Jiangshan Scotech Elétrico Co., Ltd
Uma visão geral do transformador de aterramento
Oct 13, 2025
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Um transformador de aterramento, também conhecido como transformador de aterramento, é um tipo de transformador auxiliar usado em sistemas de energia elétrica trifásicos -. É normalmente empregado em sistemas de energia sem um ponto neutro natural para fornecer uma conexão neutra artificial para aterramento diretamente ou por meio de uma impedância como um reator de supressão de arco, resistor ou reator limitador de corrente -. Durante faltas à terra da linha - a -, ele oferece um caminho de baixa impedância - para correntes de falta de sequência zero - (ao mesmo tempo que apresenta alta impedância para correntes de sequência positiva e negativa), limitando correntes de falta e sobretensões transitórias para garantir a operação confiável do sistema de proteção de aterramento; além disso, normalmente transporta corrente de aterramento de curto-circuito - até que o disjuntor elimine a falta, tendo assim classificações de tempo - curtas. A classificação kVA de um transformador de aterramento depende da tensão normal da linha - a - do neutro e do valor da corrente de falta dentro de um tempo especificado, como segundos a minutos. Além disso, ele pode adotar um enrolamento secundário (baixa - tensão) para fornecer energia continuamente às estações de subestação e permite que sistemas trifásicos - conectados em delta acomodem cargas de fase - a - neutras, fornecendo um caminho de retorno da corrente para o neutro; durante faltas monofásicas -, limita a corrente de falta no neutro para melhorar a restauração da linha de energia.
I. Tipos de transformador de aterramento
1. Transformador de aterramento conectado Yₙ,d-
É um transformador-trifásico comestrela-conectado (Yₙ, com fio neutro)enrolamento primário e umdelta-conectado (d)enrolamento secundário.
O enrolamento secundário conectado-delta pode transportar corrente circulante para equilibrar a corrente no enrolamento primário.
O enrolamento secundário delta também pode ser conectado como umdelta aberto; inserindo resistores ou reatores na extremidade aberta, a impedância de-sequência zero do transformador de aterramento pode ser ajustada.
Além disso, os terminais do enrolamento secundário podem ser retirados para servir como fonte auxiliar de energia para a subestação.
2. Transformador de aterramento conectado em Zₙ-(zig-zag-conectado)
É um transformador-trifásico comenrolamentos conectados em zigue-zague-.
Devido ao modo de conexão inerente dos enrolamentos zig{0}}zag, as correntes de falta podem ser mutuamente equilibradas entre dois enrolamentos conectados-em série.
Um enrolamento-de baixa tensão pode ser adicionado a esse transformador para atuar como fonte de energia auxiliar para a subestação.
Notas Adicionais sobre Operação e Estrutura
- Estrutura: Os transformadores de aterramento são estruturalmente semelhantes aos transformadores de potência comuns do tipo-núcleo-trifásico.
- Operação normal: Apenas a corrente de excitação flui pelo lado primário do transformador de aterramento; o lado secundário (se presente) não tem corrente.
- Falta à terra-monofásica: Tanto os enrolamentos conectados-em delta do transformador principal da subestação quanto os enrolamentos-trifásicos do transformador de aterramento transportam corrente de curto-circuito. Ao selecionar corretamente a-impedância limitadora de corrente Z, a corrente de-curto-circuito-por fase pode ser controlada para não exceder a corrente nominal de fase dos enrolamentos principais do transformador. A duração padrão dessa corrente de{8}curto-circuito é de 10 segundos.
II. O princípio de funcionamento do transformador de aterramento
Em operação normal, o enrolamento primário do transformador de aterramento se conecta aos condutores de fase do sistema elétrico, enquanto o seu enrolamento secundário é aterrado. Neste momento, o transformador opera como um transformador convencional, aumentando ou diminuindo a tensão de acordo com os requisitos.
Para limitar as correntes de falta, a impedância do transformador de aterramento, juntamente com quaisquer resistores ou reatores de aterramento adicionais, restringe a magnitude das correntes de falta que fluem através do sistema. Ao controlar essas correntes de falha, o transformador de aterramento ajuda a manter a estabilidade do sistema e protege equipamentos sensíveis contra danos.
Quando uma falta (como uma falta de linha-para{1}}terra) surge no sistema, as correntes de falta fluem através do enrolamento secundário do transformador de aterramento até o terra. Isso cria um caminho de baixa-impedância para que as correntes de falha se dissipem com segurança, evitando danos ao equipamento e reduzindo o risco de riscos elétricos.
Em termos de segurança e proteção, o transformador de aterramento garante a segurança do pessoal e dos equipamentos do sistema elétrico, fornecendo um caminho confiável para o aterramento. Ajuda a prevenir choques eléctricos, incêndios e outros perigos associados a condições de falha, contribuindo assim para um ambiente de trabalho mais seguro e para uma maior fiabilidade do sistema.
III. A função do transformador de aterramento
O transformador de aterramento é um equipamento elétrico especializado desenvolvido para suprir a falta de pontos neutros em configurações específicas da rede elétrica e garantir a operação segura do sistema quando ocorrem faltas à terra. Suas principais funções e características de trabalho refletem-se principalmente nos seguintes aspectos:
1. Fornecer um ponto neutro artificial para equipamentos-chave
Em sistemas de aterramento de-correntes pequenas, a bobina de supressão de arco é crucial para compensar a corrente capacitiva de aterramento quando a rede elétrica tem uma falta à terra-monofásica. No entanto, o lado conectado-delta do transformador principal (uma configuração comum para o lado da tensão de distribuição dos transformadores principais em redes elétricas de 6kV, 11kV e 33kV) não possui ponto neutro natural, impossibilitando a instalação direta da bobina de supressão de arco.
O transformador de aterramento resolve este problema criando umponto neutro artificial. Este ponto neutro não só permite a conexão efetiva da bobina de supressão de arco, mas também fornece um ponto de conexão para o resistor de aterramento. Quando a rede elétrica adota um modo de operação neutro não aterrado (um modo comum no estágio inicial de construção da rede elétrica devido à sua simplicidade e baixo investimento), o ponto neutro artificial estabelecido pelo transformador de aterramento torna-se um pré-requisito fundamental para a proteção subsequente contra falhas.
2. Mitigar riscos de sistemas neutros não aterrados e garantir ações de proteção confiáveis
Em sistemas neutros não aterrados, embora a tensão da linha permaneça simétrica quando ocorre uma falta à terra monofásica (tendo pouco impacto no consumo contínuo de energia dos usuários), essa vantagem só é válida quando a corrente capacitiva de aterramento é pequena (menos de 10A; falhas transitórias podem até mesmo se extinguir automaticamente). Com a expansão da indústria energética e o aumento dos circuitos de cabos urbanos, a corrente capacitiva de aterramento muitas vezes excede 10A, levando a três riscos principais:
Extinção e reacendimento intermitente do arco de aterramento, gerando sobretensão de aterramento do arco (até 4U, onde U é o valor de pico da tensão normal da fase) que prejudica a isolação do equipamento;
Arcos contínuos causando dissociação do ar, o que leva facilmente a curtos-circuitos fase-a{1}}fase;
Sobretensão de ressonância ferromagnética, que pode queimar transformadores de potencial ou causar explosões de pára-raios.
Ao conectar um resistor de aterramento ao ponto neutro artificial, o transformador de aterramento fornece corrente de-sequência zero e tensão de sequência-zero suficientes para o sistema. Isso permite que o dispositivo de proteção de sequência{3}}zero altamente sensível identifique rapidamente faltas-à terra monofásicas e corte a linha defeituosa em um curto espaço de tempo, evitando fundamentalmente que os riscos acima se expandam e protejam o isolamento dos equipamentos da rede e a operação segura geral da rede elétrica.
3. Apresentar características eletromagnéticas especiais para se adaptar às condições de falha
O transformador de aterramento possui características de impedância únicas para diferentes tipos de correntes, o que é a chave para sua operação estável:
Alta impedância para correntes de sequência positiva e negativa: Em condições normais de operação, apenas uma pequena corrente de excitação flui através dos enrolamentos do transformador de aterramento. Neste momento, o transformador está em estado descarregado (muitos transformadores de aterramento ainda não possuem enrolamentos secundários, simplificando ainda mais sua estrutura para este cenário descarregado).
Baixa impedância para correntes de{0}sequência zero: O transformador de aterramento geralmente adota fiação do tipo Z-(zigue-zague), onde cada bobina de fase é enrolada em dois pólos de núcleo de ferro, respectivamente. Quando a corrente de sequência zero-é gerada devido a uma falta à terra, os dois enrolamentos no mesmo pólo do núcleo de ferro são conectados em polaridade reversa em série. Suas forças eletromotrizes induzidas são iguais em magnitude e opostas em direção, cancelando-se mutuamente-resultando em impedância de sequência-zero extremamente baixa (cerca de 10Ω, muito menor que a dos transformadores comuns). Essa baixa impedância garante que a corrente de sequência-zero possa fluir suavemente através do resistor de aterramento do ponto neutro e do transformador de aterramento, criando condições para proteção contra falhas.
Esta característica de impedância também determina o modo de operação do transformador de aterramento:operação descarregada de longo-prazo e operação de sobrecarga-de curto prazo. Ele funciona apenas durante o período desde a ocorrência de uma falta à terra até o momento em que a proteção de sequência-zero corta a linha em falta e a corrente de falta passa por ela apenas brevemente.
4. Melhore a eficiência da correspondência e reduza os custos de investimento
Comparado com transformadores comuns, o transformador de aterramento tem vantagens óbvias em combinação com bobinas de supressão de arco: os regulamentos estipulam que quando transformadores comuns são usados com bobinas de supressão de arco, a capacidade da bobina de supressão de arco não pode exceder 20% da capacidade do transformador; enquanto os transformadores de aterramento tipo Z-podem combinar bobinas de supressão de arco com 90%~100% de sua própria capacidade, melhorando significativamente a eficiência da compensação de corrente capacitiva.
Além disso, alguns transformadores de aterramento podem ser conectados a cargas secundárias enquanto realizam funções de proteção de aterramento. Isto significa que podem substituir transformadores de distribuição comuns em cenários específicos, integrando duas funções num único dispositivo e reduzindo efetivamente o custo global de investimento na construção da rede elétrica.
Em resumo, o transformador de aterramento não é apenas um “construtor de ponto neutro” para redes elétricas sem pontos neutros naturais, mas também um “protetor de falhas” que otimiza as características de impedância de corrente e garante uma ação de proteção confiável. A sua estrutura especial e modo de funcionamento tornam-no num equipamento essencial indispensável nas redes eléctricas modernas, especialmente nas redes eléctricas urbanas com grandes correntes capacitivas.
4. Aplicação de transformador de aterramento
A principal função de um transformador de aterramento é fornecer umaponto de aterramento neutropara sistemas de energia não aterrados ou{0}}aterrados de baixa corrente. É utilizado principalmente em cenários onde o aterramento é necessário para obter proteção contra falhas e estabilidade de tensão, abrangendo redes de distribuição, campos industriais, novos sistemas de energia, etc.
1. Redes de distribuição de média e baixa-tensão
Este é o campo de aplicação mais primário dos transformadores de aterramento, especialmente adequado para sistemas de distribuição de média-tensão, como 10kV e 20kV.
- A maioria das redes de distribuição de média-tensão adota o modo "neutro não aterrado" ou "neutro aterrado via bobina de supressão de arco" e carece inerentemente de um ponto de aterramento neutro natural.
- Os transformadores de aterramento fornecem um terminal neutro via conexão estrela (Y), que é então conectado ao terra com um resistor de aterramento ou bobina de supressão de arco para obtertratamento de falta à terra monofásica-.
- Função: quando ocorre uma falta à terra monofásica na linha, ela pode limitar a corrente de falta, evitar danos ao equipamento por sobretensão e ajudar os dispositivos de proteção do relé a localizar rapidamente o ponto de falta.
2. Sistemas industriais de equipamentos-de alta tensão
Motores, transformadores e outros equipamentos de alta-tensão em grandes fábricas e parques industriais geralmente exigem transformadores de aterramento para garantir a segurança operacional.
- Em sistemas industriais, motores de alta-tensão (6kV, 10kV), equipamentos retificadores, etc., se projetados com neutro não aterrado, são propensos a curtos-circuitos de fase-a{5}}fase devido à quebra do isolamento.
- Os transformadores de aterramento fornecem um ponto de aterramento neutro para o sistema de alimentação de tais equipamentos e cooperam com dispositivos de proteção de aterramento para realizardetecção de corrente de falha e disparo rápido.
- Cenários típicos: sistemas de fornecimento de energia de alta-tensão em indústrias petroquímicas, metalúrgicas e de mineração, que precisam garantir a produção contínua e evitar a expansão de falhas.
3. Novos Sistemas de Geração de Energia
Os Transformadores de Aterramento são equipamentos essenciais de apoio nas estações de reforço e linhas de coleta de usinas fotovoltaicas e parques eólicos.
- Inversores e transformadores-do tipo caixa em novos sistemas de energia geralmente adotam o projeto de "neutro não aterrado" para reduzir o impacto de faltas à terra na eficiência da geração de energia.
- Os transformadores de aterramento fornecem pontos de aterramento neutros para os sistemas de 110kV e 35kV em estações de reforço e cooperam com resistores de aterramento para limitar a corrente de falha, protegendo equipamentos de precisão, como inversores e transformadores.
- Função: Evitar o desligamento de toda a unidade de geração de energia causado por faltas à terra-monofásicas e melhorar a confiabilidade do fornecimento de energia de novos sistemas de energia.
4. Sistemas de fonte de alimentação-de cenários especiais
Alguns cenários especiais com altos requisitos de segurança também exigem transformadores de aterramento para obter proteção de aterramento precisa.
- Fonte de alimentação de tração ferroviária: Nas subestações de tração de ferrovias e metrôs de alta-velocidade, a rede de tração de 27,5kV adota fonte de alimentação-monofásica. Os transformadores de aterramento são necessários para equilibrar a tensão e suprimir a corrente de sequência-zero.
- Energia Eólica Offshore/Plataformas Petrolíferas: O isolamento de equipamentos em ambientes marinhos é propenso à corrosão. Os transformadores de aterramento, juntamente com dispositivos de aterramento-resistentes à corrosão, garantem a descarga segura da corrente em caso de falhas, evitando danos ao equipamento ou choque elétrico pessoal.
V. Fatores-chave para selecionar um transformador de aterramento
1. Tensão do sistema e modo de aterramento
Combine a tensão nominal do transformador com a rede (6kV/11kV/33kV) para compatibilidade de isolamento. Selecione com base no tipo de aterramento: os sistemas de bobinas de supressão de arco precisam de modelos que suportem correspondência de bobinas de alta{4}}capacidade; o aterramento com-resistência pequena requer baixa impedância de-sequência zero para garantir a ativação da proteção.
2. Projeto de enrolamento e impedância de{1}sequência zero
Priorize enrolamentos do tipo Z-(zigue-zague), que fornecem impedância de sequência zero-ultra-baixa (~10Ω) e permitem a utilização de 90% a 100% da capacidade da bobina de supressão de arco. Certifique-se de que a impedância esteja alinhada com os requisitos de corrente de falta do sistema para facilitar a transmissão eficaz da corrente de sequência-zero.
3. Corrente capacitiva de aterramento e dimensionamento de capacidade
Calculate the grid's total grounding capacitive current (critical for systems >10A). Dimensione o transformador para lidar com a corrente de compensação da bobina de supressão de arco ou com a corrente de falha de curto-prazo dos resistores de aterramento, evitando sobrecarga durante falhas.
4. Características operacionais e capacidade de resistência
Adapte-se à sua operação de "sem-carga de longo-prazo, sobrecarga-de curto prazo": verifique a corrente suportável de curto-tempo (para tolerar correntes de falha por segundos) e priorize baixas perdas sem{4}}carga para reduzir o desperdício de energia durante a operação normal.
5. Requisitos Ambientais e de Instalação
Para ambientes agressivos (poeira, umidade, altas temperaturas), escolha modelos com níveis de proteção adequados (por exemplo, IP54) e resistência à corrosão/calor. Em áreas-com espaço limitado (estações urbanas, painéis de distribuição internos), opte por designs compactos.
6. Conformidade com padrões e certificações
Garanta a adesão aos padrões internacionais (IEC 60076) ou nacionais (por exemplo, GB/T 6451). Verifique as certificações válidas (CE, CCC) para garantir segurança, compatibilidade e confiabilidade na operação da rede.
VI. Desvantagens da operação não aterrada do ponto neutro do transformador
A operação não aterrada do ponto neutro do transformador tem as cinco desvantagens a seguir:
- Requisitos e custos de alto nível de isolamento: Quando ocorre uma falta de aterramento-monofásica, a tensão da fase sem{1}}falta aumenta em √3 vezes. Como resultado, o equipamento eléctrico no sistema de energia necessita de ter um grau de isolamento mais elevado, o que aumenta significativamente tanto o custo de fabrico como o subsequente custo de manutenção do equipamento.
- Perigo de sobretensão de aterramento do arco: Se a corrente de aterramento-monofásica for pequena, o arco se extinguirá quando a corrente passar por zero e a falha desaparecerá. Porém, quando a corrente ultrapassar 30 amperes, um arco estável será gerado, formando um aterramento de arco contínuo. Isso não apenas danifica o equipamento, mas também pode causar curtos-circuitos bifásicos-ou até trifásicos-.
- Dificuldade em selecionar a proteção do relé de aterramento: É difícil realizar uma proteção sensível e seletiva. Especialmente para redes elétricas com bobinas de supressão de arco, a configuração e a operação precisa dessa proteção tornam-se mais difíceis, o que facilmente afeta a detecção e o isolamento oportunos de falhas.
- A desconexão pode causar sobretensão de ressonância: Ações como quebra de fio, operações de comutação de interruptores em momentos diferentes e fusíveis em períodos diferentes podem levar a sobretensão de ferroressonância. Esta sobretensão pode causar explosão do pára-raios, sequência de fase reversa de transformadores de carga e descarga de isolamento de equipamentos elétricos.
- Sobretensão de ressonância do transformador de tensão eletromagnética: Devido à assimetria dos parâmetros da rede elétrica, o deslocamento do ponto neutro geralmente causa sobretensão de ferroressonância, que frequentemente queima o fusível de alta-tensão do transformador de tensão eletromagnético. Em casos graves, pode até queimar o próprio transformador.
VII. Vantagens da operação não aterrada do ponto neutro do transformador
- Alta confiabilidade da fonte de alimentação: Pouca mudança nas tensões/correntes trifásicas durante faltas-de aterramento monofásico; sem disparo imediato, com falhas eliminadas em aproximadamente 2 horas, garantindo energia contínua.
- Baixa interferência em sistemas de comunicação/sinal: interferência eletromagnética fraca sob operação trifásica simétrica-; pequena corrente de aterramento causa impacto mínimo; os arcos se auto-extinguem em pequenos sistemas (por exemplo, redes rurais).
- Facilita a detecção e localização de falhas: A pequena corrente de aterramento distinta ajuda os dispositivos de proteção a identificar e localizar falhas.
- Reduz a demanda por dispositivos-limitadores de corrente: a pequena corrente de aterramento elimina a necessidade de equipamentos limitadores de corrente-de grande capacidade-, reduzindo custos e simplificando o projeto.
- Melhor controle de sobretensão em cenários específicos: Mais fácil de controlar flutuações de tensão durante processos normais/transitórios, reduzindo os riscos de danos por sobretensão.
- Melhora a estabilidade transitória do sistema: é mais fácil manter o equilíbrio-de tensão trifásico durante transitórios, reduzindo os impactos nos principais equipamentos e evitando problemas de cascata.
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