Por que as redes de média tensão necessitam de transformadores de aterramento a seco?

O que é um Transformador de Aterramento?

Um transformador de aterramento (frequentemente chamado de "banco de aterramento") é projetado para fornecer um ponto neutro artificial para sistemas de energia que não possuem um. Isso permite a conexão de bobinas de supressão de arco (bobinas Petersen) ou aterramento de baixa resistência. Seu objetivo principal é limitar as correntes capacitivas durante faltas à terra, melhorando assim a confiabilidade da rede de distribuição.

O Desafio em Sistemas Não Aterrados

Em redes de 6kV, 10kV e 35kV, o ponto neutro é frequentemente não aterrado. Como o lado de baixa tensão dos transformadores principais é tipicamente conectado em delta, não há um ponto neutro físico disponível para aterramento.

Embora os sistemas não aterrados possam tolerar uma falta à terra monofásica por 1 a 2 horas, as redes urbanas modernas com cabeamento extenso aumentaram significativamente as correntes capacitivas. Quando essas correntes excedem 10A, vários riscos surgem:

• Arco Intermitente: Isso pode causar sobretensões que atingem até 4 vezes a tensão de pico normal, ameaçando o isolamento dos equipamentos.
• Ressonância: Pode desencadear ferroressonância, potencialmente danificando transformadores de tensão e para-raios.
• Curtos-Circuitos Fase a Fase: O arco elétrico pode ionizar o ar ao redor, levando a curtos-circuitos mais graves.

Uso Global e Conexão em Z

• Na China: Os transformadores de aterramento normalmente utilizam uma conexão Zig-Zag (Z). Para economizar espaço e investimento, um enrolamento terciário é frequentemente adicionado para fornecer energia aos serviços auxiliares da subestação.
• Internacionalmente: Os transformadores com conexão em Z também são amplamente utilizados em sistemas não aterrados de 10kV. Eles apresentam alta impedância para correntes de sequência positiva e negativa, mas baixa impedância para correntes de sequência zero, garantindo uma operação confiável da proteção contra faltas à terra.

Unidades Trifásicas vs. Monofásicas

• Trifásico (Conexão em Z): Ao contrário dos transformadores padrão, cada bobina de fase é dividida em dois grupos enrolados em direções opostas em pernas de núcleo diferentes. Isso permite que o fluxo de sequência zero flua através das pernas do núcleo, resultando em uma impedância de sequência zero muito baixa (aprox. 10Ω). Consequentemente, um transformador com conexão em Z pode suportar uma bobina de supressão de arco com uma capacidade de 90%–100% de sua potência nominal.
• Monofásico: Estes são utilizados principalmente para criar um ponto neutro para gabinetes de resistores de aterramento do neutro de geradores ou transformadores, ajudando a reduzir o tamanho e o custo do conjunto de resistores.

Características Operacionais Principais

1. Baixa Impedância de Sequência Zero: Garante uma saída eficaz da corrente de sequência zero.
2. Alta Impedância de Excitação: Minimiza a corrente em vazio.
3. Baixa Perda em Vazio: Melhora a eficiência energética durante a operação diária.

Comparação dos Métodos de Conexão

• Conexão YNyn:
  Utiliza um núcleo de três colunas. No entanto, o fluxo de sequência zero não pode circular dentro do núcleo e deve passar através do tanque e das braçadeiras, causando superaquecimento local. As regulamentações limitam estritamente a bobina de supressão de arco conectada a 20% da potência nominal do transformador.
• Conexão YNd:
  O secundário em delta fornece um caminho para as correntes de sequência zero, reduzindo a impedância. No entanto, é difícil alimentar cargas mistas de iluminação e força a partir de um enrolamento em delta. A capacidade para a bobina de supressão de arco é limitada a 50% se o secundário estiver totalmente carregado.

• Conexão ZNyn (O Padrão da Indústria):
  Esta é a configuração mais comum globalmente. A conexão em ziguezague cancela as forças magnetomotrizes de sequência zero na mesma perna do núcleo, resultando em fluxo de dispersão mínimo e impedância muito baixa.

Capacidade: Pode suportar uma bobina de supressão de arco igual à sua própria capacidade nominal.

Energia Auxiliar: O yn secundário permite o fornecimento de cargas locais ou serviços da subestação (tipicamente 80-200 kVA).

Nota de Projeto: Devido ao arranjo vetorial, uma conexão em Z requer aproximadamente 1,15 a 1,16 vezes mais espiras do que uma conexão estrela padrão para a mesma tensão.

Princípio de Funcionamento

Durante uma falta monofásica à terra (por exemplo, Fase C), a corrente de falta flui através da terra para o ponto neutro. Em seguida, divide-se igualmente nas três fases do transformador de aterramento.