Proteção de transformadores de força

Vários parâmetros e fatores devem ser considerados para os estudos de proteção e seletividade em circuitos elétricos, sejam eles de baixa, média, alta ou extra-alta tensão. Em instalações em que os níveis de tensão são mais altos e dependendo do valor dos ativos envolvidos, proteções específicas são necessárias.

O transformador, como ativo mais valioso de uma subestação, possui fatores intrínsecos que devem ser considerados para evitarmos falhas ou até mesmo desligamentos inesperados. São exemplos as falhas de parametrização em proteções diferenciais, as harmônicas presentes na energização (correntes de Inrush) e a proteção de terra no primário, por exemplo.

Os principais critérios a serem observados em um estudo de proteção específico para transformadores são a curva de proteção de fase e terra, a suportabilidade térmica do equipamento e as correntes de Inrush e suas causas.

A suportabilidade térmica do transformador, como o próprio nome diz, define o limite de sobreaquecimento do equipamento. Os valores irão depender da norma em que são fabricados, sendo as mais comuns a NBR 5356, IEEE Std. C57.109 e ANSI C37.91. As curvas de corrente normalmente não podem ser maiores do que a suportabilidade térmica dos transformadores, para garantir a operação dos mesmos sem sobreaquecimentos danosos principalmente ao conjunto isolante e no equipamento em geral.

No caso de um curto-circuito fase-terra no secundário, dependendo do tipo de conexão – como um triângulo-estrela aterrada, por exemplo – as correntes devem ser recalculadas no primário a fim de garantir a proteção térmica devido às correntes de sequencia zero geradas neste secundário, quando não houver proteção de terra.

Mais Inrush

A corrente de Inrush, amplamente discutida aqui no Blog, também é um fator importantíssimo a ser considerado. A duração da corrente de Inrush e sua forma de onda dependerão do tamanho do transformador, impedância da carga, instante de energização, entre outros fatores já citados aqui no Blog. Na prática (para fins de cálculo), a duração é em torno de 100 ms e a ocorrência tem as seguintes causas principais:

  • energização do transformador (mais comum), que gera harmônicos de diversas ordens – principalmente 2ª e 3ª e pode provocar atuação indevida em relés de proteção de sobrecorrente. A maior parte dos relés de proteção de transformadores atuais já possui a restrição de 2ª harmônica, tornando o problema de atuação indevida pouco comum por este motivo;
  • paralelismo de um transformador com outro, equivalente ao item anterior;
  • restabelecimento de tensão após eliminação de uma falta externa ou mudança de tipo de falta (em caso de curto-circuitos);

Na falta de estudos mais aprofundados, pode-se considerar a corrente de Inrush de transformadores trifásicos abaixadores com delta no primário conforme a maior parte dos estudos de proteção:

Inrush transformadores a seco = 12 a 14 x In (corrente nominal na alta tensão);

Inrush transformadores a óleo menores de 1 MVA = 8 x In (corrente nominal na alta tensão);

 Inrush transformadores a óleo maiores de 1 MVA = 8 a 10 x In (corrente nominal na alta tensão);

Transformadores elevadores comumente tem a corrente de Inrush calculada maior do que os abaixadores. Nestes casos, cabe ao projetista a consulta ao fabricante para obtenção destes valores.

Proteção diferencial

A proteção diferencial em transformadores, referenciada pelo código ANSI 87T, para 02 (dois) ou 03 (três) enrolamentos. Pode medir diferenças de correntes ou ângulos de fases entre os enrolamentos, traduzindo os mesmos em diferenças percentuais para proteger possíveis curto-circuitos ou falhas internas no equipamento.

A proteção é realizada com a instalação de Transformadores de Corrente (TC) nos enrolamentos primário e secundário, podendo haver outros TC dependendo da quantidade de enrolamentos. Para ajuste desta proteção, é necessário conhecer o deslocamento angular do transformador protegido.

Figura 1 – Diferentes deslocamentos angulares em transformadores. Fonte: https://electrical-engineering-portal.com/understanding-vector-group-transformer-1

Os ajustes desta função se devem principalmente à declividade (slope) para não termos atuação indevida da proteção diferencial. O erro total normalmente fica próximo da casa dos 30%, por considerar os erros das comutações de tap, exatidões dos TC, erro da relação do transformador com erros dos TC (também conhecido como erro de “mismatch”) e mais uma margem de segurança.

Proteção por sobrecargas

Quanto às proteções por sobrecargas e curto-circuitos, estes são mais conhecidos da maioria dos engenheiros e técnicos que trabalham no ramo de proteção: as funções ANSI 50 e 50N/GS (instantâneas); 51 e 51N/GS (temporizadas) que protegem respectivamente as fases e neutro/terra. Os parâmetros dessas proteções irão depender de diversos fatores, como carregamento, corrente de Inrush, ligações e deslocamento angular dos equipamentos a serem protegidos.

As proteções primárias e secundárias de fase temporizadas em sua maioria são parametrizadas em 1,3x a In (corrente nominal). Se pode trabalhar com valores mais altos para as proteções de fase conforme o estudo proposto, desde que fatores como a suportabilidade térmica e a corrente de Inrush (está somente no primário) sejam respeitadas. As unidades instantâneas são as ferramentas para atuar dispositivos para os diferentes tipos de curto-circuitos. Os quatro básicos como objetos mais usuais de estudo são: fase-terra, fase-fase, bifásico para a terra e trifásico; considerando as condições simétricas e assimétricas (esta última considera as componentes de corrente contínua no cálculo).

Proteções de terra primárias e secundárias irão depender muito do tipo de aterramento, presença de resistor de aterramento, etc…  Enfim, todas as variáveis são consideradas para tornar as proteções mais rápidas e seletivas. Estes são os itens básicos a considerar em um estudo de proteção de transformadores, e conforme a dedicação e experiência do projetista pode chegar a níveis muito altos de confiabilidade com apoio de soluções de software que lhe permitam enxergar os aspectos necessários.

Referência bibliográfica e link relacionado

  1. MARDEGAN, Claudio. Proteção e seletividade em sistemas elétricos industriais. São Paulo : Editora Ipsis, 2012.
  2. Tabela de funções ANSI (Schweitzer Engineering Laboratories): https://selinc.com/pt/products/tables/ansi/

Autor:

  •  Hostin Engenharia de Manutenção Elétrica, em colaboração com a ILTECH.

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