Os transformadores de aterramento do tipo seco são amplamente projetados com conexão Zig-Zag, pois essa estrutura de enrolamento oferece alta impedância de excitação às correntes de sequência positiva e negativa durante a operação normal, ao mesmo tempo que fornece baixa impedância às correntes de sequência zero durante faltas terra monofásicas.
Isso torna possível criar um ponto neutro artificial e oferecer um caminho confiável para a corrente de sequência zero em redes de distribuição de média tensão.
Em comparação com transformadores comuns conectados em estrela ou triângulo, os transformadores de aterramento Zig-Zag são mais adequados para aplicações de aterramento em redes de MT, usinas eólicas e solares, sistemas de distribuição industrial e data centers.
1. O que faz um transformador de aterramento?
Em muitas redes de média tensão, o lado secundário do transformador principal é conectado em triângulo, ou o ponto neutro não pode ser acessado diretamente. Nesses casos, não há um ponto neutro natural para conectar uma bobina de supressão de arco, resistor de aterramento do neutro ou equipamento de proteção de sequência zero.
Um transformador de aterramento é usado para:
- Criar um ponto neutro artificial N;
- Conectar uma bobina de supressão de arco, resistor de aterramento do neutro ou reator;
- Fornecer um caminho de retorno para a corrente de sequência zero durante faltas terra;
- Limitar sobretensões induzidas por arco e melhorar a sensibilidade da proteção de sequência zero;
- Opcionalmente, fornecer energia auxiliar através de um enrolamento secundário.
Os transformadores de aterramento do tipo seco geralmente adotam isolamento em resina fundida ou impregnada. Eles são livres de óleo, resistentes ao fogo e adequados para subestações internas, salas de comando e usinas de energia renovável.
2. Estrutura do Enrolamento Zig-Zag
O enrolamento Zig-Zag, também chamado de enrolamento Zig-Zag ou em ziguezague, é formado dividindo-se cada enrolamento de fase em duas partes iguais. Essas duas partes são enroladas em diferentes colunas do núcleo e conectadas com polaridade oposta.
Características principais:
- Cada fase possui duas seções de enrolamento com o mesmo número de espiras;
- As duas seções são colocadas em diferentes colunas do núcleo;
- Os enrolamentos são conectados de forma cruzada com polaridade oposta;
- As extremidades dos enrolamentos trifásicos são unidas para formar o ponto neutro N;
- As extremidades de linha são conectadas às fases A, B e C.
Dessa forma, a tensão de cada fase não é suportada por um único enrolamento em uma coluna do núcleo, mas por dois enrolamentos localizados em colunas diferentes. Isso cria a relação fasorial típica em "ziguezague".
3. Princípio de Funcionamento
Operação normal
Sob tensão trifásica equilibrada, apenas correntes de sequência positiva e negativa fluem através do transformador de aterramento. Devido à estrutura de enrolamento conectado de forma cruzada, o transformador apresenta alta impedância de excitação.
Portanto, durante a operação normal:
- Apenas a corrente de excitação e pequenas perdas fluem;
- O transformador opera quase em vazio;
- O impacto na operação trifásica normal é mínimo;
- As perdas adicionais na rede são muito baixas.
Falta terra monofásica
Quando ocorre uma falta terra monofásica, surgem a tensão de sequência zero e a corrente de sequência zero. A corrente de sequência zero retorna através da terra e flui para o ponto neutro do transformador de aterramento.
Em um enrolamento Zig-Zag, as correntes de sequência zero nas três fases estão em fase. Devido à conexão cruzada, as ampere-espiras de sequência zero na mesma coluna do núcleo se cancelam mutuamente. Como resultado, o fluxo de excitação de sequência zero é muito pequeno, e a impedância de sequência zero é determinada principalmente pela reatância de dispersão.
Isso confere ao transformador de aterramento uma impedância de sequência zero relativamente baixa, permitindo que a corrente de sequência zero flua de forma confiável através do ponto neutro e do dispositivo de aterramento.
Deve-se notar que a impedância de sequência zero não é zero. Um transformador de aterramento Zig-Zag é usado principalmente para fornecer um ponto neutro artificial e conduzir a corrente de sequência zero, não para transmitir potência ativa.
4. Por que a Conexão Zig-Zag é Preferida
Baixa impedância de sequência zero
Os transformadores de aterramento Zig-Zag fornecem um caminho estável para a corrente de falta terra. Quando usados com resistores de aterramento do neutro, ajudam a proteção de sequência zero a operar de forma rápida e seletiva. Quando usados com bobinas de supressão de arco, suportam a compensação de corrente capacitiva e a extinção do arco.
Baixas perdas normais
Como o transformador opera quase em vazio em condições normais, a corrente de excitação e as perdas no núcleo permanecem baixas. Isso torna a conexão de longo prazo à rede tecnicamente razoável.
Melhor utilização da capacidade da bobina de supressão de arco
Transformadores comuns podem ser limitados pela impedância de sequência zero, perdas adicionais e aumento de temperatura quando usados para fins de aterramento. Um transformador de aterramento Zig-Zag, se projetado de acordo com as normas aplicáveis e verificado quanto ao aumento de temperatura e duração da falta, pode suportar uma carga compatível com a classificação da bobina de supressão de arco ou resistor de aterramento conectado.
Enrolamento auxiliar opcional
Muitos transformadores de aterramento Zig-Zag do tipo seco são projetados com conexões ZNyn ou ZNyn11. O lado de alta tensão usa a conexão Zig-Zag para criar o ponto neutro, enquanto o lado de baixa tensão fornece um enrolamento secundário conectado em estrela para alimentação auxiliar. O grupo de conexão exato deve seguir o projeto do produto e as normas aplicáveis.
Adequado para aplicações internas e de energia renovável
A construção do tipo seco evita o uso de óleo isolante, reduz o risco de incêndio e simplifica a instalação e a manutenção. Isso o torna adequado para subestações internas, salas de distribuição, parques eólicos, usinas fotovoltaicas e instalações industriais.
5. Comparação com Transformadores Comuns
| Item |
Transformador de Aterramento Zig-Zag |
Transformador Y/Δ Convencional |
| Função principal |
Criar ponto neutro artificial, conduzir corrente de sequência zero |
Transformar tensão, transmitir potência |
| Operação normal |
Praticamente em vazio |
Normalmente carregado |
| Impedância de sequência zero |
Relativamente baixa |
Depende da estrutura do núcleo e da conexão |
| Aplicação da bobina de supressão de arco |
Adequada sob condições nominais |
Frequentemente limitada |
| Disponibilidade do ponto neutro |
Sim |
Depende da conexão do sistema |
Os transformadores comuns de três colunas sem um enrolamento estabilizador conectado em delta ou um caminho de fluxo de sequência zero dedicado geralmente têm capacidade limitada de corrente de sequência zero e não devem ser simplesmente substituídos por um transformador de aterramento Zig-Zag sem uma verificação detalhada.
6. Resumo
Um transformador de aterramento do tipo seco Zig-Zag fornece um ponto neutro artificial para sistemas de média tensão. Ele opera quase a vazio em condições normais e oferece baixa impedância de sequência zero durante faltas à terra, suportando bobinas de supressão de arco, resistores de aterramento do neutro e proteção de sequência zero. As conexões típicas incluem ZNyn e ZNyn11, com enrolamentos auxiliares opcionais.
Para projetos internacionais, os seguintes termos são comumente usados:
- Conexão Zig-Zag / Enrolamento Zig-Zag
- Transformador de Aterramento / Transformador de Aterramento
- Impedância de Sequência Zero
- Ponto Neutro Artificial
- Bobina de Supressão de Arco / Bobina Petersen
- Resistor de Aterramento do Neutro
Deve-se notar que um transformador de aterramento Zig-Zag não é um transformador de potência convencional. Sua capacidade deve ser determinada com base na corrente capacitiva do sistema, na potência nominal da bobina de supressão de arco, no valor do resistor de aterramento do neutro, na duração da falta, nos limites de elevação de temperatura e na necessidade de uma carga secundária.
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