sistema de Aterramento do Neutro de Transformador a Óleo de 110 kV

Atransformador de Potência a Óleo de 110 kV desempenha um papel crítico na conversão de tensão e na transmissão em massa de energia elétrica. Contudo, o transformador não pode ser considerado isoladamente do arranjo de aterramento da rede elétrica.

O sistema de aterramento do neutro do transformador influencia:

• Corrente de falta à terra
• Sobretensões temporárias e transitórias
• Sensibilidade e seletividade da proteção
• Requisitos de isolamento do transformador
• Estabilidade do Sistema
• Segurança de pessoal e equipamentos

Por essa razão, o aterramento do neutro não é meramente uma escolha de acessório. Ele deve ser coordenado com a conexão dos enrolamentos do transformador, a filosofia de aterramento do sistema, o nível de isolamento, o esquema de proteção e a malha de aterramento da subestação.

Este artigo explica as principais funções, componentes e considerações de engenharia de um sistema de aterramento neutro para um transformador imerso em óleo de 110 kV.

Importante: O método apropriado de aterramento do neutro deve ser determinado pelo operador do sistema e por engenheiros qualificados em sistemas elétricos. Não deve ser selecionado exclusivamente com base na tensão nominal do transformador.

O que é o ponto neutro de um transformador de 110 kV?

Quando um enrolamento de transformador trifásico é ligado em estrela (ou wye), as três extremidades dos enrolamentos são unidas em um ponto comum. Essa ligação é denominada ponto neutro e normalmente identificada pela letra N.

O neutro fornece um ponto de referência para as tensões fase-terra. Contudo, não se deve presumir que seu potencial seja sempre zero.

Durante a operação normal e equilibrada, sua tensão em relação à terra pode estar próxima de zero. Durante uma falta à terra, um evento de chaveamento, uma ressonância ferromagnética ou outra condição desequilibrada, a tensão do neutro pode sofrer um deslocamento significativo.

O terminal neutro e seu isolamento devem, portanto, ser projetados de acordo com:

• A conexão do enrolamento
• O método de aterramento selecionado
• O projeto de isolamento do transformador
• Sobretensões temporárias esperadas
• Sobretensões causadas por descargas atmosféricas e manobras
• Tempo de operação da proteção
• O estudo de coordenação de isolamento do sistema

A IEC 60076-3 especifica os requisitos de isolamento do transformador, ensaios dielétricos e distâncias de escoamento externas para enrolamentos e terminais individuais.

O que é Transformador Aterramento do neutro?

O aterramento do neutro do transformador é a conexão intencional do neutro de um enrolamento conectado em estrela à terra.

Dependendo do projeto da rede, o neutro pode ser:

• Sistemas em estrela com aterramento sólido
• Aterrado por meio de um resistor
• Aterrado por meio de um reator
• Aterrado por meio de outra impedância
• Conectado por meio de um transformador de aterramento
• Operado sem aterramento sob condições especificadas
• Comutado entre estados aterrado e não aterrado conforme um esquema operacional aprovado

O método de aterramento determina a magnitude e o comportamento da corrente de sequência zero durante uma falha fase-terra. Também afeta a sobretensão temporária, a operação dos relés e a tensão de isolamento imposta ao transformador e aos equipamentos conectados.

A norma IEEE C62.92 descreve as considerações básicas utilizadas para selecionar os parâmetros de aterramento do neutro com o objetivo de controlar a corrente de falha à terra e a sobretensão em sistemas elétricos de concessionárias. Suas orientações para sistemas de transmissão abordam também o aterramento do neutro do transformador e a especificação dos equipamentos de aterramento.

Por que um transformador de 110 kV necessita de um arranjo adequado de aterramento do neutro?

1. Controle da corrente de falta à terra

Quando ocorre uma falta entre fase e terra, o arranjo de aterramento determina o caminho de retorno e a magnitude da corrente de falta de sequência zero.

Um neutro solidamente aterrado pode permitir uma alta corrente de falta à terra, possibilitando que os dispositivos de proteção detectem e eliminem a falta rapidamente. O aterramento por impedância limita a corrente a um valor calculado, mantendo, contudo, um sinal mensurável para a proteção.

O método correto depende do nível de falta da rede, do projeto da proteção e dos requisitos operacionais.

2. Limitação da sobretensão temporária

Num sistema não aterrado ou mal aterrado, uma falta monofásica à terra pode provocar um aumento das tensões fase-terra nas fases sadias. Isso pode submeter os terminais do transformador, cabos, quadros de manobra e outros equipamentos a uma tensão de isolamento superior.

Um arranjo de aterramento corretamente projetado ajuda a controlar o deslocamento do neutro e a sobretensão temporária.

3. Proteção do isolamento do neutro do transformador

Alguns transformadores utilizam isolamento graduado, o que significa que o nível de isolamento próximo à extremidade neutra de um enrolamento é inferior ao nível na extremidade de linha. Tal neutro não deve ser submetido a tensões superiores ao seu nível de isolamento atribuído.

A utilização de isolamento graduado deve ser confirmada a partir do projeto e da placa de identificação do transformador — não deve ser presumida apenas com base na classificação de tensão.

A proteção do isolamento do neutro pode exigir coordenação entre:

• O disjuntor de aterramento
• Pára-raios
• O gap de proteção
• O transformador de corrente do neutro
• Proteção Diferencial de Transformadores
• A proteção contra faltas à terra restritas
• A proteção contra sobrecorrente de sequência zero
• A proteção contra sobretensão no neutro

4. Apoio à proteção seletiva

Um caminho conhecido para a corrente de sequência zero permite que os relés de proteção distingam faltas à terra da corrente de carga normal e de outras condições do sistema.

Consoante a filosofia de proteção, a corrente no neutro pode ser medida para:

• Proteção contra sobrecorrente de falta à terra
• A proteção contra faltas à terra restritas
• Proteção Diferencial de Transformadores
• Monitorização de desequilíbrio no neutro
• Detecção da corrente em descarregadores de proteção

Os ajustes de proteção devem basear-se num estudo de curto-circuito e de coordenação de proteções.

5. Melhoria da estabilidade do sistema e da gestão de faltas

A isolação rápida e seletiva de faltas reduz as tensões térmicas e mecânicas no transformador e limita o risco de uma falta local evoluir para uma perturbação mais alargada no sistema.

A ligação à terra não elimina faltas. O seu objetivo é controlar os seus efeitos elétricos e permitir que o sistema de proteção responda conforme projetado.

Componentes Principais de um Sistema de Aterramento do Neutro de Transformador

Uma configuração de aterramento do neutro de transformador de 110 kV pode incluir diversos componentes. A configuração exata varia conforme o projeto.

1. Interruptor de Aterramento do Neutro

O interruptor de aterramento do neutro fornece uma conexão metálica controlada entre o neutro do transformador e o sistema de aterramento da subestação.

Pode ser operado manual ou eletricamente e pode incluir indicação de posição, dispositivos de intertravamento e interfaces de controle remoto.

Suas classificações exigidas podem incluir:

• Tensão Máxima do Sistema
• Corrente contínua, quando aplicável
• Corrente de suporte a curto prazo
• Corrente suportável de pico
• Nível de Isolamento
• Resistência mecânica
• Mecanismo de Operação
• PROTEÇÃO AMBIENTAL
• Requisitos de contatos auxiliares

A posição do interruptor deve obedecer a um procedimento operacional aprovado. Os operadores não devem presumir que o neutro deve sempre estar aterrado ou sempre desconectado.

A operação de comutação do neutro de um transformador altera a impedância de sequência zero da rede e pode afetar:

• Corrente de falha à terra
• Sensibilidade do relé
• Sobretensão temporária
• Operação de transformadores em paralelo
• Coordenação de Proteção

Deve, portanto, ser tratada como uma operação do sistema, não como uma ação mecânica isolada.

2. Condutor de aterramento neutro

O condutor de aterramento conecta o terminal neutro, a chave de aterramento e a malha de aterramento da subestação.

Deve ser dimensionado para a corrente de falha calculada e o tempo de eliminação da falha. Seu projeto deve também levar em conta:

• Resistência térmica
• Forças eletrodinâmicas
• Proteção Mecânica
• Corrosão
• Confiabilidade da Conexão
• Roteamento e folgas
• Acesso para inspeção e manutenção

Quando forem exigidos condutores de aterramento redundantes, estes devem ser ligados a pontos adequadamente separados na malha de aterramento, conforme o projeto aprovado da subestação.

O número, o material e a área da seção transversal dos condutores devem seguir a especificação do projeto e as normas locais.

3. Malha de aterramento da subestação

A malha de aterramento dispersa a corrente de falha na terra e cria uma referência de potencial equipotencial para a subestação.

O seu projeto deve levar em conta mais do que um único valor de resistência de terra. Fatores importantes incluem:

• Corrente máxima de falha à terra
• Duração da Falha
• Resistividade do Solo
• Geometria da malha
• Classificação térmica do condutor
• Tensão de passo
• Tensão de contato
• Potencial transferido
• Características da camada superficial
• Margem de corrosão
• Conexões às estruturas de equipamentos e cercas

Um requisito universal, como "a resistência de aterramento deve sempre ser inferior a 4 Ω", não deve ser aplicado a todas as subestações de 110 kV. O projeto aceitável deve ser estabelecido por meio do estudo de aterramento e dos requisitos nacionais ou da concessionária aplicáveis.

4. Para-raios de neutro

Um para-raios de óxido metálico pode ser instalado entre o neutro do transformador e a terra para limitar sobretensões transitórias específicas.

Durante a operação normal, o para-raios apresenta uma alta impedância. Quando uma sobretensão excede sua característica de proteção, ele conduz a corrente de surto e limita a tensão aplicada ao isolamento do neutro.

A seleção do para-raios exige a coordenação de:

• Voltagem de Operação Contínua
• Tensão nominal
• Capacidade de sobretensão temporária
• Corrente Nominal de Descarga
• Capacidade energética
• Tensão residual
• Nível de isolamento neutro do transformador
• Condição de aterramento do sistema

A IEC 60099-4 aplica-se a para-raios de óxido metálico sem centelhadores utilizados para limitar sobretensões em sistemas CA acima de 1 kV. IEC 60099-4

Um para-raios não deve ser selecionado apenas com base na tensão nominal do sistema do transformador. O neutro pode estar sujeito a uma tensão diferente daquela aplicada aos terminais de linha.

5. Centelhador de proteção neutro

Um centelhador aéreo de proteção pode ser ligado entre o neutro do transformador e a terra. Em condições normais, ele permanece não condutivo. Se a tensão no neutro atingir o nível de centelhamento do centelhador, o ar entre seus eletrodos se rompe, proporcionando um caminho de descarga.

Um transformador de corrente pode ser instalado no circuito do centelhador, de modo que a corrente que o atravessa dispare um sinal de alarme ou de desligamento.

O centelhador exige coordenação cuidadosa, pois seu comportamento é influenciado por:

• Formato do eletrodo
• Distância entre os eletrodos
• Densidade do ar
• Altitude
• Umidade e contaminação
• Geometria de instalação
• Tensão de frequência de potência
• Tensão de impulso
• Nível de isolamento do neutro

Os espaçadores de proteção podem apresentar maior dispersão na sobretensão de centelhamento do que os para-raios de óxido metálico. A sua operação também pode gerar impulsos truncados e corrente de seguimento de frequência de potência.

A configuração do espaçador deve, portanto, ser determinada pelos estudos de coordenação de isolamento e proteção, e não pela cópia de uma distância física padrão de outro projeto.

6. Transformador de Corrente no Neutro

Um transformador de corrente na ligação ao neutro pode fornecer sinais de medição para proteção do transformador e contra faltas à terra.

Aplicações possíveis incluem:

• Proteção contra sobrecorrente neutra
• A proteção contra faltas à terra restritas
• Proteção Diferencial de Transformadores
• Detecção da corrente em descarregadores de proteção
• Gravação de eventos

Sua relação, classe, tensão de ponto de joelho, carga e classificação de corrente de curta duração devem corresponder ao esquema do relé e à capacidade de falha calculada.

7. Contador de Surtos e Monitor de Corrente de Fuga

Um contador de surtos registra eventos de descarga através do para-raios. Alguns dispositivos também fornecem indicação de corrente de fuga.

Um aumento no número de operações do contador não comprova, automaticamente, que o para-raios está defeituoso. Indica que ocorreram eventos de descarga e deve ser avaliado em conjunto com:

• Registros de perturbações no sistema
• Atividade de raios
• Eventos de chaveamento
• Tendências de corrente de fuga
• Temperatura do para-raios
• Estado físico
• Critérios de inspeção do fabricante

A conexão do contador deve permanecer curta, direta e corretamente aterrada, pois comprimentos excessivos de condutores podem reduzir o desempenho da proteção.

Como o Para-raios e o Entreferro Protetor Atuam em Conjunto?

Quando ambos estão instalados, o para-raios no neutro e o entreferro protetor normalmente fornecem proteção complementar.

Pára-raios

O para-raios é selecionado principalmente para limitar sobretensões transitórias, mantendo um nível de proteção previsível.

O gap de proteção

O entreferro pode fornecer proteção de reserva ou atuar sob condições específicas de sobretensão temporária ou de frequência de potência, conforme o esquema.

A coordenação entre eles deve garantir que:

• O para-raios proteja o transformador dentro de sua capacidade energética.
• O entreferro não opere desnecessariamente para transitórios comuns.
• O entreferro opere antes que o isolamento do neutro seja submetido a tensões excessivas nas condições para as quais foi projetado.
• A proteção por relé elimina qualquer corrente de seguimento na frequência de potência.
• O para-raios não é submetido a uma sobretensão temporária inaceitável.

É incorreto afirmar que o para-raios e o centelhador sempre atuarão numa sequência fixa. A sua resposta depende da forma de onda da tensão, da duração, das características de proteção e da configuração do sistema.

A coordenação da isolação deve seguir os princípios da norma IEC 60071-1, que aborda a seleção das tensões suportáveis nominais para isolamento fase-terra, fase-fase e longitudinal em sistemas CA acima de 1 kV. IEC 60071-1

Métodos comuns de aterramento do neutro

Aterramento sólido

O neutro é ligado à terra através de um caminho de impedância muito baixa.

Características típicas:

• Alta corrente de falta à terra
• Referência clara de sequência zero
• Detecção Rápida de Falhas
• Menor sobretensão temporária
• Requisitos mais elevados de capacidade de falha

Aterramento por resistência

Um resistor de aterramento neutro limita a corrente de falha à terra a um nível calculado.

Características típicas:

• Danos reduzidos nos equipamentos durante falhas à terra
• Corrente de proteção controlada
• Carga térmica definida para o resistor
• Necessidade de supervisão da temperatura e da continuidade do resistor

Aterramento por reator

Um reator de aterramento limita a corrente por meio de impedância indutiva.

Características típicas:

• Corrente de falha à terra reduzida
• Comportamento específico do sistema quanto à sequência zero
• Necessidade de estudos detalhados de transitórios e proteção

Aterramento ressonante

Um reator é sintonizado para compensar a capacitância à terra da rede.

Essa configuração está mais comumente associada a certas redes de média tensão e não deve ser presumida como aplicável a um enrolamento de 110 kV sem um estudo específico do sistema.

Aterramento seletivo do neutro

Em subestações com transformadores operando em paralelo, o operador do sistema pode aterrar os neutros de transformadores selecionados para controlar a corrente de sequência zero e o desempenho da proteção.

Abrir ou fechar um único interruptor de neutro altera a condição de aterramento de todo o sistema conectado. Por isso, são essenciais os sistemas de intertravamento e os procedimentos operacionais.

Por que o aterramento do neutro é importante durante a energização e a desenergização?

A comutação de transformadores pode gerar sobretensões transitórias e temporárias. A condição do neutro durante a energização ou a desenergização pode influenciar a tensão de esforço aplicada a um enrolamento com isolamento gradiente.

Alguns procedimentos de utilidade exigem que o interruptor de aterramento do neutro seja fechado antes de energizar ou desenergizar um transformador. Contudo, isso não deve ser apresentado como uma regra universal.

A sequência correta de comutação depende de:

• Projeto de isolamento do transformador
• Arranjo do disjuntor
• Número de transformadores em paralelo
• Configuração de aterramento do sistema
• Configurações de proteção
• Classificações dos para-raios
• Regras operacionais da concessionária
• Resultados de estudos de comutação e isolamento

Os operadores devem seguir as instruções de comutação aprovadas para a subestação específica.

Lista de Verificação de Inspeção e Manutenção

A manutenção deve ser realizada por pessoal autorizado, em conformidade com os procedimentos de segurança elétrica do local.

Interruptor de aterramento neutro

Verificar:

• Indicação das posições aberta e fechada
• Alinhamento Mecânico
• Condição de contato
• Mecanismo de Operação
• Circuitos do motor e de controle
• Contatos auxiliares
• Intertravado
• Limpeza e integridade do isolador
• Sinais de superaquecimento ou descarga

Condutores de aterramento

Verifique os seguintes itens:

• Conexões soltas ou danificadas
• Fios partidos ou condutores rachados
• Corrosão
• Aquecimento anormal
• Distâncias insuficientes
• Danos mecânicos
• Modificações não autorizadas

Pára-raios

Verificar:

• Condição da carcaça de porcelana ou polímero
• Contaminação e marcas de descarga
• Aperto dos terminais
• Roteamento do condutor de terra
• Leituras do contador de surtos
• Indicação de corrente de fuga, quando disponível
• Resultados diagnósticos prescritos pelo fabricante

O gap de proteção

Verifique:

• Condição do eletrodo
• Espaçamento correto do entreferro
• Alinhamento
• Contaminação Superficial
• Evidências de descarga anterior
• Conexões do transformador de corrente
• Distâncias de segurança em relação a equipamentos adjacentes

Malha de aterramento

Realizar inspeções e ensaios conforme o plano de manutenção da subestação, incluindo:

• Continuidade das conexões
• Medições de resistência ou impedância de terra
• Avaliação das condições do solo
• Revisão das tensões de passo e de toque após modificações significativas
• Avaliação de corrosão
• Verificação de equipamentos recém-conectados

Problemas Comuns e Suas Consequências

Posição incorreta do interruptor de aterramento

Uma posição incorreta do interruptor pode alterar a corrente de falta à terra e invalidar a coordenação dos relés.

Conexão neutra frouxa

Uma conexão de alta resistência ou intermitente pode causar aquecimento, arcos elétricos e tensão neutra imprevisível.

Condutor de aterramento com seção insuficiente

Um condutor com capacidade térmica ou mecânica inadequada pode falhar durante uma falta à terra de alta corrente.

Classe incorreta do para-raios

Um para-raios com capacidade insuficiente para sobretensões temporárias pode superaquecer ou falhar. Um nível de proteção excessivo pode deixar o neutro do transformador insuficientemente protegido.

Entreferro protetor contaminado ou ajustado incorretamente

A poluição, a altitude ou o espaçamento incorreto podem alterar a tensão de ruptura e provocar atuação prematura ou falha na atuação.

Configurações de proteção não coordenadas

Mesmo um sistema de aterramento corretamente instalado não pode oferecer proteção eficaz se as funções associadas do relé forem incorretamente selecionadas ou ajustadas.

Informações de engenharia necessárias para um projeto personalizado

Antes de especificar um transformador de 110 kV e um pacote de aterramento do neutro, o fabricante deve receber:

• Tensão nominal do sistema e tensão mais elevada para equipamentos
• Frequência do sistema
• Potência nominal do transformador
• Tensão e ligação dos enrolamentos
• Grupo Vetorial
• Nível de isolamento do neutro
• Requisito de isolamento total ou parcial
• Corrente de falha à terra máxima e mínima
• Tempo de eliminação de falha
• Filosofia de aterramento
• Condições para operação em paralelo de transformadores
• Diagrama unifilar de proteção
• Capacidade do para-raios
• Altitude do local e nível de poluição
• Temperatura ambiente
• Requisitos sísmicos e climáticos
• Normas aplicáveis da IEC, IEEE, nacionais ou de concessionárias

Esses parâmetros determinam as classificações adequadas dos equipamentos e o projeto da interface.

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• Capacidade nominal e relação de tensão
• Impedância de transformador
• Grupo Vetorial
• Faixa de taps e arranjo de comutador sob carga (OLTC)
• Isolamento total ou parcial
• Terminais neutros e interfaces de aterramento
• Interfaces de interruptores de aterramento
• Transformadores de corrente neutros
• Dispositivos de proteção contra sobretensões e dispositivos de proteção com entreferro
• Acessórios para monitoramento e proteção
• Sistema de Refrigeração
• Isoladores e interfaces para cabos
• Requisitos aplicáveis da IEC, IEEE ou específicos do projeto

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