Transformadores de Aterramento: Quando Especificar uma Unidade em Ziguezague e Como Dimensioná-la Corretamente

Na primavera passada, um engenheiro de planta em Ohio nos enviou um e-mail sobre um anel de 13,8 kV alimentando três edifícios produtivos. Uma falha entre fase e terra vinha ocorrendo nesse sistema há duas semanas — os relés de proteção praticamente não detectavam nada, pois o anel era um sistema isolado da terra sem caminho de sequência zero para a corrente de falha retornar. Quando o empreiteiro dele finalmente encontrou a emenda do cabo queimada, já haviam falhado dois acionamentos de motores de 500 cv nas fases saudáveis. A solução que ele encomendou foi um transformador de aterramento de classe 15 kV transformador de aterramento com enrolamento em zigue-zague. A pergunta dele para nós foi curta: "Qual valor de corrente devo indicar na ordem de compra — 10 segundos ou contínuo?"

Essa pergunta é mais comum do que deveria ser, e é exatamente aí que as especificações falham. Eis o que informamos aos compradores quando essa pergunta surge em seus projetos.

 

 

O que um transformador de aterramento realmente faz

Não é um transformador de distribuição no sentido usual. Uma unidade de aterramento como esta carrega quase nenhuma carga durante a operação normal. Sua função é criar um ponto neutro artificial em um sistema que não o possui — tipicamente um sistema conectado em delta ou um sistema em estrela cujo bujão neutro não está disponível ou não pode ser aterrado solidamente.

Quando ocorre uma falha entre fase e terra em um sistema isolado da terra, a corrente de falha não tem para onde fluir, exceto através da capacitância distribuída dos cabos e enrolamentos, que é pequena. Portanto, a proteção não consegue eliminar a falha, e o sistema continua operando com uma fase em potencial de terra, enquanto as fases saudáveis sobem à tensão total entre linhas — aproximadamente 1,73 vezes a tensão de fase normal, podendo haver sobretensões transitórias durante arcos intermitentes. Motores e cabos nas fases saudáveis suportam essa tensão excessiva, e falhas de isolamento ocorrem subsequentemente, muitas vezes semanas depois e distantes do local real da falha.

Conecte uma unidade em zigue-zague com seu neutro aterrado, e a imagem muda. O enrolamento oferece um caminho de sequência zero de baixa impedância; a corrente de falha retorna através do transformador, e os dispositivos de proteção finalmente conseguem detectá-la e atuar. Em um enrolamento em zigue-zague (estrela interconectada), cada fase conduz aproximadamente um terço da corrente de falha de sequência zero, razão pela qual essas unidades são fisicamente pequenas em comparação com a carga que protegem.

 

Zigue-zague versus Estrela-Triângulo: Qual Enrolamento Deve Constatar na sua Especificação

Compradores perguntam-nos sobre duas formas comuns de construir um transformador de aterramento : o zigue-zague e o estrela-triângulo.

Comparação	Zigue-zague (estrela interconectada)	Estrela-Triângulo
Corrente de carga normal	Quase nula — apenas corrente de magnetização	Também pode alimentar uma carga auxiliar em triângulo, se especificado
Impedância de sequência zero	Baixa, controlável por projeto	Baixa, definida pela geometria do enrolamento
Tamanho físico	Compacto, menor custo	Maior, maior custo
Utilização típica	Função exclusiva de aterramento em sistemas de 480 V a 34,5 kV	Aterramento mais carga auxiliar ou de serviço da subestação
Classificações comuns	400 A por 10 s; contínuo para função HRG	Frequentemente classificado para operação contínua

Para um projeto cuja única necessidade é um ponto neutro, o transformador em ziguezague é quase sempre a escolha certa — é menor, mais barato e mais fácil de instalar dentro de um invólucro externo. Fabricamos ambos em nossa fábrica, mas cerca de nove em cada dez pedidos de aterramento que enviamos são unidades em ziguezague. Especifique apenas wye-delta quando a unidade também precisar alimentar uma carga auxiliar, como um quadro de serviço da estação no lado delta.

 

Classificação contínua versus classificação de curta duração: a decisão de especificação que mais importa

Essa foi a decisão que motivou a ligação telefônica do engenheiro de Ohio, e é aquela em que a maioria dos compradores erra.

A transformador de aterramento que funciona com um sistema aterrado de baixa resistência é projetado para operação de curta duração . A resistência de aterramento do neutro do sistema (NGR) limita a corrente de falha à terra a um valor definido — comumente 400 A, às vezes 200 A ou 600 A — e o esquema de proteção elimina a falha em segundos. O transformador é, portanto, classificado para suportar essa corrente por uma duração definida, normalmente 10 segundos, conforme os procedimentos de ensaio IEEE C57.32. Classificar uma unidade de curta duração como "contínua" representa um desperdício de dinheiro em cobre e núcleo; classificar uma unidade de serviço contínuo como "10 segundos" constitui um risco à segurança.

Em um aterramento de alta resistência (HRG), a corrente é deliberadamente limitada a cerca de 5 A ou 10 A, e o sistema opera com a falha ativa enquanto a manutenção a localiza. Essa unidade deve ser classificada contínuo para operação contínua, pois conduz corrente indefinidamente. Confundir os dois conceitos em uma especificação é o erro mais comum que observamos em RFQs — um comprador escreve "transformador de aterramento, 400 A" e esquece o ciclo de trabalho, levando a fábrica a cotar a máquina incorreta.

 

Aterre o Sistema Primeiro: sem aterramento, sólido, de baixa resistência ou HRG

Antes que qualquer pessoa possa avaliar uma unidade de aterramento, a filosofia de aterramento do sistema deve ser definida, pois ela determina a corrente, o regime de operação e o esquema de proteção.

• Sistemas sem aterramento são permitidos por muitos códigos industriais — o Artigo 250.21 da NEC ainda os autoriza —, mas toleram a primeira falha em silêncio e expõem equipamentos saudáveis a sobretensões. Essa é a configuração que normalmente leva compradores a adicionar uma unidade de aterramento posteriormente.
• Sistemas em estrela com aterramento sólido não necessitam de uma unidade de aterramento quando o neutro está disponível e sua utilização é permitida. Unidades em zigue-zague surgem quando o neutro é inacessível ou quando o aterramento sólido não é permitido.
• Sistemas com aterramento de baixa resistência (normalmente 200–800 A, regime de 10 segundos) são a escolha-padrão para distribuição industrial em média tensão. Uma unidade em zigue-zague combinada com um resistor de aterramento limitado (NGR) oferece detecção confiável de falhas com danos limitados no ponto de falha.
• Sistemas com aterramento de alta resistência sistemas (5–10 A, contínuos) mantêm a planta em operação após uma única falha, com alarme, comum em processos de 480 V que não podem sofrer uma parada não planejada. A norma NEC 250.36 abrange a ligação à terra de alta resistência (HRG) em sistemas de 480 V a 1000 V.

Para referência, a prática de aterramento que determina qual dessas opções se aplica à sua planta é descrita na Prática recomendada IEEE 142 para aterramento de sistemas industriais e comerciais de energia , que consideramos como referência básica sempre que um cliente nos solicita revisar sua filosofia de sistema.

 

O que deve constar na folha de especificações

Quando você envia um pedido de cotação (RFQ) para um transformador de aterramento , uma especificação completa responde a estes itens — e um engenheiro de cotação identifica imediatamente quando algum deles está faltando:

1. Tensão de linha a linha do sistema e frequência (por exemplo, 13,8 kV, 60 Hz), além da classe BIL exigida para o sistema de isolamento.
2. Aterramento do neutro método: baixa resistência com corrente e tempo do NGR (400 A, 10 s) ou HRG em regime contínuo (5 A ou 10 A).
3. Classificação contínua ou de curta duração, indicada explicitamente — nunca deixe isso à interpretação.
4. Se um resistor de aterramento neutro está incluído e qual é o seu valor ôhmico, pois o enrolamento em ziguezague isoladamente não limita a corrente.
5. Invólucro e ambiente: interno, externo, montado sobre pedestal ou estrutura de subestação, além da classe de temperatura.
6. Norma de ensaio aplicável — projetamos e ensaiamos conforme IEEE C57.32 — que abrange requisitos, terminologia e procedimentos de ensaio para dispositivos de aterramento neutro, incluindo ensaios de elevação de temperatura e de corrente de curta duração.
7. Arranjo do enrolamento em delta ou em ziguezague e se a unidade deve suportar qualquer carga auxiliar.

A transformador em ziguezague para um sistema de classe 15 kV, 400 A durante 10 segundos é uma máquina pequena e leve comparada aos transformadores de distribuição ao seu redor. Contudo, "pequena" não significa simples — a impedância de sequência zero, a coordenação do isolamento no ponto neutro e a capacidade térmica de suporte de curta duração devem ser projetadas com rigor técnico, não improvisadas.

 

Como Projetamos e Ensaiamos Unidades de Aterramento na Ryan

 

 

Desde 2023, trabalhamos como parceiro oficial de joint venture da Eaton, e essa cooperação define a forma como tratamos unidades especiais como esta — elas passam pela mesma disciplina da nossa linha principal de distribuição, não por um trabalho secundário. Nossa fábrica de 120.000 m² opera com mais de 180 conjuntos de equipamentos, e os transformadores de aterramento só saem da linha de produção após um relatório de teste de fábrica que inclui ensaios de relação de espiras, resistência de isolamento, tensão aplicada e tensão induzida, além de ensaio de corrente de curta duração — este último realizado, quando exigido pela classificação do equipamento, sob supervisão da nossa equipe de QA.

Um hábito da linha de testes: quando a solicitação de cotação (RFQ) de um cliente menciona apenas "transformador de aterramento", sem outros detalhes, ligamos antes de emitir a proposta. No último ano, identificamos especificações que teriam resultando no envio de uma unidade com classificação contínua para uma aplicação de regime de 10 segundos, bem como a encomenda de um transformador zigzag para um sistema que, na verdade, necessitava de um transformador estrela-triângulo com carga auxiliar. Essas perguntas levam cinco minutos ao telefone e evitam meses de problemas futuros.

 

A conclusão final para os compradores

Se sua instalação opera um sistema de média tensão sem aterramento ou um sistema delta no qual não está disponível um neutro sólido, um transformador de aterramento com enrolamento em ziguezague é a solução prática — ele fornece uma trajetória de sequência zero para proteção, limita a sobretensão nos equipamentos saudáveis e permite que os relés finalmente detectem faltas à terra. Escolha o enrolamento com base na necessidade de capacidade de carga auxiliar e escolha o ciclo de trabalho com base no seu método de aterramento: classificações de 10 segundos para sistemas de baixa resistência limitados por NGR e classificações contínuas para HRG.

Envie-nos sua tensão do sistema, sua filosofia de aterramento e seu valor-alvo de corrente de falta, e confirmaremos a classificação antes de você prosseguir. Envie um e-mail para [email protected]ou solicite uma cotação pela página de contato — a análise de especificações é gratuita e representa o passo que impede que um sistema sem aterramento se transforme em uma interrupção não planejada.

 

Sobre o autor

A Ryan Electric é um fabricante de transformadores na China, fundada em 2007, que atende concessionárias, centros de dados e clientes industriais em toda a América do Norte, Sudeste Asiático e Oriente Médio. Este artigo foi elaborado pela nossa equipe de engenharia e conteúdo, com base na experiência de testes realizados na fábrica e no feedback de campo proveniente de projetos de transformadores enviados para todo o mundo.