Transformadores de Potência

Os transformadores de potência AT/MT ou MT/BT podem sofrer danos devido a defeitos de origem interna, ou de origem externa, tais como sobrecargas ou curto-circuitos, submeter o transformador a um sobreaquecimento e a esforços electrodinâmicos excessivos. Ou de origem interna, tais como curto-circuitos entre espiras, entre enrolamentos ou entre um enrolamento e a cuba, de intensidade variável segundo a sua localização.

A detecção e eliminação destes diferentes defeitos implica o emprego de vários tipos de relés de protecção, cujas funções e utilização são explicitadas pelo texto e esquemas seguintes.

No entanto, os defeitos próprios ao circuito magnético (aquecimentos locais por correntes induzidas) não podem ser detectados por uma protecção eléctrica, sendo-o por um relé mecânico accionado pela emanação de gases produzida pelo defeito (por exemplo no caso de transformadores refrigerados a óleo).

I - PROTECÇÃO CONTRA SOBRECARGAS

Quando, em certos casos de exploração, a potência instalada no secundário de um transformador pode ultrapassar a potência nominal deste, é aconselhável prever uma vigilância das sobrecargas prolongadas e de pequena amplitude a que o transformador possa ser sujeito.

A protecção contra sobrecargas pode ser assegurada por um relé de máximo de intensidade monofásico do tipo ITG 7116, temporizado de 20 a 30 segundos, utilizado para sinalização, ou de preferência, por um relé de imagem térmica do tipo . Existem várias versões deste último relé, caracterizadas pelas diferentes constantes de tempo térmicas, permitindo a sua utilização em transformadores de diversas potências.

Actualmente, o relé digital multifunções , com uma constante de tempo regulável de 4 a 180 minutos, dispõe de uma função de protecção contra as sobrecargas de qualquer tipo de transformador, ocasionadas por um regime sinusoidal puro ou por uma carga geradora de harmónicas. A unidade de alarme deste relé poderá ser utilizada para inicializar uma sequência de deslastre de cargas não prioritárias.

Nos grandes transformadores que possuam sensores de temperatura colocadas nos pontos mais quentes dos enrolamentos, a melhor solução consiste na utilização de relés de vigilância de temperatura. Os relés e , com respectivamente 4 e 6 vias de medida, permitem controlar um número correspondente de pontos de temperatura.

II - PROTECÇÃO DE MÁXIMO DE INTENSIDADE CONTRA OS DEFEITOS POLIFÁSICOS

No primário dos transformadores é aconselhável a utilização de um relé de máximo de intensidade possuindo um nível baixo temporizado e um nível alto instantâneo.

O nível baixo é regulado de maneira selectiva com as protecções instaladas no secundário, funcionando como socorro destas e assegurando a eliminação de defeitos internos de pequena amplitude. O tipo de características tempo/corrente destes relés (tempo independente, inverso, muito inverso ou extremamente inverso, respectivamente relés da série 5/6 (, , ou ), ou os relés de microprocessador multicurvas das séries RMS ( , ), é geralmente escolhido idêntico ao dos restantes relés de máximo de intensidade da instalação.

No entanto, é muitas vezes possível realizar uma coordenação correcta entre relés de tempo dependente e relés de tempo independente. A título de exemplo não limitativo, é representado na figura B1 a associação de um relé de tempo inverso instalado no primário, e de um relé de tempo independente com dois níveis de disparo temporizados instalado no secundário de um transformador.

A utilização do tempo dependente é por vezes preferível nas seguintes circunstâncias:

• as saídas no secundário do transformador são protegidas por fusíveis (ver figura B2)

• o tipo de exploração permite a possibilidade de sobrecargas importantes durante vários segundos (por exemplo reaceleração de motores)
• As correntes magnetizantes de ligação do transformador são de grande amplitude e decrescem lentamente

O nível alto de disparo instantâneo é, por seu lado, ajustado a um valor ligeiramente acima do valor da corrente de curto-circuito trifásico simétrico no secundário do transformador (margem de segurança de cerca de 20%). Regulada deste modo, esta unidade fica insensível a qualquer defeito que ocorra no secundário do transformador, não havendo portanto o risco de um disparo intempestivo e ficando assegurada a selectividade em caso de defeito a jusante. Por outro lado, o nível alto assegura uma rápida eliminação de um defeito violento interno ao transformador ou no cabo de ligação no lado do primário.

A utilização de relés com nível alto instantâneo para a protecção de transformadores de potência, permite assim obter uma redução importante no tempo de intervenção das protecções instaladas a montante.

III - PROTECÇÃO CONTRA OS DEFEITOS À TERRA

Excepção feita a alguns casos de transformadores com ligação Ynyn, as correntes homopolares não podem transitar entre o primário e o secundário de um transformador; torna-se portanto necessário prever protecções distintas para o primário e para o secundário contra os defeitos monofásicos que possam ocorrer tanto no interior do transformador como num cabo de ligação.

III.1 - Defeitos monofásicos no primário

No lado do primário, a medida da corrente homopolar é normalmente realizada a partir da ligação residual dos três TI's de linha (como é o caso do relé ITG 7116 e da unidade homopolar dos relés da série 5/6 (, ou ), ou os relés de microprocessador multicurvas do tipo ( ou ), devendo o relé de protecção respeitar uma das duas condições seguintes:

• ser ligeiramente temporizado, afim de evitar os disparos intempestivos provocados pela circulação duma corrente homopolar artificial devida a uma saturação momentânea dos TI's (corrente de magnetização ou defeito a jusante). Um nível de disparo mínimo de cerca de 6% pode neste caso ser utilizado.
• ser instantâneo, mas neste caso, o nível de disparo não deverá ser inferior a 15 ou 20% da corrente nominal dos TI's. Muitas vezes esta limitação conduz a valores de regulação demasiado elevados em relação ao valor máximo da corrente de defeito à terra, provocando uma perda de sensibilidade.

O emprego de um transformador toroidal englobando as três fases para a medida da corrente residual (caso dos relés , ITG 7116 e da unidade homopolar dos , ou , ou dos relés de microprocessador multicurvas ou ) permite obter uma protecção ao mesmo tempo rápida e sensível.

Quando não for possível a utilização de um toro, e se o cabo de alimentação tiver um comprimento reduzido, pode-se ligar a trança do cabo à cuba do transformador, podendo neste caso a protecção massa-cuba (ver ) cobrir igualmente a "zona" dos cabos.

III.2 - Defeitos monofásicos no secundário

Quando os enrolamentos secundários de um transformador estão ligados em estrela e têm o ponto neutro ligado à terra, um relé de máximo de intensidade monofásico é instalado na ligação desse ponto neutro à terra, sendo regulado selectivamente com as protecções homopolares instalados a jusante. Este relé poderá ser do tipo ITG 7116 ou do tipo ITGS 7114 se for necessário filtrar as harmónicas de 3ª ordem.

Uma protecção rápida e sensível poderá ser realizada através da utilização de um relé diferencial homopolar de alta impedância do tipo , que compara a corrente que circula na ligação do neutro à terra com a soma das correntes nas três fases no secundário do transformador.

III.3 - Protecção de cuba

Uma protecção rápida, detectando os defeitos internos no transformador, é constituída pelo relé de detecção de defeitos à massa da cuba. Se, como é normalmente o caso, esta última estiver mal isolada do solo, o relé de protecção não deverá ser regulado abaixo de 10% da corrente máxima de defeito à terra, afim de evitar o risco de funcionamento intempestivo provocado por uma corrente homopolar "vagabunda" (por exemplo, corrente de defeito à terra duma saída vizinha, transitando no circuito formado pela cuba e a sua ligação à terra).

Na prática, é aconselhável temporizar ligeiramente esta protecção (relé tipo ITG 7116).

A protecção de cuba, associada ao relé de pressão de gás (Buchholz ou DGPT 2), à unidade instantânea de nível alto e à unidade homopolar do relé instalado no primário do transformador, permite obter uma detecção segura e uma eliminação rápida dos defeitos que possam ocorrer num transformador.

IV - PROTECÇÃO DIFERENCIAL

Este tipo de protecção é indicado para os transformadores de elevada potência, limitando a amplitude das deteriorações causadas por um defeito interno, eliminando instantaneamente os curto-circuitos que possam ocorrer entre espiras ou entre enrolamentos de uma mesma fase ou de fases diferentes.

É aconselhável conservar a protecção de máximo de intensidade como protecção de socorro, e deverá ser prevista uma protecção contra defeitos à terra (relé homopolar no primário) quando a rede no lado do primário seja de neutro impedante.

A fim de o tornar insensível à corrente magnetizante que se produz quando da ligação do transformador, cujo valor pode ser muito superior ao da corrente nominal, o relé diferencial trifásico DMS 7002 possui um dispositivo de retenção através das correntes de 2ª harmónica (que caracteriza as correntes de ligação).

Por outro lado, de modo assegurar a estabilidade do relé sobre um curto-circuito exterior à zona protegida, o nível de disparo é aumentado de um modo proporcional ao valor da corrente atravessante, quando esta ultrapassa a corrente nominal.

Transformadores auxiliares devem ser utilizados pelas seguintes razões: 

• compensar as diferenças de amplitude e de fase (no caso de uma ligação estrela-triângulo) entre as correntes nominais no secundário dos TI's de linha instalados em ambos os lados do transformador
• suprimir as correntes homopolares que aparecem de um só lado do transformador quando o seu ponto neutro está ligado à terra, quando da ocorrência de um defeito à terra exterior à zona protegida.

Dado que os transformadores são em geral equipados com um regulador de tensão em carga, o nível de funcionamento do relé diferencial não deverá ser regulado para um valor inferior a 15-20% da corrente nominal.

V - PROTECÇÃO DIRECCIONAL

Quando um transformador não equipado com protecção diferencial se encontra a funcionar em paralelo com outra fonte de energia, torna-se necessária a utilização de protecções que permitam realizar num primeiro tempo, uma separação da rede, e depois uma eliminação selectiva do equipamento em defeito.

Para o efeito, instala-se no lado do secundário do transformador, um relé de máximo de intensidade direccional do tipo , para realizar a função de desacoplamento em caso de defeito de fases interno ao transformador ou sobre a rede de alimentação primária.

De notar que os relés de retorno de potência do tipo WTG 7131 não asseguram correctamente esta função dado que o seu funcionamento não pode ser garantido quando a tensão resultante do defeito é demasiado baixa.

Adicionalmente, deverá ser instalado um relé de máximo de intensidade homopolar direccional do tipo quando a rede no lado do secundário comporta mais do que uma ligação à terra, uma das quais no ponto neutro do transformador protegido.