Como a impedância do transformador de aterramento altera a corrente de falta à terra

Como a impedância do transformador de aterramento altera a corrente de falta à terra

A impedância do transformador de aterramento não é um detalhe secundário a ser verificado após a seleção do transformador principal e do equipamento de manobra. Em um sistema de média tensão que, de outro modo, não possui aterramento, ela é um dos principais fatores que determinam o que ocorre durante uma falta monofásica à terra: se a corrente de falta é suficientemente alta para ser detectada pela proteção, suficientemente baixa para evitar danos desnecessários aos equipamentos e suficientemente controlada para impedir sobretensões sustentadas nas fases sãs.

Para avaliadores técnicos, a dificuldade é que “impedância” pode ter significados diferentes em um documento de licitação. Um transformador pode ter uma impedância percentual informada para desempenho em carga normal ou em curto-circuito, enquanto o estudo de falta à terra requer a impedância de sequência zero do caminho de aterramento. Esses valores estão relacionados ao projeto do transformador, mas não são intercambiáveis. Tratá-los como iguais é uma fonte comum de cálculos incorretos de corrente de falta.

Umtransformador de aterramento trifásico é normalmente instalado quando o transformador existente do sistema não fornece um ponto neutro acessível. Um transformador de aterramento em zigue-zague ou estrela-triângulo cria essa referência de neutro. Um dispositivo de impedância — na maioria das vezes um resistor de aterramento do neutro, embora reatores também sejam usados em alguns esquemas — determina então quanta corrente pode fluir do sistema para uma falta à terra.

O caminho da corrente de falta é o ponto de partida

Durante uma falta fase-terra, a corrente não percorre simplesmente o condutor de fase e retorna pelo solo. Em uma rede trifásica aterrada, ela segue um circuito de sequência zero: a fase em falta, a rede de retorno pela terra e os condutores de equipotencialização, o neutro do transformador de aterramento, seus enrolamentos e a representação da rede a montante. Cada parte desse circuito contribui com impedância.

Para uma falta monofásica à terra franca, os engenheiros normalmente expressam a corrente simétrica inicial de forma simplificada como:

I_LG = 3V_ph / (Z₁ + Z₂ + Z₀ + 3Z_f)

Aqui, Z₁, Z₂ e Z₀ são as impedâncias de sequência positiva, negativa e zero vistas do local da falta, enquanto Z_f representa a impedância do caminho de falta. Em uma rede aterrada por resistência, o resistor de aterramento do neutro é normalmente uma parte predominante do caminho de sequência zero. Dependendo de como os dados são apresentados, ele pode estar incluído em Z₀ ou ser mostrado separadamente como três vezes a impedância do neutro. A convenção deve permanecer consistente em todo o estudo.

A consequência prática é direta: uma impedância total mais alta no caminho de aterramento produz uma corrente de falta à terra menor; uma impedância mais baixa permite mais corrente. No entanto, selecionar a maior impedância disponível não é automaticamente mais seguro. Se a corrente cair abaixo da faixa confiável de atuação do arranjo de relé e transformador de corrente, uma falta persistente poderá permanecer energizada. Isso é um problema de proteção, não uma conquista de economia de impedância.

A impedância do transformador de aterramento e a impedância do resistor desempenham funções diferentes

Na maioria das instalações aterradas por resistência, o resistor de aterramento do neutro é escolhido intencionalmente para controlar a corrente de falta à terra. O próprio transformador de aterramento deve ser projetado para conduzir a corrente de sequência zero correspondente durante a duração especificada, normalmente tempo suficiente para a detecção da falta e a atuação do disjuntor. Sua impedância de enrolamento, contudo, ainda afeta o resultado final e não pode ser ignorada.

Um transformador de aterramento de baixa impedância acoplado a um caminho neutro de resistência relativamente baixa permite uma corrente de falta à terra maior. Isso pode facilitar a coordenação da proteção convencional de sobrecorrente, mas também aumenta os esforços térmicos e mecânicos sobre o transformador, o resistor de neutro, os cabos, o equipamento de manobra e o equipamento em falta. Também pode aumentar as preocupações com tensão de toque caso a malha de aterramento e o arranjo de equipotencialização não tenham sido avaliados como um sistema completo.

No outro extremo, um caminho de alta impedância limita os danos no ponto de falta e pode reduzir a energia de arco associada às faltas à terra. Porém, a proteção passa a exigir engenharia mais cuidadosa. Proteção sensível de corrente residual ou sequência zero, seleção adequada de CT, filtragem de relés e coordenação com a corrente de carga capacitiva tornam-se mais importantes. Em redes com grande quantidade de cabos, especialmente aquelas com alimentadores longos de MT, a capacitância fase-terra do sistema não é desprezível. Um projeto de aterramento que parece aceitável apenas com base nos dados do transformador pode comportar-se de forma diferente após a inclusão da rede de cabos real.

Por isso, um avaliador deve solicitar a impedância de sequência zero ou os dados de serviço de aterramento do transformador de aterramento, e não apenas sua impedância percentual normal. As informações solicitadas também devem indicar a corrente de neutro pretendida, a duração nominal, a tensão do sistema, o tipo de ligação, o nível de isolamento e a elevação de temperatura permitida para o serviço especificado. Um transformador adequado no papel para uma falta breve pode não servir para um esquema com proteção de retaguarda retardada.

Por que o tipo de ligação importa tanto quanto o valor da impedância

Um transformador de aterramento em zigue-zague é amplamente utilizado porque seu arranjo de enrolamentos fornece um ponto neutro, apresentando baixa impedância à corrente de sequência zero e impedância relativamente alta à corrente de carga equilibrada de sequência positiva. Em condições trifásicas normais, os componentes de fluxo dos enrolamentos se cancelam em grande parte. Em uma falta à terra, os componentes de sequência zero se somam no caminho de aterramento previsto.

Um arranjo estrela-triângulo também pode criar um ponto de aterramento, mas o enrolamento em triângulo deve fornecer o caminho de circulação interna necessário para a corrente de sequência zero. A escolha correta depende do nível de tensão, espaço disponível, configuração do sistema, serviço térmico exigido, harmônicos, filosofia de proteção e da necessidade de uma função de transformador auxiliar. Não é sensato especificar um arranjo apenas por hábito.

Uma questão sutil é a relação entre o transformador de aterramento e o transformador de fonte. Um transformador de fonte ligado em triângulo pode bloquear a passagem da corrente de sequência zero para montante. Nessa situação, o transformador de aterramento local pode tornar-se o principal caminho de retorno para uma falta à terra no barramento a jusante. Portanto, sua impedância e o resistor de neutro têm uma influência muito mais direta no nível de falta do que teriam em um sistema de fonte de concessionária solidamente aterrado.

A seleção de uma corrente-alvo de falta à terra é um exercício de coordenação

O ponto de partida deve ser um estudo do sistema, não uma classificação preferida de resistor. Normalmente, os engenheiros precisam do diagrama unifilar do sistema, grupos vetoriais dos transformadores, contribuições de geradores e inversores quando aplicável, comprimentos dos alimentadores e tipos de cabos, pontos de aterramento existentes, características de carga e ajustes de proteção. Para usinas renováveis, a capacitância dos cabos dos circuitos coletores e o comportamento de aterramento dos transformadores elevadores dos inversores merecem atenção especial. Um projeto solar ou eólico pode mudar significativamente entre o projeto inicial e o roteamento final dos cabos.

A corrente de falta à terra selecionada precisa atender simultaneamente a várias condições:

• Deve exceder a corrente de carga capacitiva esperada por uma margem adequada ao método de aterramento e à filosofia de proteção selecionados.
• Deve ser suficientemente alta para que a proteção primária e de retaguarda detecte uma falta de forma confiável no local relevante mais distante.
• Deve permanecer dentro da capacidade de corrente de curta duração do transformador de aterramento, resistor, condutor de neutro, equipamento de manobra e sistema de aterramento.
• Deve permitir uma coordenação aceitável dos relés sem fazer com que um dispositivo a montante desarme antes da proteção do alimentador local.
• Deve ser analisada em relação aos requisitos IEC, IEEE, da concessionária ou da rede local aplicáveis ao projeto, em vez de ser presumida a partir de um projeto genérico.

Não existe uma corrente de falta à terra “ideal” universal. Redes industriais frequentemente favorecem o aterramento controlado por resistência para equilibrar continuidade e proteção dos equipamentos. Uma subestação de concessionária pode seguir uma abordagem de aterramento definida pelo operador da rede. Sistemas de energia temporária podem ser limitados por layouts compactos de equipamentos e informações restritas de estudos de falta. O nível correto está sempre vinculado ao sistema real e ao esquema de proteção que atuará nele.

Não negligencie as tolerâncias de impedância e os detalhes de instalação

A corrente calculada é tão boa quanto as premissas que a sustentam. A impedância do transformador possui tolerância de fabricação, e o valor do resistor de neutro muda com a temperatura. Condutores de ligação, trechos de barramento, blindagens de cabos, condutores de aterramento e resistência de contato contribuem para o circuito real. Em geral, esses fatores não invalidam um projeto sólido, mas são importantes quando a atuação do relé está próxima da corrente mínima de falta disponível.

Uma avaliação robusta verifica ambas as extremidades da faixa: a corrente máxima de falta à terra para o esforço dos equipamentos e a corrente mínima de falta à terra para a sensibilidade da proteção. A premissa de resistência de falta também deve ser realista. Uma falta metálica fornece um caso útil de corrente máxima, mas muitas faltas em campo envolvem alguma resistência. Se o relé operar apenas para uma falta franca ideal, o esquema terá pouca margem.

A instalação física também pode comprometer um bom cálculo. A ligação do neutro deve ser curta, corretamente dimensionada, claramente identificada e protegida contra desvio acidental. O invólucro do resistor necessita de ventilação adequada e proteção ambiental. Quando o transformador de aterramento está instalado em uma subestação compacta, o acesso para manutenção ao resistor, CT de neutro, elos de teste e conexões de terminais deve ser considerado antes da definição final do layout do invólucro.

Para projetos de distribuição que exigem um invólucro integrado, uma solução como aSubestação Compacta do Tipo Europeu pode ser configurada para arranjos de distribuição de alta e baixa tensão, medição e capacidades de transformador de 100 kVA a 2500 kVA. Sua adequação para um esquema de aterramento ainda depende do arranjo de neutro real, do serviço do transformador, das folgas internas, da dissipação de calor, do layout de proteção e das condições do local. Um invólucro compacto não elimina a necessidade de verificar a rede de sequência zero.

Erros comuns de avaliação

O primeiro erro é especificar um transformador de aterramento apenas por tensão e kVA. O serviço de aterramento não é um serviço comum de carga contínua. A magnitude e a duração da corrente de falta devem ser explícitas. Um segundo erro é selecionar um resistor de aterramento do neutro sem confirmar que o transformador pode conduzir a corrente associada pelo tempo exigido.

Outro erro recorrente é supor que todas as faltas à terra são detectadas pelos elementos de sobrecorrente de fase. Em sistemas aterrados por resistência, a proteção dedicada contra falta à terra é frequentemente necessária. Seu desempenho depende da posição dos CTs, da precisão da ligação residual, dos ajustes dos relés e da corrente mínima de falta disponível. O sistema de aterramento, os CTs, a lógica dos relés e o tempo de eliminação do disjuntor devem ser analisados como um único pacote de projeto.

Por fim, os engenheiros às vezes se concentram apenas na limitação da corrente e negligenciam as sobretensões temporárias. Se o aterramento for muito fraco, uma falta intermitente pode produzir condições inadequadas de tensão fase-terra nas fases não afetadas. As consequências podem incluir estresse de isolamento e indicação não confiável, especialmente onde a capacitância dos cabos é significativa. Este é um motivo para comparar alternativas de aterramento usando um estudo de rede adequado, em vez de selecionar uma impedância de um catálogo.

Uma revisão prática antes da liberação

Antes de aprovar um transformador de aterramento trifásico, confirme a tensão e a ligação nominais do sistema, a corrente e a duração de neutro exigidas, as características de sequência zero do transformador, o valor do resistor ou reator e as correntes mínima e máxima de falta à terra calculadas. Em seguida, compare esses resultados com a sensibilidade do relé, o tempo de eliminação do disjuntor, a capacidade do CT, as condições térmicas do invólucro e o projeto de aterramento do local.

Fabricantes com capacidade de engenharia em transmissão e distribuição de energia podem fornecer dados úteis de equipamentos, mas o arranjo final de aterramento deve permanecer específico para o projeto. A Jinshida Electric Power Technology Co., Ltd. apoia aplicações de equipamentos elétricos nos setores de rede elétrica, indústria, infraestrutura e energia renovável, nos quais a operação confiável depende da adequação do projeto do equipamento à rede real, em vez de depender apenas de valores nominais.

O ponto essencial é simples: a impedância do transformador de aterramento altera a corrente de falta à terra porque faz parte do caminho de retorno de sequência zero. Mas a questão de projeto é mais ampla do que “quanta corrente fluirá?”. É determinar se essa corrente é controlada, detectável, termicamente gerenciável e adequadamente coordenada desde o ponto de falta até o dispositivo de proteção que deve eliminá-la.