Aterramento do Neutro do Transformador Explicado: Comparação entre Aterramento Sólido, por Resistência e em Zig-Zag

O cronograma de quadros de comando especificava a ligação à terra de alta resistência em 5 A com um resistor de 10 segundos. O empreiteiro instalou exatamente isso. Ninguém mediu a corrente de carga do sistema, que, nos cabos blindados de 5 kV, nos para-raios e nos filtros de entrada dos inversores dessa instalação, totalizava cerca de 6,8 A. Na primeira falha fase-terra, o resistor suportou toda a corrente capacitiva, e o relé de detecção nunca registrou um aumento, fazendo com que a instalação operasse por dois dias com uma fase ligada à terra. A segunda falha, em uma fase diferente, transformou uma ocorrência incômoda em um arco elétrico fase-fase. Tudo havia sido construído conforme o projeto. Mesmo assim, o esquema de aterramento estava incorreto.

Aterramento do neutro do transformador é a decisão de projeto que define a quantidade de corrente que flui quando ocorre uma falha de isolamento, se a proteção dispara ou simplesmente emite um alarme e quanta dessa corrente o transformador, os cabos e o equipamento de manobra devem suportar. Essa decisão é tomada uma única vez, na fase de projeto, e normalmente ocupa apenas uma linha de uma especificação.

Quatro métodos abrangem quase todos os sistemas industriais, de concessionárias e de centros de dados: aterramento sólido, aterramento de baixa resistência, aterramento de alta resistência e aterramento por meio de um transformador de aterramento zig-zag ou estrela-triângulo. Cada um desses métodos responde a uma pergunta diferente, e a resposta correta depende do comportamento desejado do sistema na primeira falha à terra.

 

O Que o Aterramento do Neutro do Transformador Define

Uma falha à terra completa um circuito entre um condutor de fase e a terra. A corrente que flui é determinada pela impedância do caminho de retorno, e esse caminho de retorno é criado pela ligação entre o neutro do sistema e o sistema de eletrodos de aterramento. Altere essa ligação e você alterará a corrente de falha, a velocidade de detecção e a quantidade de dano causado pela falha enquanto ela está sendo eliminada.

Vale a pena citar duas referências na especificação. IEEE Std 3003.1-2019 abrange o aterramento de sistemas para instalações industriais e comerciais e é o sucessor moderno da família de manuais Green Book; IEEE Std C62.92.1-2016 abrange o aterramento do neutro em sistemas de concessionárias com tensão nominal acima de 1.000 V. Ambos se baseiam na mesma compensação: a corrente de falha à terra deve ser suficientemente alta para ser detectada de forma confiável, mas baixa o bastante para não danificar os equipamentos.

A tabela abaixo resume os quatro métodos.

Método	Corrente de falha típica	Filosofia de detecção	Onde se Encaixa
Aterramento sólido	Até o valor trifásico em curto-circuito	Sobrecorrente instantânea, atuação	480 V e abaixo, distribuição de baixa tensão
Resistência baixa (LRG)	100 A – 1.000 A, comumente 200 A – 400 A	Relés de sobrecorrente, coordenação seletiva	Distribuição industrial de média tensão exigindo desligamento seletivo
Resistência alta (HRG)	5 A – 25 A	Relé sensível, primeiro alarme	Instalações com muitos acionamentos, processos contínuos, centros de dados
Transformador de aterramento em zigue-zague	Definido pelo projeto do resistor ou do transformador	Relé sensível	Sistemas em delta, sem neutro acessível

 

Aterramento sólido: o menor custo e a maior corrente de curto-circuito

Num sistema com aterramento sólido, o neutro é ligado diretamente ao sistema de eletrodos de aterramento. Nada limita a corrente, de modo que um curto-circuito fase-terra pode atingir valores próximos ao valor trifásico com impedância nula disponível naquele ponto — dezenas de quiloamperes num transformador de 2.000 kVA em 480 V. Isso não é um defeito de projeto; é exatamente o objetivo. A falha é intensa, todos os dispositivos de proteção a detectam e ela é eliminada em poucos ciclos.

A fatura chega em outro lugar. O reforço do barramento, as classificações de interrupção dos disjuntores e o cálculo da energia de incidente no estudo de arco elétrico escalonam-se com essa corrente. A ligação à terra sólida continua sendo a escolha prática para a maioria dos sistemas de 480 V, pois a tensão fase-terra permanece em 277 V e os esforços sobre o isolamento e os para-raios permanecem moderados. O ponto em que essa abordagem deixa de fazer sentido é na média tensão, onde a mesma lógica gera correntes de curto-circuito que o transformador, os cabos e o quadro de manobra prefeririam evitar.

Uma consequência surpreende as pessoas. Em um sistema com ligação à terra sólida, a maioria dos defeitos começa como um evento simples de fase-terra e é eliminada antes de se agravar. Em um sistema sem ligação à terra ou com ligação à terra de alta resistência, o primeiro defeito frequentemente não é eliminado de forma alguma.

 

Ligação à Terra por Resistência: Baixa Resistência versus Alta Resistência

Inserir um resistor entre o neutro e a terra transforma uma filosofia de projeto em um valor numérico. A ligação à terra de baixa resistência normalmente limita a corrente a algumas centenas de amperes — 200 A a 400 A é comum em média tensão — o que ainda é suficiente para que relés padrão de sobrecorrente detectem a falha e realizem a coordenação. É por isso que a ligação à terra de baixa resistência (LRG) é utilizada onde a instalação exige que um alimentador com falha seja desligado seletivamente, em vez de provocar o desligamento do disjuntor principal.

A ligação à terra de alta resistência vai muito além e limita a corrente de falha à terra a 5 A, 10 A ou 25 A. Nesses níveis, a falha normalmente aciona apenas um alarme, em vez de um desligamento, permitindo que a instalação continue operando enquanto a manutenção localiza a falha. Sistemas industriais com grande quantidade de inversores de frequência, plantas de processo contínuo que não podem tolerar um desligamento e sistemas de distribuição em média tensão de centros de dados dependem amplamente dessa abordagem. O transformador e os cabos deixam de precisar suportar eventos de vários quiloamperes, e a exposição ao arco elétrico causado por uma falha à terra diminui conforme a corrente reduz.

Aqui está a parte que a maioria dos compradores ignora. Um sistema aterrado de alta resistência funciona apenas se a corrente que atravessa o resistor for superior à corrente de carga do sistema. A corrente de carga de cabos blindados, para-raios e filtros de entrada de inversores é uma corrente real e, em caso de falha à terra, flui simultaneamente pelo resistor e pela falha. Se a corrente do resistor for menor do que essa, o relé não consegue distinguir uma falha da corrente capacitiva normal — exatamente o que ocorreu no exemplo que abriu este artigo. A sequência correta é medir a corrente capacitiva da instalação real, selecionar uma corrente para o resistor ligeiramente superior a ela, com margem de segurança, e somente então definir o tempo de atuação.

 

 

Transformadores de Aterramento em Zig-Zag: Uma Neutra onde Não Há Nenhuma

Tudo o que foi mencionado acima pressupõe uma neutro ao qual se pode ligar um resistor. Uma fonte conectada em delta, ou um transformador cujo neutro secundário não é disponibilizado externamente, não oferece tal ponto. Uma unidade em zigue-zague resolve esse problema. Seus enrolamentos apresentam baixa impedância à corrente de sequência zero, criando assim um caminho de retorno intencional para a corrente de falta à terra, ao mesmo tempo que apresentam alta impedância às correntes de sequência positiva e negativa, de modo que a unidade conduz quase nenhuma corrente de carga durante a operação normal. Uma unidade estrela-delta executa a mesma função com uma disposição diferente dos enrolamentos.

Esse comportamento é a razão pela qual uma transformador de aterramento é especificado a partir de uma ficha técnica completamente distinta daquela de um transformador de carga. Os valores a serem acordados são a corrente neutra de curta duração e sua duração – 10 segundos e 1 minuto são as classificações mais comuns – além de uma capacidade contínua de corrente neutra para suportar o desequilíbrio gerado pela operação normal, que, em uma unidade zig-zag, corresponde tipicamente a alguns poucos por cento do valor de curta duração. Especificá-lo apenas com base no valor de curta duração fará com que ele superaqueça sob um desequilíbrio persistente. Especificá-lo como se fosse um transformador de carga fará com que você compre cobre que nunca utilizará.

Em sistemas com grande concentração de inversores de frequência, a unidade zig-zag é normalmente associada a um resistor. O resistor define a corrente que passa; o transformador fornece o neutro de que o resistor necessita.

 

Dimensionamento do Resistor: Quatro Valores Que Determinam Se Ele Funcionará

Um resistor de aterramento do neutro é um dispositivo de curta duração com um pequeno número de classificações críticas. Estes quatro valores determinam se o sistema funcionará adequadamente em serviço:

• Corrente capacitiva medida. Meça-o na instalação real, à tensão real. Os valores da tabela são um ponto de partida, não uma resposta.
• Corrente de passagem. 5 A, 10 A ou 25 A para aterramento de alta resistência; 200 A a 400 A para aterramento de baixa resistência. Em ambos os casos, deve situar-se acima da corrente capacitiva medida, com margem.
• Classificação de tempo. Dez segundos e um minuto são típicos. Um resistor de 400 A e 10 segundos num sistema de 13,8 kV dissipa cerca de 3,2 MW enquanto conduz a falha — aproximadamente 32 MJ de energia em dez segundos. Uma falha mantida no sistema destruí-la-á.
• Tensão e classificação de isolamento. Durante uma falha de terra, o resistor suporta continuamente, durante toda a duração do evento, a tensão completa do sistema entre fase e neutro.

Dois outros itens pertencem à mesma conversa, mas não constam na folha de dados do resistor: o esquema de detecção — o que o relé faz com a corrente que detecta, e se emite alarme ou atua — e, no caso de aterramento de baixa resistência, se o estudo de coordenação ainda é válido após a limitação da corrente.

 

Como a Ryan Electric Apoia o Projeto de Aterramento em Pedidos Personalizados

O projeto de aterramento começa no transformador, pois a configuração do enrolamento determina se existe ou não um neutro. Em um transformador trifásico personalizado com secundário em estrela, trazemos o neutro para fora por meio de um bujão isolado dimensionado para a corrente de falta à terra especificada pelo estudo, e fornecemos os dados da configuração do enrolamento e do grupo vetorial necessários aos estudos de aterramento e coordenação. Quando o esquema do cliente exige aterramento por resistência ou por transformador zig-zag, confirmamos a disposição do neutro já na fase de cotação, e não apenas no teste de aceitação na fábrica. Trata-se de uma conversa de quinze minutos no início — evitando, assim, uma ordem de retrabalho caso esse ponto seja negligenciado.

Construímos em uma instalação de 120.000 metros quadrados com mais de 180 conjuntos de equipamentos de produção e teste e 37 patentes, além de possuir certificações UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS e CE. Desde 2023, a Ryan Electric opera como parceira oficial de joint venture da Eaton. O relatório de ensaio rotineiro enviado com cada unidade contém os dados de resistência de enrolamento e relação, necessários pela equipe de comissionamento para confirmar as conexões de neutro e de aterramento no local.

 

Envie o Esquema de Aterramento Juntamente com a Solicitação de Cotação do Transformador

Envie-nos o diagrama unifilar, o método de aterramento, a corrente e a duração do neutro previstos no projeto, bem como a potência nominal do transformador. Nossa equipe de engenharia fornecerá uma configuração de aterramento do neutro do transformador compatível com o estudo — incluindo o bujão de neutro — de modo que o engenheiro de comissionamento valide um projeto já definido, em vez de descobri-lo in loco. Acertar essa base já na fase de cotação não tem custo algum. Descobri-la após a primeira falha de aterramento implica uma interrupção operacional.

 

Sobre o Autor: Este artigo foi escrito pela equipe de engenharia da Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers), fabricante de transformadores em resina fundida, imersos em óleo e montados em pedestal, atendendo clientes de serviços públicos, centros de dados, geração renovável e indústria desde 2007. A equipe trabalha diariamente com os requisitos IEEE C57 e IEC 60076 e apoia desenvolvedores e empreiteiros EPC durante a especificação, os ensaios de fábrica e a comissionamento no local.