Esta é uma daquelas perguntas em que a resposta comum é muitas vezes simplificada – e às vezes simplesmente errada. Alguns clientes presumiram que um transformador de aterramento é como um pára-raios, algo que atrai raios e os envia com segurança para o solo. Não é assim que funciona. Vamos esclarecer o que um transformador de aterramento realmente faz quando um raio atinge e o que ele não faz.
Primeiro, o que o Lightning realmente faz com um sistema
Quando um raio atinge uma linha de energia ou próximo a uma subestação, ele injeta um enorme pulso de corrente no sistema elétrico. Essa corrente aumenta em microssegundos e pode atingir dezenas de milhares de amperes. A tensão no ponto de impacto tenta subir para qualquer nível necessário para empurrar a corrente para algum lugar.
O dano vem dessa voltagem. O isolamento quebra. Os arcos ocorrem em espaços que deveriam ser seguros. O equipamento conectado enfrenta tensões para as quais nunca foi projetado.
A solução não é parar o raio – você não pode. É para controlar para onde vai a energia e limitar a voltagem resultante.
O que realmente é um transformador de aterramento
Um transformador de aterramento-às vezes chamado de transformador de aterramento - não é um dispositivo de proteção contra raios como um pára-raios. Sua função é criar um ponto neutro em um sistema que naturalmente não possui um, normalmente um sistema conectado em delta ou uma estrela não aterrada.
Esse ponto neutro é conectado ao terra, diretamente ou através de uma impedância. O que isso faz é fornecer um caminho definido para correntes de sequência zero – o tipo que flui quando há uma falta à terra.
Sem um transformador de aterramento, uma falta fase-terra em um sistema delta não possui caminho de retorno de baixa impedância. A corrente de falha é limitada pela capacitância do sistema, o que significa que é pequena, mas a tensão nas fases sem falha aumenta para níveis linha a linha ou superiores. Isso é ruim para o isolamento e dificulta a detecção de falhas.
Com um transformador de aterramento, uma falta à terra torna-se um evento de baixa impedância com corrente substancial. Os relés de proteção percebem isso, os disjuntores abrem e a falta é eliminada antes que o dano se espalhe.
Onde o relâmpago entra em cena
Agora é aqui que entra a conexão com o raio e onde geralmente começa o mal-entendido.
Quando um raio atinge um condutor de fase, ele cria um enorme aumento de corrente. Essa corrente precisa ir para algum lugar. Se o sistema tiver um caminho de aterramento eficaz – através de um transformador de aterramento – o surto poderá fluir para o terra de maneira controlada. O transformador fornece um caminho de baixa impedância para o componente de sequência zero da corrente do raio.
Mas – e isto é fundamental – o transformador de aterramento não faz isso sozinho. Funciona em conjunto com pára-raios.
Os pára-raios fixam a tensão em um nível seguro, conduzindo quando a tensão excede um limite. A corrente então flui através dos pára-raios, para o sistema aterrado e através do transformador de aterramento para a rede de aterramento da estação. A impedância do transformador, combinada com a resistência da rede de aterramento, determina quanta tensão permanece durante o surto.
O que o transformador de aterramento realmente contribui
Um caminho definido.Sem uma referência neutra, a corrente do raio tem que encontrar o seu próprio caminho para o isolamento através da terra, através das bainhas dos cabos, através de qualquer caminho que ofereça a menor resistência. Esses caminhos não foram projetados para isso. Resultados de danos. O transformador de aterramento fornece um caminho projetado.
Estabilização de Tensão.Após a sobretensão inicial passar, a tensão do sistema tenta se recuperar. A conexão do transformador de aterramento ao terra ajuda a restabelecer uma referência de neutro estável, reduzindo o risco de falhas subsequentes ou novos disparos.
Coordenação de Proteção.Os relés de proteção precisam de corrente de falha para operar. Uma descarga elétrica induzida por um raio que se torne uma falta de seguimento de energia será eliminada mais rapidamente se o transformador de aterramento garantir a magnitude adequada da corrente de falta. Uma limpeza mais rápida significa menos energia liberada no equipamento.
O que isso não faz
Um transformador de aterramento não atrai raios. Não absorve a energia do raio de forma significativa. Não substitui pára-raios.
Já vi especificações pedindo um transformador de aterramento para "proteger contra raios" como se fosse uma solução independente. Não é assim que funciona. Os pára-raios fazem a limitação de tensão. O transformador de aterramento fornece a referência e o caminho. Ambos são necessários.
Tipos de transformadores de aterramento e seu papel no desempenho de surtos
Transformadores em ziguezaguesão os mais comuns para aplicações de aterramento. Eles oferecem baixa impedância para correntes de sequência zero – exatamente o que você deseja para correntes de falta e drenagem de surtos de raios – enquanto apresentam alta impedância para correntes de sequência positiva e negativa.
Transformadores estrela-triângulotambém pode servir comotransformadores de aterramento. O enrolamento delta fornece um caminho para a circulação das correntes de seqüência zero, criando efetivamente uma referência neutra. Em eventos de relâmpagos, o enrolamento delta pode ajudar a distribuir a energia dos surtos entre as fases, reduzindo o estresse em qualquer ponto único.
A escolha entre eles depende da tensão do sistema, da corrente de falta disponível e da filosofia de proteção. Para desempenho contra descargas atmosféricas, qualquer um deles pode funcionar se for devidamente coordenado com os pára-raios.
A instalação é importante - a conexão à rede de aterramento
Um transformador de aterramento é tão bom quanto sua conexão com a terra. O ponto neutro deve ser conectado a uma rede de aterramento de baixa resistência. Se a resistência da rede de aterramento for alta, a corrente do raio que flui através dela cria um aumento de tensão que anula o propósito.
É aqui que vejo problemas no campo. Um cliente instala um transformador de aterramento, aterra-o em uma única haste e espera proteção contra raios. Então ocorre uma greve, a tensão no neutro do transformador sobe para quilovolts e o equipamento falha. O transformador fez o seu trabalho; o sistema de aterramento não.
A ligação do neutro do transformador de aterramento deve ir até a rede de aterramento da estação, com múltiplas hastes, condutores enterrados e baixa resistência global. Isso não é negociável.
Considerações sobre manutenção
Um transformador de aterramento que fica ocioso a maior parte do tempo - transportando apenas correntes desequilibradas e correntes de falha ocasionais - é fácil de negligenciar. Para que a proteção contra raios funcione quando necessário, o transformador deve estar em boas condições.
Os testes de resistência de isolamento verificam se os enrolamentos não estão degradados. Os testes de resistência da rede de aterramento confirmam que a conexão com a terra não piorou. As inspeções de conexão detectam terminais soltos antes que se tornem pontos de alta impedância.
Fornecemos diretrizes de manutenção para cada transformador de aterramento, adaptadas à função e ao ambiente esperados. Para áreas propensas a raios, são necessárias verificações mais frequentes.
O que digo aos clientes sobre proteção contra raios
Se você está preocupado com raios, aqui está o que você precisa:
Primeiro, pára-raios em cada ponto de entrada da linha, devidamente dimensionados e coordenados.
Segundo, um sistema de aterramento de baixa impedância – grade, hastes e conexões projetadas para a corrente de falta disponível e as condições do solo.
Terceiro, um transformador de aterramento se o seu sistema precisar de uma referência neutra para fazer os dois primeiros funcionarem de maneira eficaz.
O transformador de aterramentoé o facilitador. Ele permite que os pára-raios façam seu trabalho e dá à corrente do raio um caminho que não destrói o equipamento. Mas faz parte de um sistema, não de uma solução independente.
Se você está projetando um sistema de proteção contra raios e está se perguntando se um transformador de aterramento é adequado, ficarei feliz em falar sobre os detalhes. A resposta certa depende da configuração do seu sistema, das condições do solo e do nível de risco aceitável.
Referências
- IEEE Std 80, Guia IEEE para segurança em aterramento de subestações CA.
- IEEE Std C62.22, Guia IEEE para a aplicação de pára-raios de óxido metálico para sistemas de corrente alternada.
- IEC 60076-6, Transformadores de potência – Parte 6: Reatores (inclui transformadores de aterramento).
