Como dimensionar um transformador de aterramento do neutro para corrente de falta

Um transformador de aterramento de neutro não deve ser dimensionado apenas com base na capacidade do transformador, nem no nível prospectivo de curto-circuito trifásico. Sua principal finalidade é criar uma referência de neutro e estabelecer um caminho de retorno controlado para faltas monofásicas à terra em um sistema de média tensão não aterrado ou conectado em delta. Portanto, a classificação correta é determinada pela corrente de falta à terra necessária, pela rede real de sequência zero, pelo tempo de eliminação da proteção e pelo esforço térmico imposto tanto ao transformador quanto ao resistor de aterramento.

A decisão principal não é simplesmente “qual deve ser o tamanho do transformador?” É:qual corrente de falta deve circular, por quanto tempo, através de qual impedância de aterramento e com qual sensibilidade de proteção? Um transformador de aterramento eletricamente subdimensionado pode superaquecer durante uma falta. Um equipamento selecionado com impedância excessiva pode impedir a atuação do relé. Um equipamento projetado para corrente desnecessariamente alta pode aumentar a energia de arco elétrico e os danos no ponto de falta sem melhorar o desempenho da proteção.

Comece pela corrente de falta à terra pretendida

A corrente de falta à terra normalmente é selecionada como um parâmetro de proteção do sistema antes de se definir a classificação do transformador de aterramento de neutro. O nível escolhido deve ser alto o suficiente para operar de forma confiável o relé de falta à terra aplicável, a configuração dos TCs e a proteção do alimentador, mas suficientemente baixo para limitar os esforços nos equipamentos e os danos causados pela falta.

Em um sistema aterrado por resistência, a corrente necessária é frequentemente estabelecida pelo resistor de aterramento do neutro (NGR). Se a resistência for a impedância dominante no circuito de falta, uma primeira estimativa é:

R_N ≈ V_LN / I_GF

Onde:

• R_Né o valor do resistor de neutro em ohms;
• V_LNé a tensão nominal entre linha e neutro;
• I_GFé a corrente de falta à terra desejada.

Para um sistema de 13,8 kV, a tensão entre linha e neutro é aproximadamente 7,97 kV. Se a corrente de falta à terra pretendida for 400 A, o valor inicial do resistor será aproximadamente:

7,970 / 400 = 19.9 Ω

Esse resultado é apenas um ponto de partida. A corrente de falta é afetada pela impedância de sequência zero do transformador de aterramento, pelas impedâncias de sequência da fonte e dos cabos, pela resistência de falta e pela localização da falta. A corrente final deve ser verificada por meio de um estudo de redes de sequência ou de um modelo de sistema equivalente, e não apenas pelo cálculo do resistor.

Utilize o modelo de falta monofásica à terra, não uma suposição simplificada apenas com resistor

O cálculo confiável para uma falta monofásica à terra franca baseia-se em componentes simétricas:

I_LG = 3V_ph / (Z₁ + Z₂ + Z₀ + 3Z_f)

Onde Z₁,Z₂ eZ₀são as impedâncias de sequência positiva, negativa e zero vistas a partir do local da falta, enquantoZ_frepresenta a impedância do caminho de falta. Em uma configuração aterrada por resistência, o resistor de neutro é representado no caminho de sequência zero como três vezes seu valor ôhmico físico. A reatância de sequência zero do transformador de aterramento também faz parte desse caminho.

Essa distinção é importante porque um transformador de aterramento de neutro não é um ponto neutro sem perdas. A configuração e a impedância de seus enrolamentos contribuem para a impedância total do circuito. Se a reatância do transformador for ignorada, a corrente de falta calculada poderá ser significativamente maior do que a corrente disponível para o relé em operação.

Portanto, uma análise de projeto deve estabelecer:

• a tensão nominal do sistema e a tensão máxima de operação;
• a configuração da fonte de transformador ou gerador que alimenta o barramento;
• todas as fontes de aterramento em paralelo, incluindo geradores, transformadores e capacitância dos cabos;
• a impedância de sequência zero declarada do transformador de aterramento;
• a resistência e a tolerância do NGR;
• os níveis mínimo e máximo de falta em cada local relevante de barramento ou alimentador;
• a corrente mínima de falta necessária para uma operação confiável da proteção.

Para a coordenação de relés, o caso de corrente mínima de falta costuma ser mais importante do que o caso de corrente máxima. Uma falta na extremidade de um alimentador de cabo longo, com menor geração em operação ou com uma configuração de rede alterada, pode produzir menos corrente do que o valor considerado no barramento principal.

Selecione corretamente a tensão e a conexão do transformador de aterramento

O transformador de aterramento de neutro deve corresponder à tensão do sistema e ser adequado à conexão de enrolamento pretendida. Transformadores de aterramento em zigue-zague são amplamente utilizados quando é necessário um ponto neutro em um sistema de três fios, pois fornecem um caminho de baixa impedância para corrente de sequência zero enquanto consomem pouca corrente em condições equilibradas. Um transformador de aterramento estrela-delta é outra configuração estabelecida, especialmente quando requisitos de isolamento ou de integração específica ao sistema influenciam a escolha.

A tensão relevante não é apenas a classificação entre linhas do barramento. O resistor de neutro é submetido a aproximadamente a tensão entre linha e neutro durante uma falta à terra. Para um sistema com tensão nominal entre linhas V_LL:

V_LN = V_LL / √3

A tensão de projeto deve refletir a maior tensão de sistema que pode ser mantida, e não apenas o valor nominal indicado em um diagrama unifilar. A coordenação de isolamento, as classificações dos para-raios, as condições de sobretensão temporária e a norma aplicável ao equipamento também devem ser analisadas. Por exemplo, um transformador de aterramento instalado em um sistema da classe 15 kV deve ser avaliado em relação à tensão máxima real de serviço e ao nível de isolamento exigido por esse sistema.

Ao analisar os dados do fornecedor, é importante distinguir entre um valor de impedância padrão do transformador e a impedância efetiva de sequência zero relevante para o serviço de aterramento. Esta última é o valor que afeta a corrente de falta à terra. A conexão, a configuração do condutor de neutro, a interface do resistor e qualquer TC de neutro fornecido devem estar claramente identificados nos desenhos aprovados.

Converta o regime de corrente de falta em kVA do transformador de aterramento

Ao transformador de aterramento é normalmente atribuída uma classificação de kVA de curta duração com base na corrente de falta à terra selecionada. Para um transformador de aterramento trifásico, uma expressão prática de classificação é:

kVA = V_LL × I_GF / (√3 × 1,000)

De forma equivalente, como V_LN = V_LL/√3:

kVA = V_LN × I_GF / 1,000

Usando o exemplo de 13,8 kV e 400 A:

kVA = 13.8 × 400 / 1.732 = aproximadamente 3,187 kVA

Isso não significa que a unidade deva operar continuamente como um transformador de distribuição de 3,2 MVA. Significa que o transformador de aterramento deve suportar a corrente especificada na tensão declarada durante a duração de falta definida. Sua placa de identificação deve indicar explicitamente esse regime, como uma corrente ou kVA definidos para 10 segundos, 30 segundos, 60 segundos ou operação contínua.

Não substitua esse regime pela classificação de carga normal de um transformador de potência associado. Um transformador de aterramento pode conduzir corrente desprezível durante a operação normal equilibrada, mas ainda assim estar sujeito a severo esforço térmico durante uma falta à terra.

A classificação de tempo é tão importante quanto a classificação de corrente

Os equipamentos de aterramento são frequentemente especificados para serviço de curta duração, pois se espera que a proteção isole rapidamente a falta. A duração correta é determinada pela sequência completa de eliminação: tempo de operação do relé, tempo de abertura do disjuntor, atraso intencional de coordenação, tempo da proteção de retaguarda e qualquer tempo plausível de eliminação por falha do disjuntor. O menor tempo de operação da proteção principal não é uma base adequada se o equipamento precisar sobreviver à falha de um disjuntor ou a um evento de isolamento atrasado.

O esforço térmico segue uma relação I²t. Uma unidade selecionada para determinada corrente durante 10 segundos não pode ser automaticamente considerada adequada para a mesma corrente durante 60 segundos. Por outro lado, reduzir a duração da falta pode reduzir a classificação térmica de curta duração necessária, mas somente se o desempenho de eliminação presumido for sustentado pelo esquema de proteção e pelos requisitos do projeto.

O serviço para faltas repetidas também merece atenção. Um transformador de aterramento de neutro e um resistor com classificação de curta duração precisam de tempo para resfriar após uma falta. Quando a filosofia de operação permitir religamento, investigação prolongada de faltas ou exposição repetida a faltas, as premissas térmicas devem ser documentadas, e não deixadas implícitas.

Verifique a sensibilidade da proteção antes de definir o valor do resistor

A corrente de falta desejada deve exceder o limiar prático de atuação do sistema de proteção com margem suficiente. Essa análise inclui ajustes de atuação do relé, relação e precisão dos TCs, método de medição de corrente residual, corrente de carga dos alimentadores e coordenação com dispositivos a montante e a jusante.

Um erro comum é selecionar a menor corrente de falta possível para minimizar os danos e depois descobrir que os relés do alimentador não conseguem distinguir de forma confiável uma falta à terra real de um desequilíbrio normal, erro de TC ou corrente capacitiva. O erro oposto é selecionar um nível de corrente de aterramento de alta resistência baseado apenas na capacidade de suportação disponível do quadro de manobra. Corrente mais alta não é automaticamente melhor; ela pode impor uma condição de falta por arco mais severa e aumentar os danos térmicos no ponto de falta.

Em sistemas com grande quantidade de cabos, a corrente capacitiva total de carga entre fase e terra exige atenção especial. O projeto de aterramento deve fornecer uma corrente de falta que permaneça distinguível da corrente de carga e permita uma detecção estável de faltas à terra. O método e a margem aplicáveis dependem da filosofia de proteção e da norma ou especificação do proprietário; eles devem ser confirmados durante o estudo de coordenação da proteção, e não presumidos a partir de uma regra genérica.

A impedância do transformador de aterramento deve ser especificada como limite, e não deixada como valor genérico de catálogo

Após selecionar a corrente de falta à terra alvo e o resistor, calcule a impedância admissível do transformador de aterramento. Se a reatância do transformador for muito alta, a corrente real ficará abaixo da meta de proteção. Se for menor do que a presumida, a corrente poderá exceder o regime previsto do resistor e a base de coordenação da proteção.

Para análise preliminar, a impedância é frequentemente expressa em por unidade ou em percentual na base do transformador de aterramento:

Z_base = V_LL² / S_base

A impedância percentual pode então ser convertida em ohms e inserida no estudo de sequência zero. Como as conexões do transformador de aterramento afetam a forma como as grandezas de sequência são representadas, os dados de impedância do fabricante e o modelo do estudo devem utilizar a mesma base. Um valor percentual sem base de tensão, base de kVA, conexão e significado de sequência declarados é insuficiente para a seleção final.

Verifique também se o fabricante informa a impedância na corrente nominal de aterramento, nos kVA nominais ou em outra condição. Isso é especialmente relevante para transformadores de aterramento personalizados de curta duração, cuja classificação de placa pode diferir da de um transformador convencional de classificação contínua.

As condições de instalação podem alterar a seleção prática

Os equipamentos de aterramento são frequentemente instalados ao lado de quadros de média tensão, dentro de um invólucro de subestação ou em um compartimento externo dedicado. Espaço, ventilação, acesso às terminações de cabos, dissipação de calor do resistor, roteamento do condutor de neutro e folga para manutenção podem restringir a configuração final.

Quando uma subestação compacta estiver sendo avaliada, o transformador de aterramento deve ser tratado como uma parte definida do esquema de aterramento, e não como um acessório presumido. Por exemplo, umaSubestação Compacta Tipo Europeu pode ser configurada para aplicações de distribuição em média tensão, mas o avaliador deve confirmar se o transformador de aterramento, o NGR, o TC de neutro, o indicador de falta, as disposições de ventilação e as interconexões necessários estão incluídos no escopo fornecido ou exigem uma montagem separada.

As condições ambientais afetam o desempenho térmico. Invólucros externos, alta temperatura ambiente, altitude, contaminação e fluxo de ar restrito podem reduzir a margem disponível de dissipação de calor. O próprio NGR pode atingir altas temperaturas durante o serviço, portanto deve-se considerar a separação em relação ao isolamento de cabos sensíveis, à fiação de controle e às superfícies do invólucro. A classificação IP do invólucro, por si só, não comprova que o resistor e o transformador possam atender ao seu regime de elevação de temperatura na configuração instalada.

Documentação que deve ser solicitada antes da aprovação

Uma documentação tecnicamente completa para um transformador de aterramento de neutro deve identificar a tensão do sistema, o tipo de conexão, a corrente nominal de falta à terra, a duração do serviço, a frequência, o nível de isolamento, a impedância de sequência zero, os limites de temperatura dos enrolamentos, o método de resfriamento, a configuração dos terminais e os requisitos de ensaio aplicáveis. A documentação do NGR deve indicar o valor da resistência, a tolerância, a classificação de corrente, a classificação de tempo, a elevação de temperatura, o material e quaisquer contatos de monitoramento.

A documentação de proteção deve apresentar as correntes mínima e máxima calculadas de falta monofásica à terra, os ajustes de atuação dos relés, os tempos de eliminação, os detalhes dos TCs e as premissas utilizadas para as impedâncias da fonte e dos cabos. A análise estará incompleta se o transformador for classificado com base em uma corrente desejada, mas o estudo de rede demonstrar uma corrente substancialmente diferente nos locais protegidos.

Assim, a sequência adequada de seleção consiste em estabelecer o objetivo de proteção, modelar o circuito real de sequência zero, selecionar a resistência do resistor, verificar a faixa de corrente de falta, classificar o transformador de aterramento de neutro quanto à tensão e aos kVA de curta duração e, em seguida, confirmar a adequação térmica e de instalação. Tratar esses itens como itens de aquisição separados sem uma base de cálculo comum é a principal fonte de incompatibilidades evitáveis em sistemas de aterramento.