Quando um transformador de aterramento em zigue-zague é melhor do que uma unidade em estrela?

Um transformador de aterramento zig-zag costuma ser a opção mais adequada quando um sistema trifásico necessita de um neutro artificial, corrente de falta à terra controlada e pouca ou nenhuma influência na tensão normal da carga. Essa combinação é particularmente valiosa em redes de média tensão não aterradas ou conectadas em delta, nas quais uma única falta fase-terra deve ser detectada e eliminada de forma previsível, em vez de se tornar uma incerteza operacional prolongada.

Para um avaliador técnico, a questão raramente é “Qual transformador é melhor em geral?”. A verdadeira questão é se o sistema precisa apenas de um ponto neutro, de um caminho dedicado de retorno de falta à terra, de capacidade de carga fase-neutro ou de alguma combinação dessas funções. Uma unidade de aterramento conectada em estrela e um projeto zig-zag podem ambos atender aos objetivos de aterramento, mas comportam-se de modo diferente sob condições de falta, desequilíbrio, harmônicas e carga.

A seleção correta começa pelo problema elétrico, não pela placa de identificação do transformador.

Comece pelo neutro: o que está faltando no sistema?

Muitos sistemas de distribuição industrial utilizam secundários de transformadores conectados em delta, barramentos de painéis em delta ou barramentos de geradores sem um neutro naturalmente disponível. Em condições normais, essa configuração pode operar sem dificuldades. O desafio surge quando uma fase entra em contato com a terra. Sem um método de aterramento definido, as tensões fase-terra do sistema podem se deslocar, as sobretensões transitórias podem aumentar e os relés de proteção podem não receber corrente de falta suficiente para identificar o evento com segurança.

Um transformador de aterramento cria uma referência entre o sistema trifásico e a terra. Normalmente, ele não alimenta a carga principal. Em vez disso, estabelece um ponto neutro que pode ser aterrado diretamente ou conectado por meio de um resistor de aterramento do neutro (NGR), reator ou outro equipamento de aterramento. A conexão escolhida para o transformador determina como ele reage à corrente de sequência zero — o componente de corrente associado a faltas fase-terra e a determinadas condições de desequilíbrio.

É aqui que uma unidade zig-zag se torna distinta. Seu arranjo de enrolamentos divide cada fase em duas partes posicionadas em diferentes colunas do núcleo e conectadas de modo que as tensões normais de fase de sequência positiva se cancelem em grande parte no caminho do neutro. Durante uma falta à terra, porém, as correntes de sequência zero se somam construtivamente. Assim, o transformador oferece um caminho de baixa impedância para a corrente de sequência zero sem atuar como um transformador convencional de alimentação de carga.

Situações em que um transformador de aterramento zig-zag geralmente é a melhor opção

Uma conexão zig-zag é especialmente atraente quando a aplicação está fundamentalmente relacionada ao aterramento, e não à transformação. Ela é comumente selecionada para sistemas em delta que precisam de uma referência de neutro, mas não de uma alimentação separada de cargas fase-neutro.

1. Um barramento em delta precisa de aterramento, mas não de alimentação auxiliar de baixa tensão

Suponha que uma instalação tenha um barramento de distribuição delta de três fios alimentando centros de controle de motores, grandes acionamentos, equipamentos de processo e cargas alimentadas por transformadores. Não há necessidade de cargas de utilização fase-neutro no nível do barramento. Um transformador de aterramento zig-zag pode criar o ponto neutro necessário com uma configuração compacta e projetada para essa finalidade.

Uma unidade em estrela ainda pode ser eletricamente viável, mas pode introduzir uma configuração de transformador com mais capacidade do que a exigida pela função de aterramento. Se o projeto não requer conversão de tensão nem uma alimentação secundária utilizável, a abordagem zig-zag costuma ser mais direta e econômica em termos de função instalada.

2. A corrente de falta à terra deve ser deliberadamente limitada

Em sistemas aterrados por resistência, o objetivo geralmente não é maximizar a corrente de falta. O objetivo é fornecer corrente suficiente para uma operação confiável dos relés, limitando ao mesmo tempo danos aos equipamentos, energia de arco elétrico e esforços mecânicos no ponto de falta. Um transformador de aterramento zig-zag associado a um NGR corretamente dimensionado é uma solução conhecida para essa aplicação.

A capacidade de aterramento do transformador deve ser avaliada durante a duração de falta especificada, como 10 segundos, 30 segundos ou outro intervalo definido pelo projeto. O resistor, o projeto térmico do transformador, os ajustes de atuação dos relés e a filosofia de proteção a montante devem trabalhar em conjunto. Selecionar o transformador exclusivamente com base em kVA contínuos pode ser enganoso, pois os transformadores de aterramento são frequentemente classificados conforme a capacidade de falta de curta duração, e não para serviço normal de carga.

3. A continuidade do processo é importante após a primeira falta à terra

Alguns processos industriais não podem tolerar um desligamento imediato para cada evento de aterramento. Em mineração, processamento petroquímico, tratamento de água, produção de papel e determinadas linhas de fabricação contínua, o aterramento de alta resistência pode ser utilizado para sinalizar um alarme na primeira falta e permitir uma resposta ordenada. O transformador de aterramento fornece a referência de neutro que torna o monitoramento de faltas à terra significativo.

Em tais sistemas, um projeto zig-zag pode ser vantajoso por ser dedicado ao desempenho de sequência zero. Ele oferece uma referência estável para proteção e monitoramento sem precisar transportar um amplo conjunto de cargas normais fase-neutro que poderiam complicar o modelo de falta.

4. Espaço e simplicidade de instalação são importantes

Quando as salas de painéis são restritas, um transformador de aterramento zig-zag adequadamente projetado pode ser uma escolha prática, pois sua finalidade é específica: criar um neutro e suportar a capacidade de falta especificada. Ele não requer uma configuração convencional de carga secundária quando ela não é necessária. A área ocupada real ainda depende da classe de tensão, nível de isolamento, método de resfriamento, invólucro, conjunto de resistores e classificação de corrente de falta, mas a simplicidade funcional pode reduzir equipamentos desnecessários.

Quando uma unidade de aterramento em estrela pode fazer mais sentido

O argumento a favor do zig-zag é forte, mas não é automático. Um transformador de aterramento conectado em estrela ou um secundário convencional em estrela pode ser a melhor decisão de engenharia quando o projeto necessita de mais do que um caminho de aterramento.

Se cargas auxiliares fase-neutro precisam ser alimentadas — como alimentação de controle, iluminação, instrumentação ou tomadas de serviço —, um secundário em estrela pode oferecer uma fonte de tensão utilizável baseada no neutro. Nesse caso, o transformador desempenha dupla função: suporta o aterramento enquanto alimenta cargas intencionais. Normalmente, um transformador zig-zag não é selecionado para essa função.

A transformação de tensão é outro fator decisivo claro. Um transformador de aterramento zig-zag não fornece isolamento e conversão de tensão convencionais da maneira que um transformador de dois enrolamentos estrela-delta ou delta-estrela fornece. Quando um projeto precisa elevar ou reduzir a tensão entre seções do sistema, uma configuração de transformador conectada em estrela pode ser necessária, com o esquema de aterramento projetado em torno dela.

Há também casos em que a arquitetura existente do sistema já fornece um neutro em estrela. Por exemplo, uma fonte em estrela solidamente aterrada pode tornar desnecessário um transformador de aterramento adicional. Adicionar um sem analisar os caminhos de sequência zero disponíveis pode criar problemas de coordenação de proteção em vez de resolvê-los. A avaliação técnica deve sempre considerar todos os transformadores conectados, geradores, capacitância dos cabos e fontes em paralelo — não apenas o barramento em estudo.

Uma comparação prática: função antes da preferência

A comparação não deve ser reduzida a “zig-zag para a indústria, estrela para todo o resto”. Ambos podem ser projetados para aterramento. A distinção principal é se o neutro é necessário exclusivamente para o desempenho em faltas ou também como condutor de trabalho para cargas normais do sistema.

Estudos de falta são o ponto de decisão, não uma formalidade

Antes de selecionar qualquer uma das configurações, modele o comportamento de falta fase-terra do sistema. No mínimo, o estudo deve identificar a corrente de falta disponível no ponto de aterramento pretendido, a corrente desejada no resistor caso seja utilizado aterramento por resistência, a sensibilidade do relé de terra, a corrente capacitiva dos cabos e a estratégia de eliminação da falta ou de alarme.

A corrente capacitiva dos cabos merece atenção especial em redes extensas de média tensão. Longos trechos de cabos, instalações de acionamentos de frequência variável e múltiplas seções de alimentadores podem contribuir com corrente capacitiva para a terra. Se a corrente NGR selecionada for muito baixa em relação à corrente capacitiva total, a detecção pode se tornar não confiável e o desempenho diante de sobretensões transitórias pode ser prejudicado. Por outro lado, selecionar uma corrente de aterramento mais alta simplesmente para “estar seguro” pode aumentar a energia de falta além do previsto pela filosofia de proteção dos equipamentos.

A impedância do transformador de aterramento também é importante. O transformador deve conduzir a corrente de sequência zero especificada, mantendo o desempenho esperado do neutro. Uma placa de identificação que pareça adequada em termos de kVA ainda pode ser inadequada se sua impedância, capacidade térmica de curta duração, nível de isolamento ou configuração da bucha do neutro não corresponder ao estudo de aterramento.

Harmônicas, desequilíbrio e os limites das regras simplificadas

Uma suposição comum é que um transformador zig-zag resolve automaticamente todos os problemas de harmônicas. Não resolve. Seu arranjo de enrolamentos pode fornecer um caminho para certos componentes harmônicos triplos e correntes de sequência zero, mas o comportamento harmônico depende de toda a rede: cargas não lineares, filtros, bancos de capacitores, comprimentos de cabos, topologia de conversores, impedância da fonte e conexões de transformadores em outras partes da instalação.

Para sistemas com grandes retificadores, equipamentos UPS, carregamento de veículos elétricos ou ativos de energia baseados em inversores, o projeto de aterramento deve ser analisado juntamente com uma avaliação harmônica. A questão não é apenas se existem harmônicas; é se elas produzem correntes de neutro indesejadas, sobreaquecimento, atuação indevida de relés, ressonância ou referências de tensão distorcidas.

Ativos de energia temporários e móveis exigem a mesma disciplina. Um sistema de baterias montado em reboque, operando em um canteiro de obras temporário ou local de emergência, pode ser conectado a um gerador, a um serviço público local ou a um barramento de carga isolado. Para aplicações envolvendo oSistema Móvel de Armazenamento de Energia em Reboque de 100kW/215kWh, os arranjos de aterramento devem ser verificados em relação ao modo de operação da saída de 400 V AC, à configuração de neutro do inversor e a qualquer equipamento de transferência utilizado entre fontes de carregamento da rede, solar fotovoltaica e gerador a diesel. Um transformador de aterramento não é automaticamente necessário, mas uma estratégia definida de aterramento e proteção contra faltas é essencial sempre que as configurações de fonte mudam.

Perguntas a fazer antes de liberar a especificação

• A fonte ou o barramento é conectado em delta, não aterrado, aterrado por impedância ou já solidamente aterrado?
• Alguma carga requer alimentação fase-neutro, ou o neutro é necessário apenas para proteção?
• Qual corrente de falta à terra é necessária para a detecção pelo relé e por quanto tempo o equipamento de aterramento deve suportá-la?
• O neutro será solidamente aterrado, aterrado por resistência ou aterrado por reatância?
• Quais são a corrente capacitiva dos cabos da rede e as condições harmônicas previstas?
• Geradores, transformadores em paralelo, sistemas de energia móveis ou recursos baseados em inversores podem criar caminhos adicionais de sequência zero?
• Que nível de isolamento do painel, tipo de invólucro, condição ambiente e espaço de instalação o equipamento deve atender?

Essas perguntas frequentemente revelam que a seleção do transformador é, na verdade, uma decisão de coordenação de proteção. O transformador de aterramento, NGR, posicionamento do transformador de corrente, relé de terra e procedimento operacional devem ser tratados como um único conjunto projetado.

Erros comuns de seleção

Um erro frequente é especificar uma unidade zig-zag sem indicar a duração da falta à terra. “Transformador de aterramento de neutro” não é informação suficiente para fabricação ou avaliação. A tensão requerida do sistema, corrente de aterramento, duração, conexão, requisitos de impedância, classe de isolamento, configuração de resfriamento, instalação interna ou externa e interface do resistor devem ser claramente definidos.

Outro erro é não considerar fontes de aterramento em paralelo. Uma planta pode adicionar um gerador, um segundo transformador ou uma fonte de energia temporária anos após a instalação original. Se cada fonte fornecer um neutro aterrado, a corrente de falta à terra poderá se dividir de maneiras inesperadas. Uma proteção que funcionava no papel para uma única fonte pode se tornar menos seletiva após a expansão.

Por fim, evite tratar um transformador de aterramento como um acessório genérico. Ele é um componente de proteção com influência direta sobre a energia de falta, os esforços nos equipamentos, o desempenho dos relés e a segurança do pessoal. O projeto correto merece a mesma análise aplicada às classificações dos painéis e à coordenação dos dispositivos de proteção.

Fazendo a escolha final

Escolha um transformador de aterramento zig-zag quando o sistema for trifásico de três fios ou conectado em delta, for necessário estabelecer um neutro estável, a corrente de falta à terra precisar ser controlada e não houver requisito de alimentar cargas rotineiras fase-neutro. Sua função específica de sequência zero o torna uma solução convincente para sistemas de distribuição industriais e de infraestrutura aterrados por resistência.

Escolha uma configuração em estrela quando o neutro também precisar suportar cargas utilizáveis, quando a transformação de tensão fizer parte do projeto ou quando a configuração existente do sistema favorecer naturalmente um transformador convencional conectado em estrela. Em ambos os casos, a melhor resposta resulta de uma análise coordenada dos estudos de falta, ajustes de proteção, conexões das fontes e modos reais de operação.

A Jinshida Electric Power Technology apoia projetos de distribuição de energia com seleção de equipamentos orientada pela engenharia, disciplina de fabricação e atenção prática às condições operacionais de redes elétricas, indústria, novas energias e infraestrutura. Para os avaliadores, o resultado mais confiável não é simplesmente escolher zig-zag ou estrela — é escolher o método de aterramento que se comporta de forma previsível quando o sistema está sob estresse.