A importância dos protetores de surto (snubbers) para a proteção dos transformadores – Parte I

Edição 109 – Fevereiro 2015
Por Cláudio Sérgio Mardegan

Dados históricos: tem ocorrido a queima de uma grande quantidade de transformadores nos últimos anos, principalmente transformadores secos. Isso não significa necessariamente que o transformador é de má qualidade. Mesmo transformadores de fabricantes considerados de primeira linha também têm queimado. A maior parte destas queimas é gerada por sobretensões de manobra. Apenas com os registros que chegaram até mim, nos últimos dois anos no Brasil, registraram-se 19 ocorrências. Isso levou à instalação de mais 100 conjuntos de snubbers, apenas nos processos em que participei. Na América do Norte, o maior especialista no mundo instalou mais de 2.000 snubbers. Este fenômeno ainda é pouco conhecido na comunidade técnica nacional e mesmo mundial.

Qual a causa da queima dos transformadores?

A causa da queima é falha de isolação, gerando normalmente curto-circuito entre espiras ou entre duas camadas de espiras, originadas por elevada magnitude da sobretensão, taxa de crescimento da sobretensão (dV/dt), ressonância paralela ou ressonância série. Veja Figura 1.

Figura 1 – Exemplares de transformadores queimados em casos reais.

O fenômeno

O elemento de circuito resistência (R) é um dissipador de energia (por efeito Joule Ri²). Os elementos de circuito indutância (L) e capacitância (C) são armazenadores de energia, que no indutor é igual a ½ Li² e no capacitor é igual a ½ CV². Todo equipamento elétrico já nasce com uma capacitância intrínseca a ele conhecida como capacitância parasita, capacitância própria ou capacitância de charging. É sabido que todo chaveamento gera sobretensão. Esta sobretensão carrega as capacitâncias do sistema com uma energia ½ CV². Ao interromper o circuito, a capacitância ficará trocando energia com a indutância do sistema, tendo como elemento atenuador desta energia a resistência. Veja Figura 2.

Figura 2 – Unifilar simplificado.

Será explanado aqui o processo da abertura do disjuntor. Neste caso, a sobretensão de chaveamento carrega as capacitâncias (Ceq e Ccabo) e ao abrir o disjuntor esta sobretensão irá oscilar com uma frequência w do lado do transformador (lado da carga). Esta frequência é dada pela equação:

Em sistemas de potência esta frequência costuma-se situar na faixa entre 10 kHz e 1 Mhz, conforme indicado na Tabela 1 da referência [01]. Em outras palavras, a energia armazenada nas capacitâncias irá trocar energia com a indutância do transformador. Neste ponto, podemos ter quatro situações diferentes: valor elevado de tensão (que pode inclusive superar o BIL do equipamento), ter um elevado dv/dt, ter uma ressonância paralela ou uma ressonância série com o transformador.

Referência

[01] Documento Cigré 39 – “REPRESENTATION OF NETWORK ELEMENTS WHEN CALCULATING TRANSIENTS” – Working Group 02 (Internal overvoltages) Of Study Committee 33 (Overvoltages and Insulation Coordination).