Por que um transformador de aterramento zig-zag cria um ponto neutro

Por que um transformador de aterramento zig-zag cria um ponto neutro

Um transformador de aterramento zig-zag cria um ponto neutro ao combinar enrolamentos de fase em uma configuração equilibrada que fornece um caminho estável para correntes de sequência zero e de falta à terra.

Para engenheiros que pesquisam sistemas não aterrados ou conectados em delta, compreender este princípio é essencial para melhorar a proteção contra falhas, a confiabilidade do sistema e a segurança operacional.

A ideia central é simples: um transformador zig-zag não necessita de um condutor neutro convencional no enrolamento da fonte para estabelecer um neutro de sistema utilizável.

Em vez disso, seus enrolamentos especialmente interconectados fazem com que as tensões trifásicas normais se cancelem, ao mesmo tempo que permitem o fluxo de corrente de sequência zero durante uma falta à terra.

Essa distinção explica por que os transformadores de aterramento zig-zag são amplamente utilizados quando um sistema delta, transformador conversor, barramento de gerador ou rede isolada não dispõe de um neutro acessível.

Eles não são instalados principalmente para transferir potência de carga. Sua função principal é o aterramento, o controle da corrente de falta e o fornecimento de um ponto de referência para dispositivos de proteção.

Que problema um ponto neutro resolve?

Muitos sistemas de média tensão operam com enrolamentos conectados em delta ou não possuem um ponto neutro físico disponível no barramento a ser protegido.

Sem uma referência de neutro, uma falta monofásica à terra pode produzir uma corrente de falta baixa, imprevisível ou predominantemente capacitiva, dependendo da capacitância do sistema.

Essa condição pode tornar a proteção convencional de sobrecorrente menos confiável. Também pode permitir sobretensões temporárias nas duas fases não afetadas após uma falta à terra.

Em um sistema não aterrado, a primeira falta pode não interromper imediatamente a operação. No entanto, o estresse de isolamento e o risco de uma segunda falta podem aumentar.

Um transformador de aterramento cria uma conexão definida entre o sistema elétrico e a terra, permitindo que os engenheiros selecionem um método de aterramento deliberado.

O método de aterramento pode ser aterramento sólido, aterramento por resistência ou aterramento por reatância, dependendo dos objetivos de proteção e dos limites permitidos de corrente de falta.

Para muitas instalações industriais, o aterramento por resistência é selecionado porque produz corrente suficiente para uma detecção confiável sem causar danos excessivos aos equipamentos.

Assim, o transformador fornece uma referência aos relés de proteção e oferece à corrente de falta um caminho de retorno projetado, em vez de deixar o comportamento do sistema sem controle.

Como funciona a disposição dos enrolamentos zig-zag

Um transformador de aterramento zig-zag possui três colunas de fase, mas cada enrolamento de fase é dividido em duas seções iguais, posicionadas em diferentes colunas do núcleo.

Cada seção é conectada a uma seção associada a outra fase. A interconexão resultante cria o padrão característico de enrolamento zig-zag.

Em condições de operação trifásica equilibrada, as contribuições de tensão das seções dos enrolamentos se opõem entre si e se cancelam em grande parte na conexão do neutro.

Como as tensões de fase são equilibradas, o transformador tem demanda magnetizante muito baixa e normalmente conduz apenas uma pequena corrente em serviço.

Durante uma falta à terra, a situação muda. As três correntes de fase associadas à falta são correntes de sequência zero, compartilhando a mesma relação de fase.

Para a corrente de sequência zero, as tensões das seções dos enrolamentos deixam de se cancelar da mesma forma. Em vez disso, o transformador apresenta um caminho de retorno de baixa impedância.

Isso permite que a corrente flua da fase em falta, através do sistema de aterramento, para o neutro do transformador zig-zag e retorne por seus enrolamentos.

A disposição estabelece um ponto neutro mesmo que o sistema a montante seja conectado em delta e não tenha um condutor neutro disponível para aterramento direto.

Por que a corrente normal de carga não flui através dele

Um equívoco comum é considerar que um transformador de aterramento zig-zag se comporta como um transformador de distribuição comum que alimenta um circuito de carga neutro.

Seu comportamento operacional normal é diferente. Correntes de carga equilibradas de sequência positiva não criam um caminho de corrente significativo através do neutro do transformador de aterramento.

As conexões dos enrolamentos são projetadas para que os componentes de fluxo de fase equilibrados se compensem, minimizando a excitação do núcleo pelo sistema elétrico normal.

É por isso que uma unidade zig-zag corretamente selecionada pode permanecer levemente carregada durante a operação normal e ainda responder intensamente durante faltas à terra.

Sua classificação é, portanto, normalmente especificada em termos de capacidade de falta à terra de curta duração, impedância, tensão e capacidade térmica, e não apenas pela capacidade contínua de carga.

Por exemplo, um transformador de aterramento pode ser projetado para conduzir uma corrente de falta especificada durante dez segundos, trinta segundos ou outro período de eliminação da proteção.

Os engenheiros devem coordenar essa capacidade com o tempo de operação do relé, o tempo de abertura do disjuntor, a capacidade do resistor de aterramento e as características esperadas de falta do sistema.

Selecionar somente pela tensão nominal do sistema é insuficiente. A capacidade de corrente de falta e a filosofia de proteção determinam se o transformador está adequadamente dimensionado.

O que acontece durante uma falta monofásica à terra?

Considere um barramento delta trifásico sem neutro aterrado. Uma falta fase-terra ocorre em um condutor a jusante do barramento.

Sem equipamentos de aterramento, a corrente de falta pode ser limitada principalmente pela capacitância distribuída dos cabos, pelos para-raios e por outros caminhos não intencionais do sistema.

Com um transformador de aterramento zig-zag instalado, o ponto neutro é conectado à terra diretamente ou por meio de um resistor de aterramento.

A fase em falta passa então a ter um caminho de retorno intencional. A corrente flui através da falta, da rede de aterramento dos equipamentos e da conexão neutra do transformador.

Os enrolamentos zig-zag retornam o componente de sequência zero ao sistema trifásico, mantendo a operação normal da tensão fase-fase praticamente inalterada.

Os relés de proteção medem a corrente residual ou de terra resultante e comandam a operação do disjuntor apropriado ou do sistema de alarme.

O resistor, se incluído, limita a corrente a um valor planejado. Isso pode reduzir a energia de arco elétrico, o estresse mecânico e os danos localizados.

Ao mesmo tempo, a corrente de falta deve permanecer acima do limiar de atuação da proteção sob condições plausíveis de falta mínima, incluindo alimentadores longos.

Escolha entre aterramento sólido, por resistência e por reatância

Um transformador de aterramento zig-zag pode suportar diversas estratégias de aterramento, mas o próprio transformador não determina o nível final de corrente de falta.

O aterramento sólido conecta o neutro diretamente à terra. Ele pode produzir alta corrente de falta à terra e geralmente é aplicado onde é necessária uma eliminação rápida.

O aterramento por baixa resistência utiliza um resistor de aterramento do neutro para permitir uma corrente de falta controlada e relativamente alta para a operação rápida e seletiva da proteção.

O aterramento por alta resistência limita a corrente a um nível muito mais baixo, muitas vezes permitindo a continuidade da operação após a primeira falta à terra enquanto um alarme é investigado.

O aterramento por reatância utiliza um indutor no circuito do neutro. Pode ser escolhido quando as características de impedância ou a coordenação do sistema favorecem essa abordagem.

A opção correta depende da classe de tensão, do comprimento do alimentador, da corrente de carga capacitiva dos cabos, da capacidade dos equipamentos, dos requisitos de continuidade do processo e das normas elétricas locais.

O aterramento por alta resistência não é automaticamente mais seguro para todos os sistemas. Se a detecção não puder identificar o local da falta, a operação continuada pode criar riscos operacionais.

Da mesma forma, uma corrente de falta excessiva pode melhorar a sensibilidade dos relés, mas impor estresse térmico e mecânico inaceitável aos cabos, equipamentos de manobra e transformadores.

Como dimensionar um transformador de aterramento zig-zag

O dimensionamento começa pela tensão entre linhas do sistema, pois o isolamento dos enrolamentos do transformador de aterramento deve suportar as condições de tensão operacional e transitória da rede.

O próximo valor fundamental é a corrente de falta à terra necessária. Ela é frequentemente determinada pela sensibilidade do relé, pela seleção do resistor e pela coordenação com os dispositivos de proteção a jusante.

A classificação térmica de curta duração é igualmente importante. A unidade deve suportar a corrente de falta selecionada durante todo o intervalo de eliminação da proteção sem danos.

A impedância afeta a corrente de falta à terra disponível e o desempenho dos relés. Ela deve ser avaliada juntamente com o resistor de neutro, a impedância da fonte e as características do alimentador.

Os engenheiros também devem calcular a corrente total de carga do sistema, especialmente em redes extensas de cabos, usinas renováveis, centros de dados e sistemas de distribuição industrial.

Para aterramento por alta resistência, a corrente de neutro selecionada normalmente precisa exceder a corrente de carga capacitiva do sistema por uma margem de engenharia adequada.

O projeto do núcleo, a classe de isolamento, a temperatura ambiente, o ambiente de instalação, os requisitos sísmicos e a proteção do invólucro também afetam a especificação final do equipamento.

O fabricante deve receber o diagrama unifilar, o nível de tensão, o tempo de eliminação da falta, a corrente de neutro desejada, o método de aterramento e o esquema de proteção antes da cotação.

Onde os transformadores de aterramento zig-zag são comumente utilizados

Os transformadores de aterramento zig-zag são frequentemente instalados em barramentos delta de média tensão que atendem plantas industriais, operações de mineração, instalações de processo e projetos de infraestrutura.

Eles também são úteis em sistemas coletores de energia renovável, nos quais fontes baseadas em conversores e conexões de transformadores elevadores podem não fornecer um neutro acessível.

Centros de dados e hospitais podem exigir arranjos de aterramento cuidadosamente projetados, pois a continuidade, o isolamento seletivo de faltas e a proteção dos equipamentos são prioridades operacionais.

Em redes de distribuição comerciais ou industriais, eles podem ser adicionados durante modernizações quando a conexão do transformador existente não oferece um ponto neutro adequado.

A aplicação deve ser analisada como um sistema completo de aterramento. Um transformador de aterramento não pode compensar ligações equipotenciais deficientes, ajustes inadequados de relés ou eletrodos de aterramento insuficientes.

As condições do local também são importantes. Equipamentos secos para instalação interna, unidades a óleo para instalação externa, invólucros de resistência, roteamento de cabos, ventilação e acesso para manutenção exigem planejamento coordenado.

Como isso se relaciona à seleção de transformadores de distribuição

Um transformador de aterramento e um transformador de distribuição desempenham funções elétricas diferentes, embora ambos devam ser selecionados dentro do projeto mais amplo do sistema elétrico.

O transformador de aterramento estabelece e controla a referência de neutro. O transformador de distribuição altera a tensão e atende à demanda normal de carga da instalação.

Para projetos que exigem distribuição confiável em média tensão, a seleção do transformador deve considerar a filosofia de aterramento antes da finalização dos ajustes de proteção e das classificações dos equipamentos de manobra.

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Esse produto não substitui um transformador de aterramento zig-zag projetado especificamente para essa finalidade, mas ambos podem integrar uma solução coordenada de distribuição de energia.

Erros comuns de projeto a evitar

Um erro frequente é presumir que qualquer neutro de transformador pode ser aterrado sem verificar a conexão dos enrolamentos, a capacidade de isolamento e os caminhos disponíveis para a corrente de sequência zero.

Outro é especificar um transformador de aterramento zig-zag sem definir o valor do resistor, a duração da falta, os ajustes de atuação do relé e a sequência de abertura do disjuntor.

Às vezes, os engenheiros se concentram apenas na corrente máxima de falta. A corrente mínima de falta à terra também é crítica, pois a proteção deve operar sob condições desfavoráveis.

Ignorar a corrente de carga dos cabos pode ser particularmente problemático em grandes redes de média tensão, nas quais a corrente capacitiva pode afetar o desempenho do aterramento por alta resistência.

A coordenação inadequada entre o transformador de aterramento e a proteção contra surtos pode deixar os equipamentos expostos a sobretensões temporárias durante condições anormais de operação.

Os condutores de aterramento, as conexões equipotenciais, a resistência da malha de terra e as classificações do invólucro do resistor de neutro devem ser analisados como parte do mesmo conjunto de projeto.

Por fim, não trate um transformador de aterramento com classificação de curta duração como um transformador auxiliar contínuo, a menos que o fabricante confirme que esse regime operacional é permitido.

Perguntas a fazer antes de especificar o equipamento

Comece identificando se a fonte ou o barramento possui um neutro acessível. Se possuir, um transformador de aterramento separado pode não ser necessário.

Em seguida, defina se o objetivo é a eliminação imediata da falta, a limitação controlada da corrente de falta, a operação de alarme na primeira falta ou uma combinação desses objetivos.

Pergunte qual corrente de falta à terra os relés de proteção exigem, com que rapidez os disjuntores abrem e se os dispositivos a jusante podem suportar a energia resultante.

Confirme a capacitância total dos cabos do sistema, a expansão prevista, as contribuições de geradores ou inversores e as possíveis configurações operacionais durante manutenção ou contingências.

Solicite a documentação do fabricante que abranja classificação de tensão, nível de isolamento, impedância, classificação de corrente de curta duração, elevação de temperatura, normas de ensaio e diagramas de conexão.

Para projetos internacionais, verifique antecipadamente os requisitos aplicáveis da IEC, IEEE, das concessionárias e dos códigos locais, em vez de adaptar o arranjo de aterramento após a aquisição.

Conclusão

Um transformador de aterramento zig-zag cria um ponto neutro porque seus enrolamentos divididos e interconectados em cruz cancelam os efeitos trifásicos equilibrados enquanto conduzem a corrente de falta de sequência zero.

Esse comportamento elétrico o torna uma solução prática de aterramento para sistemas delta e outros sistemas não aterrados nos quais é necessária uma detecção confiável de faltas à terra.

Seu valor está em tornar o comportamento da falta à terra intencional: a corrente pode ser limitada, medida, coordenada e eliminada conforme uma estratégia de proteção definida.

Para uma especificação adequada, avalie o sistema completo, e não apenas o transformador, incluindo a capacidade de falta, a seleção do resistor, os ajustes dos relés, os cabos e a infraestrutura de aterramento.

Quando esses elementos são coordenados, um transformador de aterramento zig-zag pode melhorar a confiabilidade da proteção, controlar o estresse dos equipamentos e contribuir para uma operação mais segura do sistema em longo prazo.