Grupos vetoriais de transformadores trifásicos ONAN: adequação aos requisitos do sistema

O grupo vetorial correto para um transformador trifásico ONAN é aquele que atende à configuração de aterramento da rede, ao deslocamento de fase necessário e às conexões de operação. O Dyn11 pode fornecer um neutro no lado de baixa tensão e um caminho pelo delta para correntes de circulação de sequência zero, enquanto o Yyn0 apresenta deslocamento zero, mas exige uma análise mais cuidadosa do aterramento do neutro e da impedância de sequência zero. Nenhuma das designações é universalmente melhor.

ONAN significa óleo natural, ar natural: descreve como o calor se desloca pelo óleo do transformador e chega ao ar ao redor. Isso não determina a conexão dos enrolamentos, a disponibilidade do neutro ou a relação de fase. Essas características elétricas devem ser especificadas separadamente, sobretudo quando os transformadores alimentam cargas a quatro fios, conectam geração renovável ou operam em paralelo.

Interprete o grupo vetorial como uma relação elétrica

Na notação IEC, as letras maiúsculas identificam a conexão do enrolamento de alta tensão, e as minúsculas identificam a conexão do enrolamento de baixa tensão. D ou d significa delta, Y ou y significa estrela, e Z ou z significa zigue-zague. N ou n indica que o ponto neutro correspondente está disponível em um terminal. A ordem dos enrolamentos segue a classe de tensão, não a direção do fluxo de potência.

O número do relógio expressa a posição do fasor de baixa tensão em relação à referência de alta tensão, sendo que cada hora representa 30 graus elétricos. No Dyn11, o enrolamento de alta tensão é conectado em delta, o de baixa tensão é conectado em estrela com neutro acessível, e o fasor de baixa tensão ocupa a posição das 11 horas. De acordo com essa convenção, ele adianta 30 graus em relação à referência de alta tensão. O Dyn1 representa um atraso de 30 graus; o Yyn0 tem deslocamento zero.

Essas relações devem ser interpretadas usando as marcações de terminais e a sequência de fases especificadas. Uma indicação abreviada como “defasagem de 30 graus” é insuficiente para trabalhos de interconexão, pois não informa a direção. Desenhos, ajustes de relés e registros de comissionamento devem usar a mesma convenção de referência.

A designação identifica a conexão, mas não descreve completamente o desempenho. Dois transformadores com o mesmo grupo vetorial podem ter impedâncias de sequência zero, capacidades nominais do neutro, impedâncias de curto-circuito e capacidades térmicas diferentes.

A disponibilidade do neutro não equivale a um projeto de aterramento eficaz

Um enrolamento conectado em estrela com neutro acessível permite uma alimentação trifásica a quatro fios. Isso, por si só, não define se o neutro deve ser solidamente aterrado, aterrado por resistência ou conectado por outro arranjo de aterramento. A escolha determina a corrente de falta à terra, as sobretensões temporárias, as considerações sobre tensão de toque e a sensibilidade necessária da proteção.

Em um transformador Dyn que alimenta cargas de baixa tensão aterradas, a corrente de sequência zero pode circular pelo enrolamento conectado em estrela e produzir uma corrente de circulação compensatória dentro do delta. A corrente de linha correspondente de sequência zero não passa para o circuito de alta tensão a três fios. Essa distinção é importante: o delta fornece um caminho interno, mas não é um condutor neutro externo e não elimina a necessidade de projetar o sistema de aterramento de baixa tensão.

A rede a montante continua fornecendo energia durante uma falta à terra a jusante. Impedir a transferência da corrente de linha de sequência zero não equivale a isolar a rede a montante de todos os componentes da falta. As correntes de sequência positiva e negativa, a magnitude da falta e a impedância do transformador continuam sendo relevantes para a coordenação.

No Yyn0, a letra minúscula n confirma apenas que o neutro de baixa tensão está acessível. Ela não indica que o neutro de alta tensão também esteja acessível. Se o ponto estrela de alta tensão estiver isolado, a fonte não poderá fornecer o mesmo caminho de corrente de sequência zero que uma conexão em estrela aterrada. Sem um enrolamento estabilizador em delta, a excitação de sequência zero e a distorção de tensão dependem fortemente da construção magnética e das condições de operação.

Um núcleo de três colunas, um núcleo de cinco colunas e um banco de unidades monofásicas não oferecem caminhos de fluxo de sequência zero idênticos. Em um projeto de três colunas, o fluxo de sequência zero pode retornar pelo óleo, pelas partes estruturais e pelo tanque, afetando a impedância e o aquecimento por correntes parasitas. Portanto, o Yyn0 não deve ser rejeitado de forma categórica, mas também não deve ser selecionado apenas porque o deslocamento de fase zero parece conveniente.

Quando os cálculos de falta à terra dependem do comportamento do transformador, solicite os dados de impedância de sequência zero para a configuração prevista de terminais e aterramento. A impedância percentual de sequência positiva, por si só, não é uma substituição adequada.

Cargas desequilibradas e harmônicas revelam limitações da conexão

Uma rede industrial ou comercial a quatro fios pode apresentar cargas monofásicas desiguais mesmo quando sua demanda total permanece abaixo da potência nominal em kVA do transformador. A corrente de neutro resultante e o desequilíbrio das tensões de fase exigem uma avaliação separada. A disponibilidade de um neutro não comprova que o enrolamento, o condutor do neutro, a bucha e a terminação possam conduzir a corrente contínua necessária.

As conexões em zigue-zague podem fornecer um caminho útil para correntes de sequência zero e ajudar a manter o desempenho da tensão fase-neutro sob cargas desequilibradas. Sua adequação ainda depende do projeto do enrolamento e do regime nominal de operação. Um transformador de aterramento em zigue-zague, por exemplo, pode ser projetado principalmente para conduzir corrente de falta à terra por um curto período, e não para alimentar cargas continuamente; sua função não deve ser confundida com a de um transformador de distribuição com potência nominal plena.

Os enrolamentos em delta também fornecem um caminho de circulação para componentes triplas, incluindo as componentes de terceira harmônica associadas ao comportamento de magnetização. Isso ajuda a controlar certos efeitos de distorção de tensão, mas não transforma um transformador Dyn em um filtro de harmônicas de uso geral.

Em um sistema equilibrado a quatro fios, as correntes de harmônicas triplas provenientes de cargas monofásicas não lineares estão em fase e se somam no neutro, em vez de se cancelarem. O enrolamento em delta não elimina essa corrente do neutro de baixa tensão. Também não elimina o aquecimento causado por outras ordens harmônicas, como a quinta e a sétima.

Quando as cargas não lineares forem significativas, a especificação deve incluir o espectro harmônico previsto, o regime de corrente do neutro e a avaliação térmica. O resfriamento ONAN descreve o mecanismo de resfriamento, não autoriza o funcionamento com qualquer carga harmônica na potência nominal em kVA. Qualquer margem de carga ou redução de capacidade deve levar em conta as perdas nos enrolamentos, as perdas parasitas, as condições ambientes e os limites de projeto do fabricante.

A operação em paralelo exige mais do que corresponder ao “Dyn”

Dois transformadores que alimentam o mesmo barramento devem apresentar fasores de tensão secundária compatíveis antes do fechamento da conexão ao barramento. O Dyn11 e o Dyn1 diferem em 60 graus elétricos quando conectados usando as mesmas identificações de fase. Fechá-los no mesmo barramento nessa condição provoca uma incompatibilidade grave, não um erro administrável de divisão de carga.

Algumas diferenças de grupo vetorial podem ser acomodadas por meio de alterações projetadas nas conexões externas de fase. Essa possibilidade não autoriza improvisar trocas de terminais. A configuração concluída deve manter a sequência de fases prevista para o barramento, o comportamento de aterramento, as referências de proteção e os requisitos de isolamento, além de ser confirmada por testes de faseamento.

Mesmo grupos vetoriais iguais não garantem uma operação paralela satisfatória. A avaliação também deve considerar:

• Relação de tensão e posição do tap: tensões secundárias em vazio desiguais provocam correntes de circulação antes da alimentação de uma carga útil.
• Impedância de curto-circuito: impedâncias por unidade desiguais resultam em carregamentos diferentes em relação à potência nominal de cada transformador.
• Ângulo da impedância: relações diferentes entre resistência e reatância afetam a divisão das cargas ativa e reativa.
• Sequência de fases e identificação dos terminais: placas de identificação correspondentes não corrigem cabos conectados incorretamente.
• Conexões do neutro e de aterramento: caminhos de neutro em paralelo podem alterar a divisão da corrente de sequência zero e o comportamento da proteção contra faltas à terra.

Para relações aproximadamente iguais e ângulos de impedância semelhantes, a carga se divide inversamente à impedância em ohms referida ao lado comum. Portanto, a potência nominal é importante ao comparar impedâncias percentuais: valores percentuais idênticos em transformadores de potências nominais diferentes não significam impedâncias ôhmicas idênticas. A combinação proposta deve ser verificada em condições de demanda máxima, demanda mínima e posições de tap pertinentes.

A proteção deve refletir a conexão efetivamente instalada

A proteção diferencial do transformador compara as correntes dos enrolamentos, que apresentam diferentes relações de tensão e corrente. Em um transformador delta–estrela, o relé deve compensar o deslocamento de fase, a relação de transformação e os efeitos aplicáveis de sequência zero. Os relés numéricos podem fazer essa compensação internamente, mas seus ajustes devem corresponder às conexões de enrolamento e aos arranjos dos transformadores de corrente instalados.

Uma compensação incorreta pode produzir corrente diferencial durante a operação normal com carga ou em faltas externas. O erro pode passar despercebido com carga baixa e se tornar significativo durante uma falta passante. Portanto, a verificação dos dados da placa, as verificações de polaridade dos transformadores de corrente e os testes dos relés devem ser tratados como tarefas interligadas, e não como exercícios de documentação separados.

A proteção contra falta à terra restrita exige uma configuração adequada do neutro e transformadores de corrente posicionados corretamente ao redor da zona protegida. Sua implementação não pode ser inferida apenas pelo grupo vetorial. A impedância de aterramento do neutro, o encaminhamento dos condutores e eventuais caminhos paralelos de retorno pela terra influenciam a medição.

As conexões de geração renovável acrescentam outra restrição: a concessionária pode exigir uma interface de aterramento ou uma relação de fase específica. Os controles dos conversores não substituem a análise de sequência zero do transformador. O estudo de faltas à terra do sistema coletor deve incluir as conexões dos enrolamentos, os dispositivos de aterramento, os cabos e a configuração operacional, inclusive as interrupções que removem uma fonte de aterramento.

A integração de uma fonte de reserva apresenta uma questão relacionada. Um Grupo Gerador a Diesel com Canopy Silencioso trifásico a quatro fios, conectado por um sistema de transferência automática, faz com que a comutação do neutro e a ligação entre neutro e terra façam parte da mesma avaliação do sistema. Sua saída a quatro fios não determina o grupo vetorial do transformador. A comutação ou não do neutro pela chave de transferência, bem como a fonte que estabelece a referência de aterramento ativa, podem alterar os caminhos das faltas à terra. A operação em transição fechada também exige verificações de sincronização; uma tensão nominal compatível não é suficiente.

Especifique normas e evidências, não apenas um código de placa

A IEC 60076-1 fornece a estrutura geral para as potências nominais de transformadores de potência, os símbolos de conexão e os ensaios pertinentes. A IEC 60076-8 fornece orientações de aplicação, incluindo o comportamento das conexões e a operação em paralelo. Para unidades imersas em óleo mineral, a IEC 60076-7 aborda considerações de carregamento. O contrato deve identificar as edições aplicáveis e quaisquer requisitos da concessionária, em vez de presumir que uma declaração geral de conformidade com a IEC resolva todos os detalhes da aplicação.

A lista de transformadores deve indicar o grupo vetorial junto com as tensões nominais, a faixa de taps, a frequência, a impedância de curto-circuito e sua tolerância, os requisitos do terminal de neutro, o arranjo de aterramento e as características da carga. Quando pertinente, deve também solicitar a impedância de sequência zero, a capacidade de corrente do neutro e os detalhes de qualquer enrolamento estabilizador.

A verificação dos símbolos de conexão e do deslocamento de fase deve constar na documentação de aceitação em fábrica. As medições de sequência zero podem exigir um acordo explícito sobre a configuração do ensaio e a apresentação dos resultados. O comissionamento em campo deve então confirmar a sequência de fases e o faseamento efetivos, pois os resultados de fábrica não podem verificar as conexões externas dos cabos ou dos equipamentos de manobra.

Uma seleção tecnicamente completa é, portanto, mais específica do que “ONAN, Dyn11”. Ela define qual neutro está disponível, como é aterrado, como a corrente de falta à terra retorna, qual relação de fase existe em cada barramento e se o transformador pode compartilhar carga com os equipamentos existentes. Quando essas condições são definidas e respaldadas por cálculos e registros de ensaio, o grupo vetorial se torna uma interface de sistema verificada, em vez de uma escolha isolada de placa de identificação.