Capítulo 16TRANSFORMADOR DE ATERRAMENTO 1. OBJETIVO Este capítulo se destina apresentar os transformadores de aterramento nos sistemas elétricos, detalhando suas funções, alguns aspectos construtivos e especificação. Neste capitulo serão também apresentados um conjunto de exemplos que permitem dimensionar e especificar transformadores de aterramento, bem como a avaliar a superação desses equipamentos com o crescimento dos sis- temas elétricos. 2. INTRODUÇÃO Como foi visto no Capítulo 15, o aterramento num sistema elétrico permite: A circulação de significativas correntes de curto circuito originárias de faltas envolvendo a terra possibilita a identificação de faltas nos sistemas elétricos pela sensibilização dos relés de proteção, Coordenar os diferentes relés que constituem a proteção do sistema elétrico fazendo com que a proteção atue de forma adequada, rápida e seletiva, retirando de operação apenas o trecho onde ocorreu a falta. XI -1 Capítulo 16 – Transformadores de Aterramento Usar a terra como retorno de corrente, Proporcionar um caminho para escoar as elevadas correntes produzidas pelas descargas atmosféricas, Escoar as cargas estáticas produzidas nas carcaças dos equipamentos, Manter os potenciais produzidos pela corrente de falta dentro dos limites de segurança de modo a não causar choques elétricos, proporcionando um maior grau de segurança para pessoal e equipamentos, Limitar as sobretensões temporárias surgidas nas fases sadias durante o deslocamento do neutro provocado por faltas para a terra, Limitar sobretensões de manobra surgidas no sistema elétrico devido a chaveamentos. Uma análise dessas funções evidencia os inconvenientes de operar trechos de um sistema elétrico onde não existe ligação a terra, sendo muito complexa a identificação de faltas envolvendo a terra e a própria operação desses trechos. Os transformadores de aterramento ou de terra (TT) são empregados nos sistemas elétricos com a finalidade de fornecer uma ligação a terra nos trechos de um sistema elétrico onde essa ligação não existe. Para ilustrar essa função, considere o sistema elétrico que está mostrado na Figura 1, onde o transformador de terra que está colocado na barra de 69 kV da subestação de transmissão constitui o único ponto de aterramento. Nos trechos de 69 KV do sistema elétrico existente no Nordeste do Brasil, a utilização da conexão em triângulo ou delta nos transformadores nes- XI - 2 Capítulo 16 – Transformadores de Aterramento se nível de tensão é muito usual, resultando assim numa ausência de ligação a terra. Para minimizar os inconvenientes associados a não possuir uma ligação a terra são empregados com muita freqüência os transformadores de aterra- mento. BARRA 13,8 KV BARRA 69 KV BARRA 69 KV T2 LT1 T1 SISTEMA ELÉTRICO EM 230 KV TRAFO DE TERRA LT2 T3 BARRA 69 KV BARRA 13,8 KV Figura 1 - Sistema Elétrico em 69 kV Outro aspecto relevante relacionado aos sistemas elétricos isolados é que sobretensões transitórias de elevada intensidade podem surgir quando se efetua manobra no trecho do sistema elétrico em que ocorreu o defeito fase terra. (Figura 2). Sobretensões T ransitórias nas fases b e c T1 D2 Sistema Elétrico D1 Falta para terra no ponto P na fase a Figura 2 - Sobretensões transitórias durante abertura de falta para terra XI - 3 Capítulo 16 – Transformadores de Aterramento 3. TIPOS DE TRANSFORMADORES DE TERRA Os dois tipos de transformadores de aterramento (também conhecidos por: transformadores de terra ou reatores de aterramento) usualmente encon- trados nos sistemas elétricos são: Transformadores de aterramento em ligação estrela-delta; Transformadores de aterramento em ligação zig-zag; Para o caso dos transformadores de terra com ligação estrela-delta, na ocorrência de uma falta a corrente de seqüência zero circula pelo enrolamento em estrela e induz corrente de seqüência zero no enrolamento delta que com- pensa os ampére-espiras iguais nas três fases. Caso os ampére-espiras não fossem compensados o fluxo de seqüência zero circularia por um caminho dife- rente do de seqüência positiva, no caso de um trafo de terra núcleo envolvido, esse fluxo circularia por fora do núcleo pelo tanque reduzindo significativamen- te o valor de sua impedância durante a falta. Figura 3 – Correntes de seqüência zero nos trafos de terra estrela-delta No caso dos transformadores de terra com ligação zig-zag não há ne- cessidade do enrolamento secundário, pois a própria ligação compensa os am- XI - 4 Capítulo 16 – Transformadores de Aterramento pére-espiras de seqüência zero nas diferentes seções do próprio enrolamento primário. Essas unidades são denominadas de autotransformadores com rela- ção de 1:1. Io Io 2Io 3Io Io Io Io Io Io Io 3Io Figura 4 - Correntes de seqüência zero nos trafos de terra em zig-zag A tensão a que cada seção do enrolamento fica submetida é 1/ 3 da tensão normal fase terra do sistema ou 1/3 da tensão normal entre fases. Na ocorrência de um defeito monofásico circularão através do transformador de terra em zig-zag, correntes de seqüência zero. Sendo iguais em fase, essas correntes fluirão em direções opostas nos enrolamentos primários e secundá- rios correspondentes e por conseguinte do ponto de vista de força magnetomo- triz se anulam. XI - 5 Capítulo 16 – Transformadores de Aterramento 4. OPERAÇÃO DOS TRANSFORMADORES DE ATERRAMENTO Como foi descrito anteriormente o transformador de aterramento ou de terra é usado em sistemas que sejam não aterrados ou sistemas insuficiente- mente aterrados. Nesses trechos de sistemas elétricos, o transformador de aterramento é empregado para produzir um ponto de aterramento de neutro artificial criando o que se costuma denominar uma referencia de terra. O trans- formador de aterramento ou de terra é projetado para oferecer uma elevada impedância à passagem das correntes de seqüência positiva e negativa e uma reduzida impedância à passagem das correntes de seqüência zero. TRAFO DE TERRA Figura 5 – Forma de conexão do trafo de terra ao sistema elétrico O transformador de aterramento é conectado em paralelo com o ponto do trecho do sistema elétrico em que é necessário se aterrar (Figura 5). Em regime permanente, os sistemas elétricos operam com tensões e correntes de seqüência positiva, nessas condições o transformador de aterramento é visto como um transformador em vazio proporcionando uma elevada impedância de magnetização. Portanto, quando o sistema elétrico opera com tensões e cor- rentes de seqüência positiva o transformador de terra opera como um trans- formador trifásico em vazio, cuja corrente que circula por ele em regime per- manente é da ordem de alguns poucos da sua corrente nominal. XI - 6 Capítulo 16 – Transformadores de Aterramento Figura 6 – Circuito equivalente do trafo de terra Como pode ser visto na Figura 6, considerando EF a tensão de fase, U a tensão de linha; ZTT a impedância do transformador de terra; Xm a reatância de magnetização e Xl a reatância de dispersão desse trafo, temos que sua im- pedância sem a existência de falta para a terra no sistema elétrico é dada por: X Z TT j X m l jX m 2 Para um transformador de terra cuja corrente de excitação seja da or- dem de 5%, Xm a reatância de magnetização é da ordem de: 1 1 Zm 20 pu I m 0,05 Ocorrendo um curto circuito entre fase e terra, a impedância do trans- formador de terra fica praticamente reduzida à sua reatância de dispersão Xl pois a circulação de correntes para a terra faz com que circulem correntes de seqüência zero (que é a mesma em todas as fases). Essas correntes de se- qüência zero induzem correntes de seqüência zero no triângulo que para o de transformador de aterramento do tipo (estrela-triângulo). Nessas condições a impedância vista pelo sistema elétrico é praticamente a impedância de disper- são. XI - 7 Capítulo 16 – Transformadores de Aterramento X X Xm . l Z TT j l 2 jX l 2 X Xm l 2 Figura 7 – Operação do trafo de terra durante falta para terra 5. CARACTERÍSTICAS NOMINAIS DOS TRANSFORMADORES DE TERRA Para a correta especificação do transformador de terra a ser instalado num dado ponto do sistema elétrico devem ser seguidas as seguintes caracte- rísticas nominais: Tensão Nominal: é a tensão nominal fase-fase do ponto do sistema elétrico onde o trafo de terra será instalado. Potência Nominal de Curta Duração: é a potência obtida calculando o produto do valor eficaz da corrente simétrica máxima de falta para a terra no ponto a ser instalado o trafo de terra pela tensão nominal fase-neutro num dado tempo especificado (tempo nominal). Como o transformador de terra apenas opera plenamente nas faltas para a terra, ele é um transformador de regime de curta duração, logo, suas dimensões físicas podem ser XI - 8 Capítulo 16 – Transformadores de Aterramento significativamente reduzidas em comparação com transformadores para regime contínuo. PNOMCD VNOMFT .I CCTMAX 3.VNOMFT .I 0 Tempo Nominal: é o período de tempo durante o qual o trafo de terra ou reator poderá ser submetido a um defeito para terra sem que a elevação de temperatura resultante da circulação da corrente de defeito, ultrapasse o valor nominal especificado. A esse tempo especificado está relacionada a potência do transformador de aterramento de curta duração. O tempo nominal é usualmente padronizado em um minuto, embora outros tempos também possam ser definidos ou especificados como: 10s, 2, 3, 4 e 5 minutos, dependendo dos esforços impostos aos mesmos. Elevação de Temperatura: é a elevação de temperatura nos transformadores de aterramento acima da temperatura do ambiente, que não deverá ser ultrapassada para a potência de curta duração e tempo nominais especificados. Durante a ocorrência de defeito para terra, a elevação de temperatura varia em uma faixa entre 1250C e 2200C sobre a temperatura ambiente dependendo do tempo da eliminação da falta e do tipo de aplicação desses transformadores. Corrente Máxima no Neutro: é o valor da corrente que o trafo de terra ou reator deverá ser capaz de conduzir quando ocorre um defeito para a terra em seus terminais, admitindo-se que a tensão nominal é mantida nesses terminais. XI - 9 Capítulo 16 – Transformadores de Aterramento IMAXN 3.I OMAX Potência Nominal de Regime Contínuo: é o valor do transformador equivalente de dois enrolamentos que operando em regime contínuo estaria submetido a uma elevação de temperatura de 550C. A determinação da mínima Potência Nominal em Regime Contínuo (PNOMRC) requerida para um transformador de aterramento de forma a que ele possa conduzir num tempo nominal sua Potência Nominal de Curta Duração (PNOMTT) é realizada a partir de dados de projeto que usualmente estão tabela- dos a partir de um fator K. No caso de transformadores de aterramento trifási- cos, a potência com potência PNOMTT durante um tempo nominal especificado é dado pela equação a seguir onde K3 é obtido na Tabela 1: PNOMRC K 3 .PNOMTT Tabela 1 – Fator K3 para transformadores trifásicos de aterramento TRAFO TRAFO TRIFÁSICO ZIG-ZAG TEMPO TRIFÄSICO 2,4 a 23 a 46 kV 69 kV 72 KV Y/∆ 13,8 kV 34,5 kV 10 seg. ....... 0,064 0,076 0,080 0,085 0,092 1 min. 0,170 0,104 0,110 0,113 0,118 0,122 2 min. 0,240 0,139 0,153 0,160 0,167 0,174 3 min. 0,295 0,170 0,187 0,196 0,204 0,212 4 min. 0,340 0,196 0,216 0,225 0,235 0,245 5 min. 0,380 0,220 0,242 0,253 0,264 0,275 Para banco de transformadores monofásicos a potência nominal em regime contínuo requerida para um banco de transformadores de terra monofá- sicos (PNOMRC) com potência PNOMTT durante um tempo especificado é dado pela equação apresentada a seguir onde K1 é obtido na Tabela 2: XI - 10 Capítulo 16 – Transformadores de Aterramento PNOMRC 3.K 1 .PNOMTT Tabela 2 – Fator K1 para banco de transformadores de aterramento BANCO TRIFÄSICO OU BANCO TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS TEMPO TRIFÁSICO 2,4 a 23 a Y/∆ 46 kV 69 kV 72 KV 13,8 kV 34,5 kV 1 min. 0,057 0,033 0,037 0,040 0,043 0,046 2 min. 0,080 0,046 0,051 0,055 0,060 0,064 3 min. 0,098 0,057 0,064 0,068 0,074 0,080 4 min. 0,113 0,065 0,073 0,078 0,084 0,091 5 min. 0,127 0,073 0,082 0,088 0,095 0,102 Para ilustrar a redução de dimensões de um transformador de terra em relação a um transformador de regime contínuo, pode-se afirmar que um trans- formador de terra para regime de 10 segundos, tem potência física ou equiva- lente a de um transformador para regime contínuo de cerca de 10% da sua po- tência nominal. Portanto, os transformadores aterramento tem sempre tamanho e custo menor que um transformador de potência regime contínuo de mesma potência. Impedãncia de Sequencia Zero Nominal por Fase: é a impedância, usualmente expressa em ohms por fase que o transformador de aterramento apresenta para a circulação das correntes de sequencia zero. A definição da impedância de seqüência zero do transformador de ater- ramento requerida está relacionada a sobretensão máxima que ocorrer nas fases sãs ou sadias durante ocorrência de faltas para terra nesse trecho do sistema elétrico. Para um sistema efetivamente aterrado, a sobretensão nas fases sadias ou sãs para uma falta fase-terra, deverá ser inferior a 140% que é a máxima sobretensão temporária. Esta sobretensão é função da relação entre as impedâncias de sequencia positiva e zero em módulo e em fase (ângulo de defasamento entre a impedância de seqüência positiva e zero). Para uma falta XI - 11 Capítulo 16 – Transformadores de Aterramento entre duas fases e a terra, a sobretensão na fase sã não é afetada pelo defa- samento angular entre impedâncias de seqüência positiva e zero, a menos que esse defasamento seja bastante grande. Em algumas concessionárias de energia elétrica é adotado como crité- rio manter a relação X0/X1 numa faixa entre 3 e 10. Para esses limites, as so- bretensões podem variar numa faixa entre 25% e 52% acima da tensão nomi- nal nas fases sadias. A impedância de seqüência zero de cada transformador monofásico de um banco de transformadores delta/estrela solidamente aterrado é igual à im- pedância de seqüência positiva do banco. No caso dos transformadores trifásicos de aterramento delta/estrela, normalmente a impedância de sequencia zero é inferior a impedância de se- quencia positiva, variando conforme o tipo construtivo. Usualmente o valor típi- co da impedãncia de sequencia zero para transformadores de aterramento do tipo núcleo envolvido é de 0,85% da impedãncia de sequencia positiva e a va- riação desse valor em função dos projetos de construção é mínimo. Nos trans- formadores zig-zag, a reatância é aproximadamente 2/3 da reatância dos trans- formadores delta/estrela. Os transformadores tipo zig-zag são normalmente 58% menores que os transformadores deita/estrela de mesma potência. É utilizado o termo "kVA partes" para representar uma aproximação entre o tamanho físico e peso entre transformadores zig-zag e deita/estrela. Os "kVA partes" podem ser usados para fins comparativos entre os transformadores de aterramento. Os "kVA partes" são obtidos através de curvas específicas fornecidas por fabricantes como as mostradas na Figura 9. A Figura 8 apresenta a placa de um transformador de aterramento em ligação zig-zag com tensão nominal de 69 kV e potência nominal de 119 MVA durante 10 segundos. XI - 12 Capítulo 16 – Transformadores de Aterramento Figura 8 - Placa de Identificação de transformador de terra XI - 13 Capítulo 16 – Transformadores de Aterramento Figura 9 – Percentual da carga de curta duração 6. ESPECIFICAÇÃO DE TRANSFORMADORES DE ATERRA- MENTO A especificação de um transformador de aterramento para um dado ponto de um sistema elétrico é realizada a partir do seguinte procedimento: Obtenção da impedância de sequencia zero requerida a partir do tipo de aterramento desejado (efetivamente aterrado ou aterrado através de resitência ou reatância) para o trecho do sistema elétrico a partir das relações R0/R1 e X0/X1, ou da máxima sobretensão nas fases sadias durante faltas para a terra nesse ponto do sistema elétrico. Cálculo da corrente de curto máxima para a terra no ponto do sistema elétrico onde será instalado o transformador de aterramento. XI - 14 Capítulo 16 – Transformadores de Aterramento Cálculo da potência nominal de regime de curta duração do transformador de aterramento relacionada ao tempo padronizado de 10 segundos (ou 1 minuto). Obtenção com o auxílio da Tabela 1 para transformadores trifásicos e da Tabela 2 para banco de transformadores monofásicos a potência nominal em regime contínuo para o transformador de aterramento. A tensão nominal do transformador de aterramento é a tensão nominal do trecho do sistema elétrico onde está instalado. O nível de isolamento ( tensão suportável na frequencia industrial e a tensão suportável a impulso atmosférico - NBI) é definido de acordo com os níveis normalizados. É importante salientar que as máximas sobretensões determinadas para o trecho do sistema elétrico onde o transformador de aterramento será instalado devem ser inferiores as tensões suportáveis por uma determinada margem de segurança. Para ilustrar o roteiro apresentado para a especificação e dimensiona- mento de um transformador de aterramento, serão apresentados os seguintes exemplos: Exemplo 1: Considere o sistema elétrico mostrado na Figura 10. Um transformador de ater- ramento deve ser conectado na alta tensão do transformador de potência T1 para introduzir uma referência de terra nesse trecho do sistema elétrico. Essa referência de terra deve garantir que a relação X0/X1 seja igual a 5. Especifique esse transformador. XI - 15 Capítulo 16 – Transformadores de Aterramento SCC3f = 50 MVA 6,9 KV T1 CARGA LT1 Sistema Elétrico TT Figura 10 – Sistema elétrico do Exemplo 1 Solução: O trecho do sistema elétrico em 6,9 kV sem a presença do transformador de aterramento é isolado. Com o sistema elétrico mostrado na Figura 10 operando de forma equilibrada, a única corrente que circula no transformador de aterra- mento são as correntes de excitação. Como foi descrito anteriormente apenas na ocorrência de um curto envolvendo a terra, o transformador de aterramento deve suportar a corrente de neutro. Considerando a potência de curto circuito trifásico no ponto onde o transforma- dor de aterramento será instalado (SCC3) igual a 50 MVA e a tensão nominal nesse trecho do sistema elétrico igual a 6,9 kV, pode-se determinar a impedân- cia equivalente de seqüência positiva vista da barra de 6,9 KV usando a se- guinte equação adotando-se como valores base 100 MVA e 6,9 KV: 2 VPF 1 Z 1EQ j. j. j2 pu SCC 3F 0,5 A corrente de curto circuito trifásico pode ser determinar pela seguinte equa- ção: SCC 3 50 10 3 Icc 3 4.184 A 3 U 3 6,9 Admitindo as impedâncias equivalentes de seqüência positiva, negativa e zero vistas do ponto onde será instalado o transformador de aterramento sendo pu- ramente reativas. O transformador de aterramento deve possuir relação X0/X1 igual a 5, o que significa: XI - 16 Capítulo 16 – Transformadores de Aterramento 3.VPF I CC1 (2.X 1 X 0 ). j 3.X 1 3 I CC 3 VPF 2.X 1 X 0 X 2 0 X 1 .j X1 Assim: I cc1φ 3 0,4286 I cc3φ 25 A reatância de seqüência zero requerida para o transformador de aterramento em pu na base de 100 MVA e 6,9 kV é de: X 0 5.X l 5.2j 10pu À medida que o curto se afasta do transformador de terra, a impedância de se- qüência zero da linha de transmissão é adicionada. A corrente de curto circuito monofásico no ponto onde o transformador de aterramento estiver instalado é obtida a partir da associação dos circuitos de seqüência como mostrado na Figura 11. Deste circuito se pode obter a expressão para a corrente de curto circuito monofásico, isto é: Figura 11 – Associação dos circuitos de seqüência XI - 17 Capítulo 16 – Transformadores de Aterramento 3.VPF 3 3 ICC1φ 3.I 0 0,75 90 0 X1 X2 X0 j. 2.2 10 14j 100 I CC1φ 0,75. 6275,55 A 90 0 3 .6,9 A potência requerida pelo transformador de aterramento é o produto da tensão nominal entre fase e terra pela corrente de falta para a terra máxima que ele deve suportar durante num tempo especificado. Portanto: 6,9 S NOMCTDTT UFN 3I 0 UFN I CCMAXT .6275,55 25000 KVA 3 S NOMCDTT 25 MVA Como foi explicado anteriormente o transformador de terra funciona em regime de curta duração, logo, suas dimensões físicas são muito reduzidas em compa- ração com transformadores para regime contínuo. Os regimes padronizados para o transformador de terra são: 10s, 1, 2, 3, 4 e 5 minutos. Este tempo é definido a partir do tempo de eliminação de falta. Adotando o tempo padroniza- do de 10 segundos, e escolhendo um transformador de aterramento trifásico do tipo estrela aterrada triângulo, podemos determinar a potência de regime contí- nuo requerida pelo transformador de aterramento usando a seguinte equação: PNOMRC K 3 .PNOMTT onde a constante K3 é de aproximadamente 0,1 assim: PNOMRC 0,064.25 1600 KVA A impedância de seqüência positiva é obtida a partir da seguinte equação: Z 1TT 0,85.Z 0TT 0,85.j10 8,5 pu Exemplo 2 XI - 18 Capítulo 16 – Transformadores de Aterramento Verifique se o transformador de aterramento de 400KVA e impedância 5% po- de ser utilizado no ponto P de um sistema elétrico mostrado na Figura 12, onde a impedância equivalente de seqüência positiva no local onde será instalado num horizonte de 10 anos é praticamente puramente reativa e de intensidade de 7,3357 pu nas bases de 100 MVA e 23 KV. Assuma que se deseja ter no horizonte de 10 anos que esse trecho do sistema elétrico seja efetivamente aterrado com relação X0/X1 igual a 3 (três). 23 kV LT 1 13,8 kV T1 LT 2 LT 3 TT Ponto P Figura 12 – Sistema elétrico do Exemplo 2 Solução: Adotando os valores base de 100 MVA e 23 kV, a impedância de seqüência positiva no ponto P onde estará instalado no horizonte de 10 anos é: Z 1 j.7,3357 Como no horizonte a ser analisado, é requerido que esse trecho do sistema elétrico seja efetivamente aterrado isto é a relação X0/X1 igual a 3 (três), a im- pedância de seqüência zero do transformador de terra deverá ser de: Z 0 3.Z1 j.22,0071 O transformador de aterramento existente tem impedância de 5%, mudando para a base de 100 MVA e 23 kV significa uma impedância de seqüência zero de: 100 Z 0 0,85.Z1 0,85. j.0,05. j10,625 pu 0,4 XI - 19 Capítulo 16 – Transformadores de Aterramento Esta impedância de seqüência zero do transformador acarretará uma relação X0/X1 dada por: X0 10,625 0,4827 3 Sistema Efetivamente Aterrado X 1 22,0071 A corrente de curto circuito máxima para a terra é dada pela seguinte equação: 3.VPF 3 3 ICC1φ 3.I 0 0,1186 90 0 X1 X2 X0 j. 2.7,3357 10,625 25,2964j 100.000 ICC1 3.I 0 0,1186. 90 0 297,71 90 0 A 3 .23 7. 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