Proteção de Transformadores Imersos em Óleo: Relé Buchholz, Sobrecorrente e Especificações de Proteção Diferencial que os Compradores Devem Conhecer

Um gerente de compras de uma empreiteira mineira chilena ligou-nos em julho com uma pergunta que ouvimos com mais frequência do que os compradores esperam: se ele encomendasse um transformador de 15 MVA transformador Imerso em Óleo da nossa fábrica, a proteção já estaria incluída ou teria de ser adquirida separadamente? A resposta curta é: ambas as opções. Os dispositivos montados no tanque são enviados juntamente com a unidade, mas os ajustes dos relés, as relações dos TCs e a lógica de disparo são definidos em conjunto com o engenheiro de proteção do comprador — e a maioria das falhas em campo sobre as quais somos chamados tem origem nessa etapa de transferência, e não no próprio transformador.

A proteção existe por um único motivo: uma falha interna gera energia que o tanque não foi projetado para conter indefinidamente. Com uma impedância típica de 7 %, uma falha em curto-circuito nos terminais pode elevar a corrente a mais de catorze vezes a corrente nominal. Um curto-circuito entre espiras no interior do tanque transfere essa energia para o óleo em milissegundos. A função do sistema de proteção é detectar o evento precocemente — elétrica, hidraulicamente ou termicamente — e desconectar o equipamento antes que o tanque se rompa ou o óleo se inflame.

 

Que proteção realmente acompanha um transformador imerso em óleo

Proteção de transformadores em um transformador Imerso em Óleo divide-se em dois grupos. Primeiro, dispositivos montados diretamente no tanque: o relé de gás Buchholz no tubo entre o tanque principal e o reservatório, um dispositivo de alívio de pressão na tampa do tanque, indicadores de temperatura do óleo e das bobinas com contatos de alarme, e um medidor de nível de óleo. Segundo, relés de proteção externos em um cubículo ou painel de subestação: funções de sobrecorrente, diferencial e de falha à terra que acionam a chave de proteção no lado primário.

Essa divisão é relevante para os compradores. Os dispositivos montados no tanque fazem parte do escopo do transformador — a fábrica os instala, liga e testa. O esquema de relés externos geralmente é definido na filosofia de proteção do projeto, e seus ajustes cabem ao operador da rede elétrica ou ao engenheiro de proteção da empresa EPC. A lacuna mais comum que observamos: o comprador assume que o escopo da fábrica inclui a coordenação dos relés, enquanto o engenheiro de proteção presume que o transformador chegou com um painel de proteção totalmente ligado. Ambos se equivocam, e a fase de comissionamento fica estagnada.

 

O Relé Buchholz: O Único Dispositivo Que Olha Para Dentro do Tanque

O Relé Buchholz está instalado no tubo que conecta o tanque principal ao reservatório, cheio de óleo durante a operação normal. Ele detecta duas assinaturas diferentes de falhas. Falhas lentas — envelhecimento da isolação, uma conexão frouxa, pequenas descargas parciais — geram gás que sobe e se acumula na câmara do relé. Quando o volume de gás atinge o limiar da primeira etapa, um flutuador desce e fecha o contato de alarme. Falhas violentas, como um curto-circuito entre fases nos enrolamentos, empurram um surto de óleo através do tubo. Esse surto inclina uma placa defletora e fecha o contato de desligamento quase instantaneamente, muito mais rápido do que qualquer medição elétrica a jusante consegue responder.

No nosso laboratório de testes, cada Relé Buchholz é testado em bancada antes da instalação. Injetamos ar pela entrada de óleo para verificar se o flutuador de alarme opera no volume específico de gás; em seguida, realizamos um teste de sobrecarga para confirmar que o contato de desarme fecha e que a fiação alcança a caixa de agrupamento. A fiação do contato é fotografada e arquivada na documentação do FAT, pois, em um local remoto, um contato de alarme com fiação incorreta faz com que um técnico perca um dia inteiro rastreando o problema. Parece uma coisa pequena. É exatamente esse tipo de detalhe que determina se uma primeira falha resultará em um alarme ou em um desarme desnecessário.

O detalhe da instalação é onde os relés de gás conquistam sua reputação. O relé deve ser montado nivelado, com sua seta apontando para o reservatório — o óleo flui nessa direção em serviço normal, e o gás percorre o mesmo caminho. Certa vez, visitamos um local onde o relé havia sido instalado com juntas de flange que aprisionavam uma bolha de ar visível; o alarme foi acionado dentro de uma semana devido ao acúmulo de gás que jamais havia originado uma falha. O ponto de amostragem de óleo e a válvula de teste do relé são os dois acessórios cuja localização vale a pena identificar antes de o equipamento ser fechado em sua caixa, pois ambos são utilizados no primeiro ano de operação.

 

Proteção contra sobrecorrente e proteção diferencial: o que os números dos dispositivos significam

A proteção por relés externos utiliza os números de dispositivos ANSI/IEEE, e os três que você encontrará em quase todos os pedidos de classe distribuição são 50, 51 e 87T. 50é sobrecorrente instantânea: atua rapidamente sobre correntes de falha muito superiores à carga. 51é uma proteção contra sobrecorrente com retardo de tempo: coordena-se com dispositivos a jusante para que uma falha em um alimentador seja eliminada no próprio alimentador, e não no transformador. 87T é uma proteção diferencial de transformador: compara a corrente que entra no enrolamento primário com a corrente que sai do secundário, medida por TCs em ambos os lados, e atua quando as duas deixam de coincidir — o método mais rápido e confiável para detectar falhas nos enrolamentos dentro do tanque.

O Guia IEEE para proteção de transformadores de potência (IEEE C37.91-2021) define seu escopo como unidades trifásicas com capacidade nominal acima de 5 MVA operando acima de 10 kV, e recomenda um esquema completo — incluindo proteção diferencial — nesse nível. Abaixo desse valor, fusíveis ou relés de sobrecorrente coordenados são práticas comuns; por isso, unidades pequenas de distribuição raramente incorporam proteção diferencial, enquanto um transformador de potência de 15 MVA deve tê-la. Se seu engenheiro de proteção não solicitou proteção diferencial para uma unidade acima desse tamanho, pergunte o motivo. O guia é material de referência público e vale a pena ser consultado antes da próxima solicitação de proposta.

A filosofia de ajuste é um tema em si, mas há um valor que deve constar no vocabulário de todo comprador: a corrente de magnetização inicial (inrush). Quando um transformador Imerso em Óleo é energizado, a corrente de magnetização pode atingir de oito a doze vezes a corrente nominal durante os primeiros ciclos, antes de decair. Um elemento instantâneo de sobrecorrente ajustado abaixo desse valor acionará a unidade em toda energização normal. É por isso que os elementos 50 são ajustados acima da corrente de inrush ou brevemente bloqueados no fechamento, por que os elementos 51 coordenam-se com a proteção dos alimentadores a jusante e por que os relés diferenciais utilizam restrição harmônica — eles ignoram a corrente de inrush, mas ainda detectam uma falha interna real. Seu fornecedor não escolhe esses ajustes; seu engenheiro de proteção o faz. O que a fábrica de transformadores deve entregar são os dados de ensaio — impedância, curva de saturação, perda em vazio — que tornam possível o estudo de coordenação.

 

Alívio de Pressão, Temperatura e Nível de Óleo: O Restante do Esquema

Três outros dispositivos montados no tanque merecem menção em sua especificação. O dispositivo de alívio de pressão libera o tanque caso a pressão interna aumente mais rapidamente do que o relé de gás consegue responder — pense nele como a válvula de segurança mecânica do sistema. O indicador de temperatura do óleo e o indicador de temperatura do enrolamento possuem contatos de alarme e de desligamento, normalmente ajustados com base na temperatura do óleo superior, correspondente a um aumento médio de 65 K na temperatura do enrolamento previsto no projeto. Já o medidor de nível de óleo com alarme de nível baixo detecta vazamentos lentos que um relé de gás não consegue identificar, pois um reservatório esvaziando-se completamente geralmente representa um problema de manutenção antes de se tornar um evento de proteção.

Um ponto de RFQ aqui: solicite a lista de contatos. Especifique quantos contatos de alarme e de disparo sobressalentes cada dispositivo deve ter, se os contatos são classificados para a tensão de controle CC do seu painel (24, 48, 110 ou 220 V CC são as mais comuns) e se a caixa de agrupamento inclui blocos de terminais, um aquecedor e placas de entradas de cabos. A instalação de contatos após a entrega é desproporcionalmente cara. Especificá-los custa apenas uma linha na RFQ.

 

Testes de Fábrica Que Comprovam o Funcionamento da Proteção

A proteção é tão boa quanto a fiação que a sustenta; portanto, realizamos dois testes. Primeiro vêm os testes elétricos de rotina sob IEEE C57.12.00 : relação de transformação, polaridade, resistência de enrolamento, perdas em vazio e em carga, impedância e ensaios dielétricos. Em seguida, os testes de proteção que nunca constam de uma lista padrão de testes de rotina: verificação da polaridade e da relação dos TCs, continuidade de cada contato de alarme até os terminais da caixa de agrupamento e um ensaio de injeção primária, no qual injetamos corrente nos TCs para comprovar que o relé detecta a magnitude e a direção corretas.

 

 

No ano passado, o inspetor terceirizado de um cliente solicitou presenciar um ensaio de injeção primária em uma unidade de 20 MVA destinada ao Sudeste Asiático. O ensaio detectou um TC secundário com polaridade invertida dentro da caixa de agrupamento. Detectado na fábrica, o problema foi resolvido em duas horas. Se detectado no local, teria causado uma operação incorreta da proteção diferencial na primeira energização — e uma conversa sobre reclamações que ninguém gostaria de ter. Por isso, a seção de proteção do FAT merece a mesma atenção que as figuras de perdas no relatório de ensaio.

Relés numéricos agora executam o trabalho que antes exigia uma parede inteira de unidades eletromecânicas, e muitos projetos obtêm dados dos relés via Modbus ou IEC 61850, em vez de apenas um contato seco. Qualquer que seja o protocolo escolhido, a pergunta fundamental na fábrica permanece a mesma: o laço de proteção foi testado integralmente, desde os terminais dos TCs até a bobina de disparo do disjuntor? Um relé pode estar perfeitamente configurado e ainda assim não disparar, caso o secundário de um TC esteja aberto ou um fio de disparo esteja conectado no terminal errado — razão pela qual o teste integral durante a FAT é mais barato em uma ordem de grandeza do que o mesmo teste realizado no local.

 

Seis perguntas a incluir na sua solicitação de cotação (RFQ)

1. Quais dispositivos de proteção são montados e ligados na fábrica, e quais são enviados soltos?
2. Relé Buchholz: marca e modelo; as etapas de alarme e disparo foram testadas em bancada, com fotos incluídas no arquivo da FAT?
3. TCs: relação de transformação, classe de precisão (uma classe de proteção, como 5P20) e diagrama de polaridade incluídos nos desenhos?
4. Os dispositivos de temperatura, nível de óleo e pressão possuem contatos sobressalentes para futura conexão ao sistema SCADA?
5. O relatório de testes da fábrica inclui injeção primária em CT e continuidade de contatos, ou apenas testes elétricos de rotina?
6. Que documentação de proteção é fornecida com a unidade — diagramas de fiação, manuais de relés, certificados de teste?

Eis por que isso é relevante na prática. Um comprador de concessionária elétrica com quem trabalhamos no Oriente Médio padroniza todos os pedidos de subestações em uma única plataforma de relés e um único conjunto de especificações de contatos. Do nosso lado, essa padronização significa o mesmo cronograma de fiação, o mesmo procedimento de teste e a mesma lista de peças de reposição para cada unidade, o que reduz a duração do FAT e torna a entrega à sua equipe de comissionamento previsível.

A Ryan Electric fabrica transformadores de distribuição e de potência desde 2007 em uma instalação de 120.000 m², e a parceria com a Eaton, iniciada em 2023, mantém nosso fornecimento de componentes e nossa disciplina de FAT alinhadas às expectativas das concessionárias globais. Trinta e sete patentes, bem como certificações UL, CSA, IEEE, DEKRA e CNAS, respaldam os procedimentos acima — nenhum dos quais substitui as configurações do seu engenheiro de proteção, mas todos os quais facilitam o trabalho dele.

Se você estiver especificando um transformador Imerso em Óleo para um projeto de concessionária, mineração ou industrial, envie-nos seus dados de carga, tensão do sistema e filosofia de proteção juntamente com sua consulta. Nossos engenheiros confirmarão o escopo de proteção, o programa de ensaios e o pacote de documentação antes que você formalize uma ordem de compra. Utilize nossa página de contato ou solicite uma cotação diretamente, e responderemos com informações concretas, não com um folheto.

Sobre o autor este guia foi elaborado pela equipe de engenharia e exportação da Ryan Electric, fabricante chinesa de transformadores fundada em 2007. A equipe apoia compradores de serviços públicos, empresas EPC e industriais nas Américas do Norte, Sudeste Asiático, Oriente Médio e África com engenharia de aplicações, suporte para certificações e documentação de testes de fábrica.