Um transformador de aterramento zig-zag, também chamado de transformador de aterramento zig-zag ou transformador de aterramento de neutro, é um transformador de uso especial utilizado em sistemas de energia de média tensão. Sua função principal não é transformar tensão ou transferir potência de carga, mas sim criar um ponto neutro estável para sistemas que não possuem um, ou onde o ponto neutro não é facilmente acessível.
Este ponto neutro pode então ser conectado a uma bobina de supressão de arco, resistor de aterramento de neutro, ou reator de pequeno porte para suportar o aterramento do sistema, controle de corrente de falta e coordenação de proteção.
Fabricante de Transformador de Aterramento Zigzag IEC Imerso em Óleo
Por que um transformador de aterramento é necessário?
Em redes de distribuição de média tensão de 6 kV, 10 kV, 35 kV e similares, o lado de baixa tensão do transformador principal é frequentemente conectado em delta, ou o ponto estrela não é trazido para fora. Como resultado, o sistema não possui um ponto neutro disponível para aterramento durante a operação normal.
No entanto, um ponto neutro ainda é necessário por vários motivos:
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Limitação de sobretensões de arco à terra
Durante uma falta à terra monofásica, grandes correntes capacitivas podem causar arcos intermitentes no ponto de falta. Isso pode gerar altas sobretensões que ameaçam cabos, equipamentos de manobra, transformadores de instrumentos e outros equipamentos.
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Fornecimento de um caminho para a corrente de sequência zero
Faltas à terra produzem corrente de sequência zero. Sem um ponto neutro, não há um caminho de retorno estável, e a proteção de sequência zero pode não operar de forma sensível.
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Suporte a bobinas de supressão de arco ou aterramento de baixa resistência
Quando conectado através de uma bobina de supressão de arco, o sistema pode compensar a corrente capacitiva de falta à terra. Quando conectado através de um resistor de aterramento do neutro, a corrente de falta pode ser limitada, garantindo ao mesmo tempo a operação confiável da proteção de sequência zero.
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Melhoria da confiabilidade do fornecimento
Muitos sistemas de média tensão permitem operação de curta duração durante uma falta à terra monofásica. Um arranjo de aterramento do neutro adequadamente projetado ajuda a manter as tensões do sistema estáveis até que a falta seja eliminada.
Portanto, quando o sistema de energia não fornece um ponto neutro, um transformador de aterramento é usado para criar um.
Estrutura de um Transformador de Aterramento Zig-Zag
Um transformador de aterramento zig-zag geralmente possui uma construção com núcleo semelhante à de um transformador trifásico convencional, mas sua conexão de enrolamento é diferente.
Cada enrolamento de fase é dividido em duas metades iguais com direções opostas. Essas metades são enroladas em diferentes colunas do núcleo e então conectadas em série em um arranjo zig-zag. O ponto comum das três fases é trazido para fora como o ponto neutro N.
Por exemplo, a fase A não é enrolada apenas na coluna do núcleo da fase A. Parte de seu enrolamento é ligada a outra fase, como a fase B ou a fase C. Após a interligação cruzada, os enrolamentos formam um padrão zig-zag.
Os grupos de ligação comuns incluem:
- ZN: Lado de alta tensão com conexão zig-zag e neutro trazido para fora;
- ZNyn1 / ZNyn11: Lado de alta tensão com conexão zig-zag e lado de baixa tensão com enrolamento secundário conectado em estrela, que também pode servir como transformador de serviços auxiliares da subestação.
Fabricante Chinês de Transformador de Aterramento Imerso em Óleo
Como Funciona um Transformador de Aterramento Zig-Zag?
A principal característica de um transformador de aterramento zig-zag é que ele apresenta alta impedância às correntes de sequência positiva e negativa, mas baixa impedância às correntes de sequência zero.
1. Em condições normais: operação praticamente em vazio
Quando as tensões do sistema trifásico estão equilibradas, apenas uma pequena corrente de excitação flui através do transformador de aterramento. O enrolamento zig-zag apresenta alta impedância de excitação às tensões de sequência positiva e negativa, de modo que as perdas normais são muito baixas e o transformador praticamente não absorve potência ativa.
2. Durante uma falta monofásica à terra: caminho de baixa impedância para a corrente de falta
Quando ocorre uma falta monofásica à terra, surgem a tensão de sequência zero e a corrente de sequência zero. A corrente de sequência zero flui do ponto neutro para os enrolamentos trifásicos. As correntes de sequência zero nas três fases são iguais em magnitude e idênticas em fase.
Como os dois semienrolamentos no mesmo núcleo da coluna possuem direções opostas e polaridade oposta, suas forças magnetomotrizes de sequência zero se cancelam mutuamente. O fluxo resultante de sequência zero é, portanto, muito pequeno.
Como resultado, a impedância de sequência zero é determinada principalmente pela reatância de dispersão e permanece relativamente baixa. O valor exato depende do nível de tensão do sistema, do projeto dos enrolamentos, dos detalhes de fabricação e dos requisitos do projeto.
Isso proporciona um caminho de baixa impedância para a corrente de sequência zero, permitindo que a corrente de falta flua suavemente através do ponto neutro para o dispositivo de aterramento.
Por que a Ligação Zig-Zag é Preferida para Transformadores de Aterramento?
Os transformadores de aterramento não se limitam à ligação zig-zag, mas a disposição zig-zag oferece vantagens claras em aplicações de aterramento de média tensão.
1. Baixa impedância de sequência zero
O enrolamento zig-zag permite que as forças magnetomotrizes de sequência zero se cancelem em cada coluna do núcleo, resultando em baixa impedância de sequência zero e fluxo suave da corrente de falta à terra.
2. Baixas perdas em operação normal
Em condições equilibradas, o transformador consome apenas uma pequena corrente de excitação e opera próximo ao vazio, mantendo as perdas em standby baixas.
3. Boa compatibilidade com bobinas de supressão de arco e resistores de aterramento do neutro
Para o aterramento com bobina de supressão de arco, o transformador zig-zag permite que a corrente de compensação flua livremente, possibilitando alta utilização da capacidade da bobina.
Para o aterramento de baixa resistência, fornece corrente de sequência zero suficiente para uma operação de proteção sensível e confiável.
Em comparação, quando um transformador convencional YNyn é usado para conectar uma bobina de supressão de arco, a capacidade da bobina geralmente é limitada a uma pequena proporção da potência nominal do transformador. Com transformadores YNd, a utilização também é restringida pelo carregamento secundário e perdas adicionais.
4. Também pode servir como transformador de serviços auxiliares
Muitos transformadores de aterramento zig-zag são dotados de um enrolamento secundário de baixa tensão, formando uma ligação ZNyn. Isso permite que a unidade forneça tanto um ponto de aterramento do neutro quanto energia auxiliar de 380/220 V para a subestação, reduzindo os requisitos de investimento e espaço.
5. Certa supressão de componentes de terceira harmônica
A ligação zig-zag pode ajudar a suprimir componentes de terceira harmônica e outras componentes harmônicas de sequência zero, melhorando a qualidade da forma de onda da tensão. No entanto, isso geralmente é um benefício secundário, e não o principal motivo para a seleção.
Transformador de Aterramento Zig-Zag vs. Transformador Convencional
| Item de comparação |
Transformador de aterramento zig-zag |
Transformador convencional |
| Objetivo principal |
Fornecer ponto neutro artificial e apoiar a proteção de aterramento |
Transformar tensão e transferir potência |
| Estrutura do enrolamento |
Cada fase dividida em duas partes com conexão zig-zag |
Conexão padrão Y, Δ ou YN |
| Ponto neutro |
Derivado especificamente para aterramento |
Pode estar ausente ou não ser utilizado para aterramento |
| Impedância de sequência zero |
Baixa, adequada para corrente de sequência zero |
Superior, limita a corrente de sequência zero |
| Condição de operação |
Praticamente sem carga em operação normal; conduz corrente de falta de curta duração |
Carregado continuamente durante a operação normal |
| Aplicação típica |
Aterramento de média tensão, bobinas de supressão de arco, resistores de aterramento do neutro |
Transformadores principais e transformadores de distribuição |
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Aplicações Típicas
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Redes de distribuição de 10 kV e 35 kV
Utilizadas quando o lado de baixa tensão do transformador principal está conectado em delta ou o neutro do sistema não está disponível.
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Sistemas de aterramento com bobina de supressão de arco
Utilizados para compensar a corrente capacitiva de falta à terra, extinguir faltas com arco e limitar sobretensões transitórias.
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Sistemas de aterramento de baixa resistência
Utilizados para limitar a corrente de falta à terra, garantindo a operação confiável da proteção de sequência zero.
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Usinas de energia renovável, redes industriais e centros de dados
Utilizados em sistemas com interface de inversor, redes conectadas em delta ou sistemas de energia isolados para fornecer um ponto de aterramento estável e melhorar o desempenho de tensão desequilibrada e proteção.
Considerações de Seleção e Operação
- Corresponder o nível de tensão do sistema, como 6 kV, 10 kV ou 35 kV, à tensão nominal do sistema.
- Projetar a impedância de sequência zero cuidadosamente. Um valor muito baixo pode aumentar excessivamente a corrente de falta; um valor muito alto pode reduzir a sensibilidade da proteção. Deve ser coordenada com o resistor de aterramento do neutro ou a bobina de supressão de arco.
- Selecionar a capacidade adequadamente. Quando utilizado apenas para aterramento, a potência primária deve corresponder à bobina de supressão de arco ou ao resistor de aterramento do neutro. Quando apenas uma bobina de supressão de arco é conectada, a capacidade primária é comumente selecionada em 1,05 a 1,15 vezes a potência da bobina como prática de engenharia. Se uma carga secundária também for alimentada, a carga de serviços auxiliares da subestação deve ser adicionada.
- Verificar a capacidade térmica de curta duração. O transformador opera praticamente em vazio em condições normais, mas deve suportar a corrente de falta à terra de curta duração.
- Confirmar o grupo vetorial, como ZN, ZNyn1 ou ZNyn11, de acordo com os requisitos de proteção, medição e energia auxiliar.
- Verificar se um transformador de aterramento é realmente necessário. Se o transformador principal já possuir um ponto neutro acessível, por exemplo, em alguns sistemas conectados em YN de 35 kV ou 110 kV, um transformador de aterramento separado pode não ser necessário.
Relação com as Normas IEC
No âmbito da estrutura da IEC, os transformadores de aterramento zig-zag são geralmente projetados e testados de acordo com os requisitos gerais para transformadores de potência da série IEC 60076. A IEC 60076-25 abrange principalmente os resistores de aterramento do neutro e reconhece explicitamente seu uso em conjunto com transformadores zig-zag, transformadores conectados em delta aberto e bobinas de supressão de arco.
Na prática, os transformadores de aterramento zig-zag são especificados e verificados de acordo com a impedância de sequência zero necessária, a corrente de falta de curta duração, a tensão nominal, o método de refrigeração, o nível de isolamento e o programa de testes. A conformidade com qualquer projeto específico deve sempre ser confirmada em relação à especificação técnica do contrato, à edição aplicável da norma e aos relatórios de testes de terceiros.
Resumo
Um transformador de aterramento zig-zag é um transformador especial que cria um ponto neutro artificial por meio de um arranjo de enrolamento zig-zag. É amplamente utilizado porque apresenta alta impedância em condições normais equilibradas, resultando em baixas perdas, ao mesmo tempo que fornece baixa impedância à corrente de sequência zero durante faltas monofásicas à terra. Isso o torna muito adequado para bobinas de supressão de arco, resistores de aterramento do neutro e esquemas de proteção de sequência zero.
Em comparação com os transformadores convencionais, os transformadores de aterramento zig-zag oferecem vantagens claras nas redes de distribuição de média tensão, especialmente para o controle da corrente de falta à terra, aterramento do sistema e melhoria da confiabilidade.
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