Ferroressonância em Transformadores Montados em Plataforma: O que um Fabricante de Transformadores Montados em Plataforma Quer que os Especificadores Saibam

 

Como uma fabricante de transformadores montados em pedestal , continuamos enfrentando a mesma falha, na mesma ordem. Uma unidade montada em pedestal é substituída para manutenção. O para-raios do poste de subida, localizado na extremidade do cabo, falha. A equipe substitui o para-raios, energiza a unidade e a substituição falha novamente dentro de alguns meses — às vezes, em poucas semanas. O transformador em si apresenta resultados limpos em todos os testes de rotina. Nada na placa de identificação está incorreto. O que está danificando o para-raios é a ferroressonância, e quase nunca é culpa do próprio para-raios.

O que realmente é a ferroressonância

 

O núcleo de um transformador não é um indutor linear. Abaixo da saturação, sua reatância de magnetização é elevada. À medida que o núcleo se aproxima da saturação, essa reatância entra em colapso. Ao inserir um componente com esse comportamento em um circuito que também contenha capacitância — por exemplo, a capacitância da bainha de um cabo subterrâneo, a capacitância de graduação de um disjuntor, a capacitância de um bujão ou de um banco de capacitores — uma perturbação de chaveamento pode levar o circuito a uma oscilação que nenhum desses elementos conseguiria produzir isoladamente.

Essa é toda a definição, e ela também explica por que a ferroressonância em transformadores não é a ressonância bem definida calculada a partir de XL = XC. Com um indutor linear, há apenas uma frequência de ressonância e um único estado estacionário. Com um núcleo saturável, há várias frequências de ressonância, e o circuito pode saltar entre elas. IEEE Technology Navigator — Ferroresonance (https://technav.ieee.org/topic/ferroresonance/) descreve quatro modos principais de oscilação: ferroressonância na frequência fundamental, ou seja, na frequência da alimentação; ferroressonância sub-harmônica, numa fração da frequência da alimentação, normalmente um terço; ferroressonância quase-periódica, com formas de onda irregulares; e ferroressonância caótica, sem qualquer padrão repetitivo. Sobretensões sustentadas nesses modos podem atingir cinco a seis vezes a tensão nominal da linha, valor muito superior ao previsto pela coordenação de isolamento de um enrolamento de distribuição para esforço contínuo na frequência de potência.

Duas unidades com placas de identificação idênticas podem comportar-se de forma totalmente distinta. O modo em que um circuito se estabiliza depende da indutância, da capacitância, da magnitude da tensão e das condições iniciais — o que, na prática, significa que depende do instante exato em que o interruptor é fechado. É por isso que um estudo baseado em valores nominais não o detectará, e também por isso que a mesma operação de chaveamento pode funcionar perfeitamente cem vezes e falhar na centésima primeira.

Se você estiver trabalhando atualmente com uma especificação montada em pedestal, nossa equipe de engenharia revisará o circuito primário com você antes que a classificação seja fixada. Envie-nos o diagrama unifilar e analisaremos juntos as quatro condições.

As Quatro Condições Que Devem Coincidir

 

A ferroressonância é exigente. Ela exige quatro condições simultâneas: um secundário sem carga, alta capacitância primária, comutação assimétrica comutação monofásica , e um núcleo que satura com uma sobretensão moderada — justamente por isso ela nunca aparece em um estudo de fluxo de carga e é tão difícil de reproduzir em uma bancada de testes.

Condição	Por que isso é importante	Onde ela ocorre na prática
Secundário sem carga ou com carga leve	A resistência da carga atenua a oscilação; um secundário vazio não oferece nenhuma atenuação	Novo loteamento antes da ocupação, parada sazonal da planta, unidade mantida como reserva
Alta capacitância primária	A capacitância da bainha do cabo por unidade de comprimento é muito maior do que a de uma linha aérea	Alimentador subterrâneo longo, cabo vertical, câmara de rede, serviço industrial alimentado por cabo
Comutação assimétrica	Deixa uma ou duas fases isoladas, mas ainda acopladas capacitivamente à fonte	Desconectores monofásicos, um fusível queimado, religadores monopolar, operação de cotovelo
Núcleo que satura com sobretensão moderada	A indutância de magnetização entra em colapso, permitindo que o circuito salte entre pontos de operação	Núcleos modernos de baixas perdas e projetos que operam com densidade de fluxo mais elevada

 

Remova qualquer um dos quatro e o fenômeno normalmente não começará. Essa é a parte útil, pois significa que há quatro locais distintos onde é possível eliminá-lo — e o mais barato quase sempre é o arranjo de comutação. É também o ponto em que a conversa deve passar de uma cotação para uma seleção, e é a primeira coisa que um fabricante de transformadores montados em pedestal deve levantar com você.

O que faz à unidade antes que alguém perceba

 

A falha que a equipe vê primeiro é normalmente no pára-raios , não dentro do tanque. Um supressor de óxido metálico é um resistor que só se torna condutivo acima de sua tensão nominal. Uma sobretensão ferroressonante sustentada o mantém em condução e converte a oscilação em calor dentro de um bloco de cerâmica dimensionado para impulsos de microssegundos com um ciclo de trabalho definido. Os dados de referência da Eaton sobre proteção contra sobretensões em transformadores montados em pedestal afirmam claramente o limite: supressores reduzem sobretensões, mas não as eliminam; quanto maior o ciclo de trabalho do supressor, mais material condutivo ele contém e mais tempo resiste a uma sobretensão antes de falhar. Um supressor de distribuição de baixa capacidade, perfeitamente adequado para raios, não é dimensionado para minutos de energia na frequência da rede. Dados de referência da Eaton TC202005EN — Proteção contra Sobretensões em Transformadores Montados em Pedestal (https://www.eaton.com/content/dam/eaton/products/medium-voltage-power-distribution-control-systems/cooper-power-series-transformers/overvoltage-protection-for-pad-mounted-transformers-information-tc202005en.pdf)

Atrás do parafusos de proteção, os danos são mais silenciosos e mais difíceis de detectar em um teste rotineiro. As superfícies dos bujões apresentam sinais de rastreamento onde ocorreu a descarga por flashover. A isolação dos enrolamentos sofre perfurações no ponto em que as oscilações atingem seu pico, e essas perfurações costumam ser tão pequenas que um teste de relação de espiras ainda fornece resultado aprovado. O núcleo opera em temperatura elevada, pois a excursão de fluxo está muito além do projeto, e o calor é o fator que reduz a vida útil da isolação. A falha do parafusos de proteção geralmente é a primeira consequência, não a única.

Há também um sintoma que não é elétrico de forma alguma. Uma unidade em ferroressonância frequentemente produz um zumbido ou vibração de baixa frequência que soa diferente do zumbido normal causado pela magnetostricção — irregular, desigual e suficientemente alto para que as equipes o percebam antes mesmo de qualquer relé operar. Trate-o como um sinal de alerta, não como uma simples inconveniência.

 

A comutação monofásica é o gatilho que você pode controlar

 

Das quatro condições, a comutação assimétrica é a única que um especificador pode eliminar com um único item de especificação. Comutação monofásica de um banco de transformadores trifásicos — seja por meio de fusíveis de corte, um fusível queimado ou um esquema de religamento monopolar — deixa o banco parcialmente energizado e acoplado capacitivamente à fonte, o que constitui o iniciador clássico em sistemas de distribuição alimentados por cabos.

A norma IEEE Std C57.105-2019, guia para aplicação de conexões de transformadores em sistemas elétricos trifásicos, trata essas interações entre conexões e comutação como uma consideração de projeto, e não como um acidente: IEEE Std C57.105-2019 (https://standards.ieee.org/ieee/C57.105/6121) . Essa norma existe exatamente porque a interação entre a conexão de um transformador e o circuito ao seu redor determina se um sistema opera corretamente ou de forma inadequada.

O que funciona no campo é desinteressante. Comute as três fases simultaneamente com um dispositivo operado em conjunto, em vez de seccionadores monofásicos, sempre que a configuração o permitir. Onde dispositivos monofásicos forem inevitáveis, mantenha uma pequena carga resistiva permanente no secundário durante a comutação, para que a oscilação tenha algo em que se dissipar. Um resistor amortecedor ou um circuito de supressão de ferroressonância ligado em paralelo ao enrolamento constitui a próxima camada, e um pára-raios selecionado para sobretensões temporárias, e não apenas para descargas atmosféricas, é a última camada.

Nada disso exige hardware exótico. Exige que o esquema de comutação e o ciclo de serviço do parafuso de proteção sejam definidos ao mesmo tempo que a potência nominal do transformador, e não após o cabo já ter sido instalado.

Cinco itens a incluir na solicitação de proposta (RFQ)

 

Conexão e aterramento dos enrolamentos. Indique se é aceitável um primário em estrela aterrado. Um primário em triângulo não aterrado numa linha de cabo longa representa a configuração de maior risco existente, e essa resposta altera completamente o quadro das sobretensões.

Tipo de dispositivo de comutação principal. Interruptor de carga trifásico operado em conjunto, religador trifásico ou fusíveis monofásicos. Se dispositivos monofásicos forem inevitáveis, especifique-o, pois isso altera o pára-raios seleção.

Classe do para-raios, ciclo de serviço, tensão máxima contínua (MCOV) e capacidade de suportar sobretensões temporárias. 'Para-raios incluídos' não constitui uma especificação. Solicite um para-raios dimensionado para sobretensões temporárias, não apenas para descargas atmosféricas.

Tabela de cabos. Seção do condutor, comprimento e tipo de isolamento para cada segmento primário. A capacitância da cobertura é a outra metade do circuito ressonante e não aparece numa tabela de placas de identificação.

Amortecimento secundário. Se uma pequena carga permanente ou um resistor de amortecimento será mantido no secundário durante as manobras de comutação, e qual porcentagem da potência nominal ele representa.

O que um fabricante de transformadores abrigados em caixa pede antes de você efetuar o pedido

 

Em qualquer projeto com extensões longas de cabos primários, o primeiro documento que solicitamos não é a tabela de placas de identificação. É o diagrama unifilar com os comprimentos dos cabos e a configuração de comutação, pois esses dois itens determinam se o risco de sobretensão é desprezível ou real. A fabricante de transformadores montados em pedestal quem cota apenas com base na lista de transformadores está cotando uma unidade, não uma solução.

Cada unidade passa por uma sequência rotineira de testes, e as perdas em vazio e a corrente de magnetização são registradas ao longo do processo. Esses dois valores são as entradas que transformam uma questão de ferroressonância de uma opinião em um cálculo, e nós os forneceremos ao seu engenheiro consultor antes da expedição, mediante solicitação.

A Ryan Electric fabrica transformadores de distribuição e de potência desde 2007, a partir de uma base fabril de 120.000 m² com mais de 180 conjuntos de equipamentos de produção e teste e 37 patentes. Desde 2023, a empresa opera como parceira oficial de joint-venture da Eaton, o que é um dos motivos pelos quais tratamos a coordenação entre para-raios e dispositivos de manobra como parte do escopo do transformador, e não como problema alheio.

Um padrão que observamos repetidamente em projetos de loteamentos na América do Norte é uma pequena unidade trifásica — de 75 kVA a 500 kVA — instalada no final de um ramal subterrâneo longo, alimentada por fusíveis monofásicos e destinada a uma carga que só existirá daqui a um ano. Todas as condições listadas ocorrem simultaneamente, e o local permanece sem carga por meses. Quando o projetista substitui o disjuntor individual por um disjuntor tripolar operado em conjunto e mantém uma pequena carga resistiva no secundário durante a fase de comissionamento, as falhas nos para-raios cessam.

Se você estiver especificando unidades montadas em pedestal em um sistema alimentado por cabo, envie-nos o diagrama unifilar e a relação de cabos antes de realizar o pedido. Analisaremos a configuração de chaveamento, a especificação dos para-raios e o amortecimento secundário com base no seu circuito real e informaremos qual das quatro condições está presente — e qual delas já foi eliminada por meio do seu projeto. Essa é a conversa que fabricante de transformadores montados em pedestal deve ter com você antes da realização do pedido, não após a falha do primeiro para-raio.

Sobre o autor

Este artigo foi elaborado pela equipe de engenharia de transformadores da Ryan Electric. A Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.) projeta e fabrica transformadores a seco do tipo resina fundida e VPI, transformadores imersos em óleo e unidades montadas em pedestal em sua unidade fabril de 120.000 m², atendendo projetos de centros de dados, industriais, de concessionárias e de infraestrutura nas Américas do Norte, Sudeste Asiático, Oriente Médio e África.