Guia para transformadores Zig{0}}Zag

 

Este guia fornece uma visão geral abrangente das configurações de enrolamento para fins especiais-de transformadores em ziguezague-amplamente usadas para aterramento, mitigação de harmônicos, melhoria da qualidade de energia e conversão de energia CA-CC em sistemas elétricos modernos. O guia abrange os princípios fundamentais de operação, características técnicas, considerações de projeto, comparação com esquemas de aterramento alternativos e cenários de aplicação detalhados, incluindo aterramento de neutro do sistema, cancelamento de harmônicos e sistemas integrados de conversão de energia. O guia também inclui considerações práticas para seleção, dimensionamento, proteção e conformidade com padrões relevantes, como IEEE C57.105 e IEC 60076.

Os sistemas elétricos-trifásicos modernos geralmente operam com transformadores secundários-conectados em delta, que não possuem um ponto neutro natural para fins de aterramento. De maneira mais ampla, sistemas trifásicos-não aterrados-sejam de configurações delta ou outras fontes-apresentam desafios operacionais significativos, incluindo a ausência de uma referência de aterramento definida, o risco de sobretensões transitórias durante faltas de linha-a{7}}aterramento e dificuldades na detecção e localização de falhas. O transformador zig-zag (também conhecido como transformador-estrela interconectado ou transformador de aterramento) foi desenvolvido para enfrentar esses desafios.

Um transformador zig zag é um transformador-de finalidade especial com uma configuração de enrolamento em que cada saída é a soma vetorial de duas fases deslocadas em 120 graus. Cada membro do núcleo magnético é dividido em duas seções de enrolamento enroladas em direções opostas, e as bobinas são interconectadas em diferentes fases para criar um efeito de cancelamento para correntes equilibradas, permitindo ao mesmo tempo que correntes de sequência zero fluam livremente através da conexão neutra.

Embora o aterramento neutro seja a aplicação mais importante, os transformadores zig{0}}zag evoluíram para uma plataforma versátil que atende a múltiplas funções: fornecendo um caminho de baixa-impedância para correntes de falta-à terra, suprimindo harmônicos triplos, equilibrando correntes de carga e servindo como um componente integral em sistemas unificados de conversão de energia CA-CC.

 

 

 

Embora o arranjo interno possa parecer complicado, o princípio de funcionamento é fundamentalmente governado pela lei de Ampere-o equilíbrio magnético entre os enrolamentos no mesmo núcleo determina que a corrente que flui em um enrolamento deve ser acompanhada pela corrente correspondente no outro enrolamento naquele membro.

2.2 Análise do Fluxo de Corrente em Condições de Falta

Para avaliar como as correntes de{0}sequência zero são ativadas, considere uma falta de linha-para{2}}aterramento em uma fase de um sistema que de outra forma não seria aterrado. O arranjo-de enrolamento conectado cria um caminho de propagação de corrente interdependente. A corrente que flui para cima a partir do ponto neutro através do enrolamento inferior da fase A passa através do enrolamento superior da fase C para a conexão à rede. Isto induz uma corrente correspondente no enrolamento inferior da fase C, que por sua vez se propaga para a rede através da fase B. A sequência continua a envolver todas as três fases. A observação crítica é que todas as correntes nos enrolamentos superiores, nos enrolamentos inferiores e na conexão à terra estão em fase umas com as outras, identificando-as inequivocamente como correntes de sequência-zero.

A soma dessas-correntes de sequência zero em todas as três fases é igual à corrente total de falta à terra. Sob condições normais de operação equilibrada, as tensões-desfasadas são canceladas e apenas uma pequena corrente de excitação circula. Somente sob condições de desequilíbrio-como faltas à terra ou cargas desequilibradas-é que correntes-de sequência zero podem fluir através do transformador.

2.3 Características de Impedância

Em operação normal, o transformador zig{0}}zag apresenta alta impedância para correntes de sequência positiva- e negativa-, tornando-o essencialmente invisível para o sistema elétrico durante condições de equilíbrio. Para correntes de-sequência zero, entretanto, o transformador apresenta baixa impedância, causando efetivamente um curto-circuito entre o neutro e o terra para correntes de falta.

Os principais parâmetros que controlam a impedância de sequência-zero incluem a contagem de voltas do enrolamento, a geometria do núcleo, a indutância de vazamento entre as duas metades de cada membro e as propriedades magnéticas do material do núcleo. A capacidade do projeto do núcleo de ferro de limitar o fluxo de fluxos-harmônicos triplos é outra vantagem exclusiva que distingue as configurações em zig{3}}zag de outros esquemas de aterramento.

2.4 Requisitos Críticos de Instalação

Uma condição de-circuito aberto-de fase, como um fusível queimado ou conexão solta-interrompe a interdependência das correntes dos enrolamentos. Com uma fase desconectada, a cadeia de propagação de corrente necessária para o fluxo de sequência-zero é interrompida e o transformador de aterramento não pode mais conduzir a corrente de falta à terra. Portanto, os transformadores de aterramento devem estar solidamente conectados à terra e à rede, sem dispositivos de comutação mecânicos intermediários que possam interromper inadvertidamente a continuidade.

 

 

 

 

Dois tipos principais detransformadores de aterramentosão usados ​​em sistemas de energia: o transformador zig-zag (interconectado-estrela) e oestrela-transformador delta. A escolha entre eles acarreta implicações significativas em termos de custo, dimensionamento e desempenho.

3.1 Dimensionamento e classificação de potência

O arranjo zig{0}}zag oferece eficiência consideravelmente maior do que a configuração estrela-delta aterrada. Em um transformador zig-zag, cada enrolamento carrega menos que a tensão-da linha ao-terra-por um fator de- habilitando uma classificação de potência total mais baixa:. Por outro lado, um transformador estrela-triângulo aterrado requerpara a mesma corrente neutra. Essa diferença substancial faz com que os transformadores zig{1}}zag sejam aproximadamente um{2}}terços menores em kVA do que os transformadores estrela-triângulo para requisitos de corrente de neutro idênticos.

Os fabricantes relatam que os transformadores zig{0}}zag oferecem menor custo e menor espaço físico do que os transformadores estrela-delta para a mesma especificação de impedância de sequência-zero, tornando-os a escolha preferida na maioria das aplicações de aterramento.

3.2 Desempenho Harmônico

Os transformadores estrela-triângulo circulam harmônicos triplos (3º, 9º, 15º, etc.) dentro do enrolamento delta, mas não eliminam as correntes neutras geradas por cargas desequilibradas. Os transformadores zig-zag, por outro lado, recirculam as correntes de terceiro harmônico do neutro de volta para o lado da carga, reduzindo ativamente os harmônicos no lado secundário. Este é um mecanismo fundamentalmente diferente dos transformadores delta{8}}estrela, onde os harmônicos triplos são simplesmente presos dentro do circuito delta fechado.

3.3 Tempo Nominal e Serviço Térmico

Ambos os tipos servem como dispositivos de curta duração, normalmente classificados para durações de falha de 10-segundos ou 1{13}}minuto, em vez de operação contínua. ANSI/IEEE Std. 32-1972 exige uma classificação contínua de 3% para uma unidade classificada de 10-segundos, o que significa que a classificação de curto prazo é igual a aproximadamente 33 vezes a classificação contínua. Um banco avaliado em 1 minuto carrega uma classificação atual contínua de 7%. Esta característica de serviço intermitente reduz o tamanho e o custo de fabricação em relação aos transformadores de serviço contínuo de capacidade equivalente, embora o gerenciamento térmico cuidadoso continue sendo essencial.

 

 

 

 

4.1 Impedância-de sequência zero

A impedância de-sequência zero é sem dúvida o parâmetro mais crítico para o projeto de transformadores zig-zag. Ele determina a magnitude da corrente-de falta à terra e a regulação da tensão sob condições de desequilíbrio. A impedância do transformador por si só pode limitar a corrente de falta aos níveis desejados; alternativamente, um resistor ou reator externo inserido no neutro fornece capacidade de limitação adicional.

4.2 Indutância de vazamento e perdas sem{1}}carga

Os dois parâmetros de projeto mais importantes são perdas sem{0}}carga (histerese e perdas por correntes parasitas) e impedância de fuga. Avanços recentes em métodos analíticos e modelagem de elementos finitos permitiram cálculos mais precisos da indutância de fuga em transformadores em zigue-zague, o que beneficia tanto pesquisadores quanto projetistas de transformadores na otimização deste tipo. A reatância de fuga influencia o comportamento-de limitação de corrente do transformador durante faltas e seu desempenho geral de regulação de tensão.

4.3 Avaliações-curtas e contínuas

Os transformadores de aterramento operam com classificações distintas-de curta duração e contínuas. Um circuito com desequilíbrio de carga mínimo pode ser atendido por um transformador classificado predominantemente para faltas de curta duração-em vez de operação contínua. A classificação contínua para uma unidade de 10-segundos é normalmente 3% da classificação de-curto tempo, enquanto para uma unidade de 1-minuto é de 7%. Exemplos de dimensionamento ilustram esse princípio: em um sistema de 12,47 kV que fornece uma corrente de falta à terra de 6.000 A, um transformador em zigue-zague exigiria uma classificação de curta duração de 24,9 MVA. Esta classificação intermitente corresponde a uma classificação contínua de aproximadamente 0,75 MVA, permitindo ao banco lidar continuamente com 180 A de corrente neutra.

 

 

 

5.1 Desafios de Proteção

Proteger redes de média-tensão com transformadores de aterramento em zig{1}}zag é um desafio. A unidade diferencial do transformador pode não ter sensibilidade para detectar faltas à terra internas no lado delta devido à limitação de corrente zig-zag inerente combinada com os efeitos da relação do transformador de potência e contribuições de corrente capacitiva dos alimentadores de MT. Uma unidade de falta à terra restrita pode aumentar a sensibilidade, embora faltas à terra externas de fase-fase-com saturação do transformador de corrente exijam atenção especial.

Unidades convencionais de comparação direcional que comparam o ângulo entre a corrente de terra e neutra são inadequadas. Em vez disso, detectores de falta externos que supervisionam unidades diferenciais de transformadores foram propostos como substitutos eficazes. Para proteção direcional de neutro, as unidades convencionais que comparam a tensão neutra e os ângulos de fase da corrente ativam incorretamente condições de falta direta em alimentadores saudáveis; unidades direcionais baseadas na magnitude de impedância de sequência-zero oferecem uma solução mais confiável.

5.2 Normas Aplicáveis

O projeto, o teste e a aplicação do transformador zig{0}}zag são regidos por vários padrões. A IEEE C57.105-2019 descreve conexões e configurações de transformadores em sistemas elétricos-trifásicos, incluindo todas as combinações de delta e estrela, aterrados e não aterrados, conectados em T-, em zigue-zague e outras conexões especiais, abrangendo dois-enrolamentos e autotransformadores. Outros padrões relevantes incluem IEEE C57.32 para dispositivos de aterramento neutro, IEC 60076-25 para resistores de aterramento neutro e IS 2026/IS 5553 para testes e conformidade de desempenho.

É importante reconhecer que a IEEE C57.105 foi originalmente escrita para sistemas de distribuição com tensões primárias de até 34,5 kV, embora seus princípios sejam mais amplos.

 

 

 

6.1 Aterramento Neutro do Sistema

A principal e mais difundida aplicação dos transformadores zig{0}}zag é criar um neutro aterrado para sistemas trifásicos-não aterrados,-especialmente secundários de transformadores conectados em delta-e geradores não aterrados ou barramentos inversores. Esta aplicação atende a diversas funções críticas: reduzindo o estresse de sobretensão no isolamento durante faltas de linha única-para{6}}aterramento, fornecendo uma referência de aterramento definida para retransmissão de proteção e permitindo operação contínua durante condições de desequilíbrio.

Em sistemas fotovoltaicos e de recursos energéticos distribuídos, os inversores tradicionais muitas vezes carecem de uma conexão neutra sólida, levando a desequilíbrios de tensão e aterramento ineficaz. Os transformadores zig-zag estabelecem um caminho estável e de baixa{2}}impedância para o terra, estabilizando o sistema sob condições de falta. Para redes de média-tensão com aterramento de alta-resistência, o transformador de aterramento em zigue-zague combinado com resistores de aterramento neutro fornece sensibilidade de detecção de falhas sem exigir desarme imediato-uma configuração que oferece proteção robusta para processos industriais críticos.

 

A função dos transformadores Zig Zag:

Parques Eólicos

• Fornece ponto neutro artificial para sistemas de coleta de média-tensão (por exemplo, 35 kV) para permitir o aterramento
• Oferece caminho de baixa-impedância para faltas de linha única-para-aterramento, limitando sobretensões
• Suprime harmônicos triplos (3º, 9º, etc.) de conversores de turbinas eólicas
• Menores e mais leves que os transformadores de aterramento Δ-Y, ideais para energia eólica offshore

Sistemas Solares (PV)

• Estabelece uma referência de aterramento para o lado CA do inversor onde o neutro não está disponível
• Atenua o desequilíbrio-trifásico e os harmônicos-gerados pelo inversor
• Melhora a capacidade de-condução-de baixa tensão (LVRT), evitando a desconexão
• Pode servir como um indutor de filtro integrado em sistemas de armazenamento fotovoltaico +

Dispositivos de interconexão flexíveis em redes de distribuição modernas demonstraram a atratividade do aterramento de transformadores em zig{0}}zag nos lados de média- e baixa-tensão, superando o aterramento de grande reatância e as alternativas de aterramento de ponto médio em comparações abrangentes de desempenho.

6.2 Mitigação Harmônica

Os transformadores zig{0}}zag desempenham um papel significativo na mitigação de problemas de corrente neutra causados ​​por cargas não{1}}lineares. Os sistemas de distribuição trifásicos-quatro{4}}fios sofrem cada vez mais com a sobrecarga do condutor neutro devido à proliferação de fontes de alimentação-comutadas, unidades de frequência-variáveis ​​e outras cargas eletrônicas não{7}}lineares. O primário conectado-delta de um transformador de distribuição convencional elimina apenas harmônicos triplos sob condições de carga perfeitamente equilibradas; cargas desequilibradas ainda geram correntes neutras.

Os transformadores zig{0}}zag resolvem esse problema fornecendo um caminho de baixa-impedância para harmônicos triplos, mantendo alta impedância para correntes de frequência fundamental. O emparelhamento estratégico de transformadores delta-zigzag com delta{4}}estrela pode cancelar o 5º e o 7º harmônicos, alcançando efetivamente o desempenho do sistema de 12-pulsos. Para sistemas maiores, vários pequenos transformadores em zigue-zague colocados perto de cargas mantêm as correntes neutras localizadas, eliminando a necessidade de condutores neutros superdimensionados e melhorando o equilíbrio fundamental da corrente de carga.

6.3 Conversão de energia CA-CC integrada

Além das funções tradicionais de qualidade de energia, os transformadores zig{0}}zag encontraram aplicação em sistemas unificados de conversão de energia CA-CC que combinam fontes de energia de rede (CA) e fotovoltaica (CC). As indutâncias de vazamento dos enrolamentos dos transformadores zig{3}}zag podem ser utilizadas como indutâncias de reforço integradas em sistemas CA-CC unificados, reduzindo a contagem de componentes e o volume geral do sistema em comparação com projetos convencionais com indutores separados. Abordagens clássicas com expressões apropriadas de indutância de dispersão para enrolamentos com geometria retangular apoiam a metodologia de projeto.

As aplicações avançadas incluem retificadores de pulso duplo-shunt zigue-zague-tap baixo-harmônico{3}}de três estágios, onde a configuração do transformador em zigue-zague suporta correção de fator de potência e atenuação harmônica em sistemas eletrônicos de potência de alto-desempenho.

6.4 Laboratórios e Instalações de Pesquisa

Instalações de pesquisa-incluindo aceleradores de partículas e sistemas experimentais de distribuição de energia-implementaram transformadores zig-zag como soluções-econômicas para reduzir correntes neutras causadas por cargas eletrônicas não{4}}lineares. O custo relativamente baixo, a simplicidade, a facilidade de instalação em sistemas de distribuição existentes e a capacidade de manter as correntes neutras localizadas tornam os transformadores zig-atrativos em ambientes experimentais onde a qualidade da energia afeta diretamente a medição e o desempenho do equipamento.

 

 

 

 

7.1 Determinação dos requisitos de corrente-de falta de aterramento

A primeira etapa no dimensionamento de um transformador zig{0}}zag é determinar o nível de corrente de falta-à terra desejado. Os engenheiros de projeto devem decidir se confiarão apenas na impedância interna de sequência-zero do transformador para limitação de corrente ou inserirão um resistor externo. Para sistemas de aterramento de alta-resistência, as correntes de falta são normalmente limitadas a 5–10 A para sistemas de média-tensão. Sistemas-de baixa resistência podem permitir correntes de falta de 200 A ou mais.

7.2 Cálculo da classificação kVA

Para uma dada corrente neutra () e tensão da linha-ao{1}}terra do sistema (), a classificação de kVA de{0}}tempo curto para um transformador zig-zag é:

A classificação contínua também deve ser especificada. Para um dispositivo de 10-segundos, a classificação contínua equivale a 3% da classificação de curta duração, enquanto um dispositivo de 1 minuto requer 7%.

7.3 Considerações de Aplicação

Ao contrário dos transformadores de potência convencionais, os transformadores de aterramento são dispositivos de serviço-intermitente. Sua capacidade de suportar altas correntes de falta por curtos períodos permite uma redução significativa de custos em comparação com um transformador de serviço-contínuo com classificação equivalente. Contudo, os projetistas devem verificar se a capacidade de resistência térmica corresponde ao tempo de liberação esperado dos dispositivos de proteção a montante. Os transformadores de aterramento podem ser especificados para aterramento sólido ou para uso com um resistor de aterramento neutro externo-este último oferecendo flexibilidade no controle da magnitude da corrente-de falta à terra.

7.4 Instalação e Comissionamento

A instalação adequada em campo é crítica para uma operação confiável. As atividades de pré{1}}comissionamento devem incluir testes de resistência de isolamento, verificação de relação de enrolamento e validação de mudança de fase-. A integridade do caminho neutro deve ser cuidadosamente verificada-a interrupção de qualquer conexão de fase com a rede pode tornar a função de aterramento inoperante. Os testes de comissionamento devem validar se o transformador apresenta baixa impedância de-sequência zero, mantendo alta impedância de sequência positiva- e negativa-em condições normais de operação.

Para operação em 50 Hz ou 60 Hz, os gabinetes devem atender aos requisitos ambientais para instalação interna ou externa, normalmente com gabinetes tipo 3R ventilados para uso externo.

 

 

 

8.1 Sensibilidade de Continuidade de Fase

Uma limitação fundamental dos transformadores zig{0}}zag é sua dependência de que todas as três fases estejam conectadas. A ausência de uma conexão monofásica à rede interrompe a propagação da corrente do enrolamento interdependente, eliminando a capacidade de conduzir corrente de falta à terra. Essa sensibilidade exige conexões de fase confiáveis ​​e argumenta contra a inserção de dispositivos de comutação que poderiam inadvertidamente criar condições de{3}circuito aberto.

Ao contrário dos dispositivos de proteção independentes, os transformadores de aterramento em zig{0}}zag devem permanecer em serviço continuamente enquanto a fonte de energia trifásica-está ativa. Se o transformador de aterramento for perdido, uma única falta de linha-para{4}}aterramento pode causar altas tensões de fase-para{6}}neutro em fases sem falha, e desequilíbrios de carga podem levar a deslocamentos de neutro e sobretensões.

8.2 Saturação sob Injeção DC

Em sistemas de energia modernos, a injeção de corrente CC-seja proveniente de inversores-conectados à rede, distúrbios geomagnéticos ou outras fontes-pode causar saturação do núcleo do transformador de aterramento. A saturação reduz a eficácia do transformador em fornecer um caminho de aterramento de baixa{4}impedância e pode levar ao superaquecimento. Precauções especiais no projeto ou monitoramento adicional podem ser necessárias para sistemas com conteúdo significativo de DC.

8.3 Complexidade de detecção de falhas

Os engenheiros de proteção devem reconhecer que os relés diferenciais convencionais podem ser inadequados para detecção de faltas-à terra internas com transformadores zig-zag. Esquemas de proteção especializados-incluindo unidades de falta à terra restritas, detectores de falta externos e unidades direcionais baseadas em-magnitude-podem ser necessários para uma cobertura de proteção abrangente.

 

 

 

Os transformadores zig-zag são componentes essenciais para a ativação de sistemas elétricos-trifásicos modernos. Ao fornecer um caminho de baixa{3}}impedância para correntes de sequência-zero e ao mesmo tempo apresentar alta impedância para componentes de sequência positiva- e negativa-, eles preenchem a lacuna entre os sistemas delta/estrela não aterrados e os benefícios operacionais e de segurança da operação neutra aterrada.

As principais conclusões incluem:

• Construção: Seis meios-enrolamentos cruzados-conectados entre fases em um núcleo de três-membros
• Princípio de funcionamento: O equilíbrio de giro-de ampere permite o fluxo de corrente de-sequência zero enquanto cancela correntes balanceadas
• Aplicativo principal: Aterramento neutro para sistemas trifásicos-não aterrados (sistemas-alimentados em delta ou geradores)
• Vantagens de desempenho: Maior eficiência e tamanho menor que transformadores de aterramento em estrela-triângulo
• Aplicações secundárias: Mitigação de harmônicos (especialmente harmônicos triplos), balanceamento de carga, conversão CA-CC integrada
• Considerações de projeto: dimensionamento baseado em classificações de falha de{0}}curta duração (10 segundos ou 1 minuto), capacidade contínua de 3% a 7%
• Requisitos de proteção: Esquemas especializados necessários; a proteção diferencial convencional pode ser insuficiente
• Instalação crítica: Conexões de fase sólida à rede são essenciais; sem dispositivos de comutação no caminho de aterramento

A seleção entre um transformador de aterramento em zig-zag e em estrela-triângulo depende, em última análise, dos requisitos específicos do sistema: necessidades de limitação de corrente de falha, orçamento e espaço disponíveis, requisitos de mitigação de harmônicos e o desejo de disponibilidade de energia auxiliar. Para a maioria das aplicações de aterramento, a eficiência superior do transformador zig{3}}zag, seu menor espaço ocupado e melhor desempenho harmônico fazem dele a escolha preferida para novas instalações.