Durante a reunião da equipe do turno da manhã, um engenheiro de manutenção em uma planta de processamento de alimentos de médio porte entra com o registro de falhas: três paradas não planejadas ocorreram nos últimos quatro meses, houve dois enrolamentos de motor danificados na linha de embalagem e o relatório do incidente de arco elétrico da sala do compressor que quase feriu um técnico. A planta possui um sistema MV do tipo Delta e não aterrado, e até agora seu sistema nunca levantou dúvidas entre ninguém. Esta é a situação clássica onde um transformador de aterramento deixa de ser um acessório opcional e se torna a diferença entre uma falha incômoda e um evento perigoso que interrompe a produção.
Neste artigo, são apresentadas a definição e os princípios de funcionamento do transformador de aterramento; o que faz com que sistemas não aterrados ou de canto delta precipitem a sabotagem de equipamentos; e como é possível consertar os danos. Também considera os métodos zigzag e estrela-delta, além de compará-los a outras formas de métodos de aterramento. Lista os critérios de aterramento para compra. Se você tem serviço de conexão delta, paga por isso e sofre falhas monofásicas, leia este artigo antes de assinar qualquer papel.
Resposta rápida: A transformador de aterramento é um transformador trifásico usado para criar um ponto neutro em um sistema que, de outra forma, não estaria aterrado, para que o sistema possa ser efetivamente aterrado. Os dois designs padrão são o transformador zigzag (ZN) e o transformador de aterramento estrela-delta. As classificações típicas variam de 100 kVA em uma pequena aplicação industrial a mais de 2.000 kVA para grandes subestações de utilidade; essas classificações são consideradas classificações contínuas para aplicações neutras, bem como classificações de curto prazo (10 seg, 30 seg, 1 min) para circuitos de falha. O custo de uma unidade de 100-300 kVA varia entre $2.000 e $6.000, com uma unidade de 500-1.000 kVA custando entre $6.000 e $15.000 e uma grande instalação de 1.500-3.000 kVA custando entre $15.000-$40.000, pois os preços variam de acordo com a classe de tensão, impedância e marca. Aterramento adequado permite o controle das correntes de falha linha-terra sendo limitadas, garantindo assim que certos elementos de relé atuem de forma seletiva enquanto protegem o sistema contra surtos de tensão de até 4-5 vezes as tensões de fase normais em caso de configuração não aterrada.
O que é um Transformador de Aterramento?
Um transformador de aterramento é um tipo de transformador trifásico que é projetado especificamente para criar um ponto neutro em um sistema de energia que, de outra forma, não teria um. Em sistemas com enrolamentos de transformador conectados na configuração delta ou enrolamentos conectados em delta no gerador, não pode haver um ponto neutro para aterramento. O transformador de aterramento fornece o aterramento neutro essencial para que possa ser conectado à terra através da impedância de aterramento, como um resistor de baixa resistência conhecido como resistor de aterramento neutro (NGR), reatores, etc., ou através de aterramento do tipo direto em caso de sistemas solidamente aterrados.
É bastante importante entender as limitações do transformador de aterramento. Ele não traz correntes de carga normais em operação. Durante a operação normal, as correntes nas bobinas são praticamente zero. Ele serve apenas para transportar a corrente de sequência zero não balanceada resultante de uma falha linha-terra e estabelecer o potencial neutro do sistema. Esta é a razão pela qual o transformador de aterramento é classificado para operação contínua (seja pela classificação térmica – kVA) e classificação de falha de curto prazo (10 seg ou 30 seg em alguma corrente nominal).
Por que sua instalação pode estar operando sem aterramento
Em muitos ambientes industriais, um sistema delta sem aterramento é utilizado devido ao seu baixo custo de instalação e capacidade de suportar falhas monofásicas. No entanto, isso é enganoso, pois devido à ausência de um caminho de retorno após uma falha de linha-terra em um sistema delta não aterrado, o sistema não desliga, mas continua funcionando com as duas outras tensões subindo do nível normal para o nível linha-a-linha. Se outra falha ocorrer em uma fase diferente antes de eliminar a primeira falha, uma falha dupla linha-terra ocorre resultando em um curto-circuito fase-a-fase com as correntes de falha atingindo 10-25 kA do tamanho usual de sistemas de potência de média tensão.
O efeito indireto mais severo desse tipo de sistema é devido a transientes. De fato, uma vez que a presença de falhas de aterramento de reentrada nos sistemas não aterrados pode causar níveis de tensão que excedem a tensão normal linha-terra em 4-5 vezes, a eficácia da isolação do cabo é comprometida, as bobinas do transformador sofrem estresse severo e a isolação do motor é danificada muitos anos antes do previsto. Engenheiros de sistemas de potência e seguradoras pressionam diferentes usuários em direção ao aterramento eficiente, em parte devido à compreensão dessas falhas.
Como um Transformador de Aterramento Funciona
Transformadores de aterramento são aplicáveis quando as correntes operando sob condições trifásicas balanceadas somam zero, consumindo assim apenas a corrente de magnetização mínima no transformador. Uma função especial do transformador é revelada quando ocorrem falhas. Uma corrente de sequência zero precisa ser retornada ao solo cada vez que uma das fases sofre falhas como uma falha linha-terra. O transformador de aterramento é capaz de fornecer o caminho de retorno.
Quanto aos transformadores zig-zag, eles consistem em duas bobinas iguais aplicadas em cada perna de maneira oposta. Isso significa que agora as duas metades se cancelam, resultando em fluxos fase-a-fase zero e ligação zero. Embora o transformador seja passivo sob cargas balanceadas, a presença de correntes de sequência zero cria uma força magnetomotiva líquida, fazendo com que o transformador atue como um caminho muito baixo.
Zigzag vs. Transformadores de Aterramento Wye-Delta
| Característica | Transformador de Aterramento Zigzag (ZN) | Transformador de Aterramento Wye-Delta |
|---|---|---|
| Arranjo das bobinas | Seis bobinas iguais, duas por perna, metades opostas | Três bobinas conectadas em estrela mais um delta terciário fechado |
| Propósito principal | Criar um neutro para aterramento | Criar um neutro e opcionalmente fornecer carga auxiliar |
| Impedância de sequência zero | Baixa e bem controlada (5-10% típico) | Pode ser ajustado via o terciário; ligeiramente mais alto |
| Dever de carga normal | Dever sem carga apenas | Pode suportar uma pequena carga auxiliar via o delta ou wye |
| Custo | Menor por kVA | Ligeiramente mais alto |
| Aplicação típica | Sistemas industriais em delta, neutros de gerador | Subestações de utilidade que necessitam de fornecimento auxiliar |
A maioria das instalações deve usar este padrão zigzag. O custo adicional de equipamentos wye-delta seria justificado apenas quando houver necessidade de fornecimento monofásico estável para cargas auxiliares na estação, como iluminação, carregadores de bateria e pequenos aparelhos.
Métodos de Aterramento Comparados
| Método | Corrente de Falha à Terra | Proteção contra Sobretensão | Seletividade de Relé | Custo Relativo |
|---|---|---|---|---|
| Não aterrado (sem referência de terra) | Apenas capacitivo, mas risco de falha dupla | Ruim; transientes de até 4-5× a tensão de fase | Ruim | Mais baixo |
| Aterramento sólido (wye) | Mais alto (pode exceder 10 kA) | Excelente | Bom, mas alta energia | Baixo |
| Aterramento por resistência via NGR | Controlado, por exemplo, 100-400 A | Bom, livre de transientes | Excelente para detecção | Moderado |
| Aterramento por reatância | Moderado, projetado | Boa | Boa | Moderado |
| Transformador de aterramento (zigzag) | Permite qualquer um dos acima em sistemas delta | Restaura a fixação adequada | Permite relé seletivo | $2,000-$40,000 |
O ponto importante aqui é que não é o transformador de aterramento que determina o valor da corrente de falha, mas sim o resistor ou reator de aterramento neutro que conecta o terminal neutro à terra. Muitas instalações industriais utilizam aterramento por resistência através de transformadores zigzag com um limite de 200 A, que é considerado a solução ideal, uma vez que a corrente de falha é suficiente para garantir a detecção e desarme confiáveis de falhas e, ao mesmo tempo, não é alta o suficiente para criar os problemas associados a grandes energias de arco elétrico.
Especificações e Classificações Chave
| Parâmetro | Valor Típico | Observações |
|---|---|---|
| Classificação contínua | 100-3.000 kVA | Definido por carga não balanceada e duty do sistema |
| Classificação da corrente de falha | 400-1.200 A por 10 s / 30 s | Deve corresponder ao tempo de desarme do relé |
| Classe de tensão | 480 V a 35 kV | Correspondência com a tensão linha-a-linha do sistema |
| Impedância de sequência zero | 5-10% típico em base de 10 s | Controla como o neutro é estabelecido |
| Classe de isolamento | Classe B / F / H (seco), imerso em óleo conforme IEC | Mesma lógica que um transformador de potência |
| Normas | IEC 60076-1, IEEE C57.12.00, IEEE C57.32 | Além de IEEE 142 (práticas de aterramento) |
Seja preciso ao especificar o ciclo de trabalho ao redigir a especificação. Um transformador zigzag classificado para 10 segundos a uma corrente de 1.000 A é totalmente diferente de um classificado para 1 minuto na mesma corrente, e os fabricantes os precificam de forma diferente. A classificação de tempo de falha deve ser compatível com o tempo máximo de desarme do sistema de proteção, para que o transformador nunca seja solicitado a suportar corrente de falha além de sua capacidade nominal.
Onde os Transformadores de Aterramento São Instalados
- Fábricas de manufatura com sistemas ligados em delta: produção de alimentos, produtos químicos, fábricas de cimento e mineração, onde o enrolamento do transformador líder é delta e não há fio neutro.
Aterramento neutro de geradores: geradores a diesel e gás natural cujos enrolamentos estão conectados em delta para possibilitar o aterramento por resistência e a detecção de falhas à terra com sucesso.
Instalações marítimas e offshore: locais onde o sistema não aterrado foi utilizado tradicionalmente, mas as práticas modernas exigem a presença de uma referência.
Subestações de transformadores de utilidade: fornecendo um ponto neutro para alimentadores de distribuição de três fios e fornecendo carga auxiliar da estação (conexão estrela-delta).
Edifícios com 480 V delta: eletrificação com cargas iguais a 277 V, que não podem ser alcançadas pela saída secundária delta.
Instalações de energia renovável: fazendas que utilizam inversores com transformadores delta, onde o transformador de aterramento fornece proteção contra falhas à terra. Se a conexão na placa do seu transformador for Dd0 ou Dyn11 e não houver neutro disponível e suas cargas incluírem algum equipamento monofásico, você pode ser um candidato apropriado para o transformador de aterramento, mesmo antes que o log de falhas piore.Aqui estão os tamanhos dos transformadores de aterramento de acordo com a configuração padrão dos sistemas (no caso de neutro aterrado por resistência e duração da falha sendo 10 segundos):
| Tensão do Sistema | Tamanho do Serviço | Classificação Típica Zigzag (Contínua) | Classificação Típica de Falha | Preço Indicativo |
|---|---|---|---|---|
| 480 V delta | 500-1.500 kVA | 100-150 kVA | 400 A / 10 s | $1,500-$3,500 |
| 3,3 kV / 6,6 kV | 1-5 MVA | 150-300 kVA | 400-600 A / 10 s | $2,500-$6,000 |
| 11 kV | 2-10 MVA | 250-500 kVA | 600-800 A / 10 s | $4,000-$10,000 |
| 22 kV / 33 kV | 10-30 MVA | 500-1.000 kVA | 800-1.200 A / 10 s | $8,000-$20,000 |
Comparação de Marcas e Preços
| Marca | Origem | Especialização | Faixa de Preço Aproximada |
|---|---|---|---|
| ABB | Suíça/Suécia | Pacotes completos de transformadores de aterramento e NGR | $5,000-$30,000+ |
| Siemens | Alemanha | Transformadores de distribuição e aterramento para concessionárias | $6,000-$35,000+ |
| Hitachi Energy | Suíça | Grandes unidades de aterramento para subestações | $8,000-$40,000+ |
| Schneider Electric | França | Transformadores zigzag para sistemas industriais LV/MV | $4,000-$20,000 |
| GE / Eaton | EUA | Transformadores de aterramento LV para serviços de 480 V | $2,500-$15,000 |
| Jiangsu Subian Electric Power | China | Transformadores de aterramento zigzag e wye-delta, testados conforme IEC 60076 | $1,800-$12,000 |
Fornecedores internacionais como ABB, Siemens, Hitachi Energy e Schneider Electric fabricam transformadores de aterramento de alta qualidade e estabelecem o padrão em qualidade e documentação. No entanto, seus preços refletem os altos custos de fabricação e longos prazos de entrega de transformadores zigzag sob medida. A Jiangsu Subian Electric Power fornece transformadores zigzag e wye-delta que atendem aos padrões IEC 60076-1 e são fornecidos juntamente com todos os relatórios de teste de rotina, como impedância de sequência zero, aumento de temperatura e desempenho em tempo de falha. A Subian entrega transformadores em todo o mundo, oferece classes de tensão personalizadas variando de 400 V a 35 kV e geralmente tem preços em torno de 40-60% dos preços de produtos europeus similares. Quanto a qualquer equipamento de aterramento, é melhor comprar um transformador barato de um fabricante que esteja disposto a fornecer dados de teste do que pular completamente esse tipo de transformadores.
Como Selecionar o Transformador de Aterramento Certo
Verifique se o sistema está realmente não aterrado. Confirme o grupo de conexão do transformador utilizado (Dyn11, Dd0). Certifique-se de que não há neutro disponível.
Após confirmar o sistema não aterrado, determine o tipo de aterramento a ser implementado e a corrente de falha esperada (100-400 A para sistema industrial aterrado por resistência).
Calcule a classificação em kVA da unidade levando em conta a carga desequilibrada no pior caso e a corrente de neutro durante falhas. A classificação padrão é tipicamente de 100-500 kVA.
Identifique a classificação de falha, que deve incluir valores de corrente e tempo (600 A por 10 segundos) e certifique-se de que corresponde aos tempos máximos de disparo do inversor.
Certifique-se de que a classe de tensão e os requisitos de isolamento sejam totalmente atendidos. Um transformador para o sistema de 11 kV deve ser testado nas classificações máximas de BIL.
Escolha a opção zigzag, a menos que a potência auxiliar seja necessária. Nesse caso, deve-se usar wye-delta.
Solicite o relatório de teste. Testes que confirmam o projeto com base em testes de impedância de sequência zero e aumento de temperatura devem ser realizados de acordo com os padrões IEEE C57.12.90 e IEC 60076.
Notas de Instalação e Proteção
Em operação normal, o transformador precisa ser protegido contra sobrecarga porque não passa muita corrente. Fusíveis e disjuntores são tipicamente instalados no lado primário e são classificados para não operar em condições normais e equilibradas, mas sim para interromper a corrente em caso de falha interna ou sobrecarga prolongada. Além disso, o neutro deve ser conectado ao solo através de impedância de aterramento (seja resistor ou reator), e essa conexão deve consistir, de acordo com a corrente de falha, em barramento ou um cabo grosso.
Monitorar a temperatura é importante. Ao contrário do caso de um transformador de carga regular, devido à natureza das correntes de sequência zero, o núcleo e o enrolamento serão aquecidos de maneira diferente. Muitos sistemas adicionam um indicador de temperatura com contatos de alarme e definem o período de manutenção necessário para que as conexões possam ser testadas com infravermelho várias vezes ao ano. O resistor de aterramento deve estar localizado em uma caixa protegida contra intempéries e ventilada e ter um termômetro, uma vez que o resistor é classificado para funcionar a uma temperatura de várias centenas de graus Celsius.
Perguntas Frequentes
Quanto custa um transformador de aterramento?
O preço de uma unidade zigzag de 100-300 kVA estará entre $2000 e $6000 em uma faixa de tensões, entre 480 V e 11 kV. O preço das unidades de 500-1.000 kVA geralmente varia entre $6000 e $15.000. O custo para unidades do tipo subestação de 1500-3000 kVA pode ser $15.000 e acima. Os preços variam dependendo da classificação de tensão, classificação de falha e marca, e os preços cotados por empresas chinesas geralmente variam entre 40-60% mais baratos do que aqueles cotados por empresas europeias para unidades com as mesmas especificações.
Que tamanho de transformador de aterramento eu preciso?
A determinação do tamanho deve ser baseada nas falhas. Com a carga de corrente de falha, o transformador de aterramento deve, portanto, ser adequado para o serviço industrial de 2000 kVA em um sistema delta de 11 kV. Para ser mais preciso, para um serviço industrial de 2000 kVA em um sistema delta de 11 kV e com um resistor de aterramento neutro classificado em 200 A, um transformador do tipo zig-zag classificado em 250-400 kVA e 200 A por 10 segundos é considerado um equipamento geralmente viável. Pergunte ao engenheiro deles para confirmar a carga de sequência zero, pois o transformador subdimensionado pode levar a falhas durante a primeira falha.
Um transformador de aterramento pode fornecer corrente de carga?
Ineficaz, na unidade zigzag. O transformador zigzag quase não está sob nenhuma carga elétrica na ausência do que é chamado de corrente desbalanceada. Se uma conexão neutra com capacidade para suportar a carga monofásica for necessária, é possível usar um transformador de aterramento wye-delta, que tem seu primário projetado em configuração wye e, assim, pode fornecer cargas auxiliares necessárias para vários propósitos, enquanto a configuração delta funciona como o condutor de sequência zero.
Qual é a diferença entre um transformador de aterramento e um resistor de aterramento neutro (NGR)?
Eles são complementares, não alternativas. O transformador de aterramento cria o ponto neutro em um sistema delta; o NGR é a impedância conectada entre esse neutro e a terra que limita a corrente de falha a um valor de projeto. Um NGR de 200 A limita uma falha à terra a 200 A, independentemente do nível de falha potencial do sistema, o que protege o equipamento e limita a energia de arco elétrico.
É seguro continuar operando um sistema não aterrado com falhas de terra ocasionais?
Não, e este é o erro mais caro na filosofia de aterramento. A primeira falha de aterramento não se reinicia em um sistema não aterrado, mas aumenta a tensão das outras duas fases para a tensão fase a fase e coloca a isolação sob 1,73 vezes a tensão aplicada. Uma segunda falha de aterramento em uma fase diferente cria um curto fase a fase via terra com magnitude de corrente possivelmente de dezenas de quiloamperes, juntamente com transientes de tensão zero de 4-5 vezes; esta é exatamente a sequência de falhas que danifica motores e instalações de cabos.
Referências
- IEEE 142 — Prática Recomendada para Aterramento de Sistemas de Potência Industriais e Comerciais — O Livro Verde; o guia definitivo sobre por que e como aterrar sistemas industriais.
- IEEE C57.32 — Requisitos, Terminologia e Procedimentos de Teste para Dispositivos de Aterramento Neutro — Abrange NGRs, reatores e seus testes.
- IEC 60076-1 — Transformadores de Potência, Requisitos Gerais — A linha de base de teste e classificação para projetos de transformadores de aterramento.
- Eaton — Aterramento e Proteção contra Falhas de Aterramento — Orientação prática sobre o design de sistemas de aterramento para instalações de baixa tensão.
- OSHA 3075 — Controle de Perigos Elétricos — Contexto de segurança elétrica no local de trabalho para requisitos de aterramento.
- Hitachi Energy — Produtos de Transformadores — Especificações de referência para ofertas de transformadores de aterramento.
Conclusão
Se você está operando um sistema delta não aterrado, deve estar claro para você que os transformadores de aterramento não são uma compra insignificante; é uma solução de engenharia projetada para abordar uma série de problemas iminentes que, sem dúvida, levarão a uma falha maciça do sistema. As principais funções do transformador de aterramento são fornecer um aterramento para seu sistema, permitir a restrição da corrente de incidente por um resistor, garantir a seletividade da proteção e eliminar o impacto da tensão de pico em todos os equipamentos conectados.
Conheça o grupo de conexão do seu sistema antes de afirmar que você tem neutro.
Use transformador zigzag para aterramento puro e transformador estrela-delta se houver necessidade de carga extra.
Escolha dimensões com base nas classificações de falha e compare a classificação de 10s com a duração do disparo do relé.
Certifique-se de ter a impedância de sequência zero especificada no relatório de teste.
Para transformadores de aterramento zigzag e estrela-delta certificados construídos de acordo com a IEC 60076-1 com relatórios de teste e preços diretos de fábrica, entre em contato Jiangsu Subian Electric Power através do site deles em www.subian-electric.com e envie a eles a tensão do seu sistema, o alvo de corrente de falha e o ciclo de trabalho.