolamento de baixa tensão.
Transformador de Aterramento sem Enrolamento Secundário
2.2 Transformadores de aterramento com corrente nominal contínua de neutro, mas sem enrolamento secundário
Este tipo abrange a condição equilibrada e a condição de deslocamento do neutro. O ensaio de elevação de temperatura deve representar a condição de deslocamento do neutro.
Os parâmetros do ensaio são:
- Estágio de perda total máxima: Pmax = PkN(75 °C) + P0
- Estágio de corrente nominal: I = IN
2.3 Transformadores de aterramento combinados com bobinas de supressão de arco
Para este tipo, a bobina de supressão de arco é integrada ao ponto neutro do transformador. O transformador de aterramento e a bobina de supressão de arco devem ser ensaiados juntos. Se a bobina de supressão de arco for ajustável, o ensaio deve ser realizado na posição que produza a maior perda.
Combinação de Bobina de Supressão de Arco e Transformador de Aterramento
Os métodos para determinar a perda total máxima e a corrente nominal são os mesmos da Seção 2.1. As medições de resistência a quente devem ser realizadas duas vezes:
- Entre um terminal de linha e o terminal de terra da bobina de supressão de arco, geralmente BO;
- Entre dois terminais de linha do transformador de aterramento, geralmente AC.
Essas medições permitem determinar separadamente as diferenças de temperatura do enrolamento principal do transformador de aterramento e do enrolamento da bobina de supressão de arco.
3. Conclusão
A elevação de temperatura é um indicador-chave de desempenho para a operação segura e a vida útil dos transformadores de aterramento. Como os transformadores de aterramento possuem estruturas e modos de operação diversos, métodos de ensaio incorretos podem levar a resultados enganosos. Ao simular as condições operacionais mais severas de acordo com a IEC 60076-6:2007 e a IEC 60076-2:2011, os fabricantes podem obter dados de elevação de temperatura mais confiáveis para transformadores de aterramento imersos em óleo.
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