1. A proteção de um transformador pode envolver vários elementos com uma ou mais funções que devem ser utilizadas para assegurar a integridade desse equipamento. Dependendo da potência do transformador e do grau de importância da subestação, podem ser empregadas uma ou mais das proteções descritas a seguir.
1.1. PROTEÇÃO POR FUSÍVEL
1.1.1. São as proteções mais elementares que podem ser empregadas na proteção de um transformador. Normalmente são utilizados para proteger esses equipamentos contra correntes de curto-circuito de natureza externa, não se prestando para proteção contra faltas de natureza interna tampouco para proteção contra sobrecargas prolongadas.
1.1.1.1. Proteção de transformadores de redes subterrâneas de distribuição; A proteção primária dos transformadores pedestais normalmente é constituída por um fusível do tipo baioneta instalado no interior de um invólucro e imerso no tanque de óleo do transformador. Já a proteção secundária normalmente é constituída de fusíveis do tipo NH/600 V ou disjuntores tripolares do tipo termomagnético, e o fusível ou disjuntor éinstalado no próprio armário do transformador ou em armário separado.
1.1.1.2. Proteção de transformadores de redes aéreas de distribuição; os transformadores de distribuição normalmente são protegidos no lado primário por elos fusíveis instalados no cartucho das respectivas chaves fusíveis indicadoras unipolares. Normalmente, as concessionárias limitam o uso de transformadores de distribuição em redes aéreas à potência nominal de 225 kVA na tensão de 13,80 kV.
1.1.1.3. Proteção de transformadores de subestações de consumidor; No caso de subestações do tipo blindado, deve-se evitar o uso de chaves fusíveis no interior de painéis metálicos devido à sobrepressão resultante dos gases exaustos decorrentes da atuação do elo fusível. Nas subestações abrigadas, com os equipamentos de média tensão protegidos por telas metálicas, muitas vezes utilizam chaves fusíveis indicadoras unipolares como elemento de proteção de pequenos transformadores, apesar dos perigos de acidentes.
1.2. PROTEÇÃO POR RELÉ DIFERENCIAL DE SOBRECORRENTE
1.2.1. A proteção diferencial pode ser aplicada também em motores, geradores, barramentos ou em qualquer parte do sistema elétrico, necessitando apenas de que existam dois ou mais conjuntos de transformadores de corrente instalados entre os terminais de maior tensão e o de menor tensão, limitando a zona de proteção desejada.
1.3. PROTEÇÃO POR RELÉS DE SOBRETENSÃO
1.3.1. Para a proteção contra as sobretensões sustentadas, internas ao sistema elétrico, devem ser utilizados relés de sobretensão, função 59. Normalmente a proteção por sobretensão é ajustada para 1,10 a 1,15 da tensão nominal do sistema no qual o transformador está operando. Já o tempo de ajuste de disparo dessa proteção geralmente pode variar entre 1,5 e 2 s.
1.4. PROTEÇÃO POR IMAGEM TÉRMICA
1.4.1. É necessário manter o controle da temperatura a fim de evitar reduzir o tempo de vida útil do transformador e danos precoces das isolações. O relé de imagem térmica protege o transformador contra o sobreaquecimento excessivo dos condutores que formam as bobinas do transformador de potência.
1.5. PROTEÇÃO POR RELÉS DE SOBRECORRENTE
1.5.1. Os relés de sobrecorrentes são dispositivos utilizados na proteção de transformadores de forma econômica, porém pouco confiáveis, principalmente para defeitos externos a esses equipamentos. Apresentam limitações quanto à sensibilidade dos ajustes para faltas internas aos transformadores, oferecendo, uma proteção de baixo nível. São muito empregados como proteção de retaguarda no local de instalação do transformador para faltas externas, devendo ser ajustados com base nos seguintes procedimentos:
1.5.1.1. Unidade temporizada de fase; os transformadores permitem ser submetidos a sobrecargas elevadas, dependendo da forma da curva de carga anterior ao período de sobrecarga solicitado. Dessa forma, a corrente de ajuste do relé deve ser superior ao valor da corrente nominal do transformador, a fim de evitar uma interrupção desnecessária do transformador.
1.5.1.2. Unidade tempo definido de fase; o ajuste da unidade tempo definido de fase deve ser selecionado para defeitos trifásicos externos ao transformador no valor da máxima corrente de curto-circuito. Deve-se considerar para o ajuste da unidade tempo definido de fase a corrente de curto-circuito assimétrica. Num sistema de potência em que as correntes de curto-circuito podem variar ao longo do dia, em alguns casos pode torna-se difícil selecionar o ajuste preciso dos relés de sobrecorrente de fase.
1.5.1.3. Unidade temporizada de neutro; dado o desequilíbrio de corrente entre fases, associado aos erros inerentes aos TCs de proteção, devido ao seu nível de saturação circulará uma corrente pelo neutro do esquema de proteção. Em geral, permite-se que o valor dessa corrente de desequilíbrio oscile entre 10% e 30% no máximo da capacidade nominal do transformador. Dessa forma, a corrente do relé deve ser ajustada entre esses valores, a fim de evitar uma interrupção desnecessária do transformador.
1.6. PROTEÇÕES INTRÍNSECAS
1.6.1. São as proteções inseridas no corpo do transformador durante a sua fabricação. Muitas delas dependem da solicitação do comprador e/ou do projeto do fabricante.
1.6.1.1. Proteções intrínsecas do tipo mecânico; Normalmente, são dispositivos de ação mecânica que permitem abrir e fechar contatos elétricos energizando ou desenergizando a bobina de abertura do elemento do disjuntor de proteção.
1.6.1.1.1. Proteção por relé detector de gás; dispositivo utilizado em transformadores de potência cuja função é detectar a presença de gás desenvolvido por arcos elétricos de baixa energia resultantes, por exemplo, de defeitos entre espiras. É normalmente instalado na tampa do transformador de potência, sendo dotado de um tubo metálico que conecta a parte mais elevada da tampa à câmara do flutuador.
1.6.1.1.2. Proteção por relé de súbita pressão de gás; o relé de súbita pressão é um dispositivo que pode ser utilizado em qualquer transformador de potência imerso em óleo do tipo selado, dotado de colchão de gás inerte e instalado na parte superior, onde normalmente fica a região do espaço do gás. Tem como função detectar a variação da pressão do gás desenvolvido por arcos elétricos de alta energia resultantes, por exemplo, de curto-circuito franco entre fases.
1.6.1.1.3. Proteção por relé de súbita pressão de óleo; é um dispositivo que pode ser utilizado em qualquer transformador de potência imerso em óleo do tipo selado, dotado de colchão de gás inerte e instalado na parte lateral abaixo do nível mínimo de óleo. Tem como função detectar as variações muito rápidas da pressão do óleo tendo como origem os arcos elétricos de alta energia, quando a taxa de crescimento da pressão no interior do tanque do transformador é superior a um determinado valor definido.
1.6.1.1.4. Válvula de explosão; os transformadores de potência normalmente são dotados de uma válvula de explosão cuja finalidade é aliviar a pressão interna do tanque sempre que a formação de gases atingir um valor que ameace a integridade do equipamento.
1.6.1.1.5. Válvula de alívio de pressão de gás; é um dispositivo instalado na parte superior do transformador e é constituído por uma mola espiral que pressiona um diafragma metálico para fechar a abertura de saída dos gases. O dispositivo abre quando a pressão exercida pelos gases supera a força da mola. Se a pressão dos gases é inferior à força da mola, o dispositivo fica fechado sinalizando que não há gases em volume suficiente para danificar o transformador.
1.6.1.1.6. Proteção por relé acumulador de gás ou relé de Buchholz; atua perante a formação de gases e na condição de súbita variação do nível de óleo, em virtude de operação anormal do transformador. É capaz de detectar a presença de pequenos volumes de gás no interior do óleo; daí se pode concluir que detecta a existência de arcos de baixa energia ou simplesmente descargas parciais.
1.6.1.2. Proteções intrínsecas do tipo térmico; os termômetros de temperatura do óleo são empregados para enviar um sinal de alerta e posteriormente um sinal de atuação quando a sobrecarga alcança valores que ultrapassam os limites térmicos desse equipamento. Da mesma forma, os termômetros de temperatura dos enrolamentos são elementos inseridos no interior dos enrolamentos capazes de enviar um sinal de alerta e/ou de atuação quando as bobinas atingirem valores inaceitáveis de temperatura.
1.6.1.2.1. Dispositivo de imagem térmica com resistor sensor; as partes mais importantes de um transformador sob o ponto de vista de controle de temperatura estão localizadas no topo do óleo e no interior dos enrolamentos. Para isso são utilizados relés de imagem térmica, constituídos de um resistor com uma constante de tempo térmica igual à do transformador que se quer proteger. O dispositivo de réplica térmica utiliza a corrente de carga coletada de um transformador de corrente do tipo bucha a partir da qual determina o valor da temperatura do enrolamento.
1.6.1.2.2. Indicador de temperatura no topo do óleo; é um dispositivo constituído de uma ampola ou bulbo que está diretamente conectado ao medidor visual de temperatura por meio de um tubo capilar, o bulbo é normalmente instalado numa câmara estanque construída junto à tampa do transformador.
1.6.1.2.3. Indicador de temperatura do enrolamento; é um dispositivo constituído de uma sonda térmica diretamente embutida no interior dos enrolamentos do transformador (temperatura do ponto mais quente), conectada a um tubo capilar que é levado ao medidor de temperatura.
1.6.1.2.4. Relé de temperatura do tanque; é um dispositivo de medição de temperatura montado em contato direto com o tanque do transformador de forma a medir sua temperatura. As temperaturas de atuação do relé permitem não haver desligamento intempestivo em condição de operação normal. São dotados de contatos elétricos que fazem atuar o disjuntor de proteção.
2. Como o transformador de potência é o elemento de maior responsabilidade dentre os demais empregados numa subestação, é de fundamental importância um estudo pormenorizado sobre as proteções que devem ser utilizadas para manter a sua integridade e permanência em operação. Essas decisões passam necessariamente por uma análise de custo × benefício e dependem ainda dos seguintes aspectos: Nível de confiabilidade desejada, Característica da carga a que irá atender, Esquema de proteção desejado, Número de transformadores desejado, Potência de curto-circuito equivalente do sistema. Levando em consideração a cima de tudo a sua capacidade nominal e da importância da carga que alimenta.
2.1. De forma geral, os transformadores de potência devem ser protegidos contra os seguintes eventos: Sobrecarga, Curto-circuito entre fases e entre fase e terra, Sub e sobretensões, Presença de gás, Sobrepressão de óleo e/ou gás, Temperatura do ponto mais quente e do topo do óleo.
3. TIPOS DE FALHAS NOS TRANSFORMADORES
3.1. Faltas internas aos transformadores: é todo defeito que está compreendido entre as buchas de tensão superior e as buchas de tensão inferior, ou ainda todas as faltas que ocorrem dentro da zona de proteção diferencial do transformador quando, neste caso, a proteção diferencial está limitada pelos transformadores de corrente do tipo bucha dos terminais primários, secundários e terciários. Podendo serem classificadas nas categorias a seguir;
3.1.1. Faltas associadas à temperatura e pressão; são aquelas que se originam pela deficiência de uma ou mais partes do transformador. Podem ser divididas em três diferentes tipos de falhas características: Sobreaquecimento, Sobrepressão, Sobrefluxo do líquido refrigerante.
3.1.2. Faltas ativas; são aquelas que ocorrem subitamente e necessitam da intervenção do sistema de proteção para retirar de operação o transformador a fim de reduzir os danos nesse equipamento. Entre elas temos: Curtos-circuitos entre espiras do enrolamento, Avaria no tanque e Flashovers sobre as buchas de maior e de menor tensão
3.2. Faltas externas aos transformadores; são resultado das falhas originadas no sistema elétrico que envolvem o transformador e ocorrem fora da sua zona de proteção diferencial. São defeitos cujo módulo da corrente normalmente é muito elevado, e essa corrente passa através das bobinas primárias e secundárias, podendo ocasionar danos nesses elementos, se o tempo não for limitado aos valores máximos permitidos pelo projeto do transformador. A seguir, as principais faltas externas dos transformadores;
3.2.1. Correntes de curto-circuito no sistema elétrico; devem ser eliminadas para evitar danos internos aos transformadores, principalmente nos enrolamentos.
3.2.2. Sobretensão; os transformadores podem ser submetidos a níveis elevados de transientes de curta duração, como as descargas atmosféricas, ou transientes de longa duração. Essas sobretensões afetam severamente os enrolamentos e provocam perdas elevadas no ferro devido ao aumento da corrente de magnetização.
3.2.3. Sobrecargas; são os principais eventos responsáveis pela perda de vida útil dos transformadores. É sabido que os transformadores podem suportar sobrecargas pequenas e grandes, a depender do seu carregamento anterior à sobrecarga.
3.2.4. Subfrequência; tal como ocorrem com as sobretensões, os fenômenos de subfrequência a que podem ficar submetidos os transformadores resultam em aumento da corrente de magnetização, elevação das perdas no ferro e consequente sobreaquecimento.