O que é Restrição de Inrush?

Restrição de Inrush

Em resumo, a restrição de inrush é uma modificação temporária dos elementos de proteção para permitir a reenergização do transformador sem disparos indevidos. Isso é alcançado de duas maneiras principais:

Aplicando um multiplicador temporário aos limites de configuração de sobrecorrente

Procurando sinais de inrush, mais do que apenas sobrecorrente

De onde vem o Inrush do Transformador?

Nossos maiores aliados para o sucesso da rede de energia CA global são os transformadores. Os transformadores nos permitem transformar o nível de tensão de uma fonte de alimentação para facilitar a transmissão e distribuição de eletricidade em grande escala.

Quando um transformador é desenergizado, devido a uma interrupção ou falta temporária, como a operação de um disjuntor a montante, ele precisa de energia extra na inicialização para energizar o núcleo magnético. Para quem não é da área, olhando para o transformador, isso se manifesta como um pico relativamente grande na corrente consumida em alguns ciclos de energia (~100 ms).

Embora essa corrente de pico diminua rapidamente e o transformador alcance o estado estacionário de operação, esse “pico” inicial de corrente de energização pode ser maior do que o limite de sobrecorrente do estado estacionário.

Este é um problema significativo - se cada tentativa de fechar um circuito causar um pico de corrente, seus relés e disjuntores funcionarão de modo a interromper a corrente e a rede não poderá ser fechada com segurança. A contenção de inrush foi desenvolvida para resolver esse problema.

Sem a restrição de inrush, alguns esquemas de proteção de sobrecorrente irão operar neste pico, mesmo que não se trate de uma falta real.

Qual o Tamanho da Corrente do Inrush do Transformador?

Como a maioria dos casos na engenharia elétrica, depende.

As correntes de energização do transformador dependem da quantidade de fluxo residual no transformador e das especificações do transformador. Uma faixa habitual está entre 8 e 14 vezes o multiplicador da corrente nominal. Quanto menor for o transformador, maior será a irrupção, mas menor será o tempo de declínio[2].

Transformadores maiores têm mais indutância, levando a correntes de inrush mais baixas, porém mais longas. Para essas especificações, consulte o fornecedor do transformador.

A Figura 2 mostra uma sobreposição do cálculo da corrente de pico de inrush

Técnicas para Contenção de Inrush

Agora que sabemos que a restrição de inrush é um declínio rápido, mas com um grande aumento assimétrico na corrente ao energizar um transformador, como podemos desenvolver esquemas de proteção para lidar com esse fenômeno?

Existem duas técnicas comuns para a restrição de inrush em equipamentos elétricos.

Multiplicadores/Modificadores de Restrição de Inrush

Um método para lidar com o inrush é adicionar um multiplicador temporário ao nível de pickup de sobrecorrente. Este é um método simples que aumenta a pickup de sobrecorrente durante os primeiros ciclos após uma reenergização, permitindo que o transiente passe antes de se estabelecer em um estado estacionário.

Isso mantém a pickup de sobrecorrente acima do transiente de inrush, sendo uma solução simples para o problema. E, uma vez que se aplica apenas a sobrecorrente, ainda podemos detectar condições de falta assimétricas, como faltas à terra. Isso torna a técnica segura e confiável.

Restrição de Inrush do 2º e 5º Harmônico

A técnica alternativa para restrição de inrush é baseada na natureza assimétrica da forma de onda da corrente de inrush.

Se olharmos para a Figura 1, podemos observar que a forma de onda não é simétrica em torno do eixo do tempo. Uma Transformada de Fourier dessa forma de onda mostra um segundo componente harmônico.

Assim, se bloquearmos disparos de sobrecorrente com base na presença do 2º Harmônico no sinal, podemos obter o mesmo resultado que um multiplicador de restrição de inrush.

Mas a restrição de inrush do 2º e 5º harmônico tem um problema.

O segundo componente harmônico de um inrush do transformador depende do loop de histerese de um transformador. Transformadores mais antigos usavam materiais de densidade de fluxo mais baixa, resultando em componentes de segundo harmônico mais altos no inrush. Os transformadores mais novos usam materiais de alta densidade de fluxo para melhorar a eficiência e reduzir as perdas.[1], [3], [4].

À medida que o sistema de energia adota transformadores mais modernos e eficientes, esta técnica de 2º harmônico se torna menos confiável. Um requisito de sinal tradicional de 20% do 2º harmônico versus uma corrente fundamental foi usado como uma porta, mas novos transformadores podem ter dificuldades para atingir esse limite no pior cenário. O inrush ainda estará presente, mas o bloqueio não, resultando em disparos indevidos.

Qual Técnica Usar?

Ao implementar um esquema de proteção diferencial em um transformador, o método do 2º harmônico tem sido a técnica tradicional. No entanto, a implantação de transformadores modernos está atualmente desencadeando pesquisas em busca de uma substituição. Para leitores técnicos, Randy Hamilton publicou um excelente artigo sobre o tema disponível aqui.

Para aplicações de distribuição fora da subestação, o uso da técnica de restrição de inrush baseada em multiplicador é superior e apresenta maior probabilidade de lidar com transformadores modernos e eficientes. Ao aplicar o multiplicador apenas à sobrecorrente, a sensibilidade a outras faltas é preservada (faltas à terra ou outros tipos de desequilíbrio).

A implementação da NOJA Power utiliza uma abordagem baseada em multiplicador, porque é a melhor opção para redes de distribuição de média tensão na maioria dos casos.

“A coordenação de proteção em redes de distribuição está se tornando cada vez mais desafiadora à medida que os níveis de falta caem em redes com geração conectada a inversores”, relata Neil O'Sullivan, Diretor Geral do Grupo NOJA Power.

“Uma ferramenta importante disponível para os engenheiros de proteção é nossa restrição de inrush e os multiplicadores de pickup de carga fria, que garantem que a corrente de magnetização do transformador não cause disparos indesejados na reenergização combinada com o multiplicador de carga fria, o que pode garantir que o alcance da proteção seja mantido enquanto a diversidade de carga se reequilibra.”

Conclusão

A operação da rede de distribuição de eletricidade não seria possível sem os transformadores CA, mas seu comportamento de energização significa que a energização do destes equipamentos é um fator importante na engenharia elétrica.

As correntes de pico podem ser muito grandes, mas operam apenas em uma pequena escala de tempo. Elas podem ser um incômodo para disparos indevidos, mas podemos lidar com seus efeitos com duas técnicas fundamentais:

These are Inrush Restraint Multipliers, and Harmonic Blocking.

Multiplicadores de Restrição de Inrush e Bloqueio Harmônico.

Os multiplicadores aplicam um aumento temporário aos níveis de sobrecorrente, permitindo que o transiente passe sem disparar. As técnicas de bloqueio de harmônicos procuram a assimetria das correntes de inrush.

O bloqueio de harmônicos é um problema em transformadores modernos porque os materiais aprimorados do transformador resultam em harmônicos muito mais baixos durante a energização. Em redes de distribuição, a técnica mais confiável é a aplicação da restrição de inrush baseada em multiplicador.

O religador OSM da NOJA Power é usado em mais de 95 países em todo o mundo, com mais de 65.000 instalações. Este sistema inclui a Restrição de inrush baseada em uma técnica de multiplicador, sendo o método mais confiável para operação de rede de distribuição de média tensão.

Referências

[1] R. Hamilton, ‘Analysis of Transformer Inrush Current and Comparison of Harmonic Restraint Methods in Transformer Protection’, IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 49, no. 4, pp. 1890–1899, Jul. 2013, doi: 10.1109/TIA.2013.2257155.

[2] ‘Protection of Network Elements’, in Protection of Electrical Networks, John Wiley & Sons, Ltd, 2006, pp. 361–486.

[3] E. Cardelli and A. Faba, ‘Numerical modeling of transformer inrush currents’, Phys. B Condens. Matter, vol. 435, pp. 116–119, Feb. 2014, doi: 10.1016/j.physb.2013.06.020.

[4] F. de Leon, A. Farazmand, and P. Joseph, ‘Comparing the T and π Equivalent Circuits for the Calculation of Transformer Inrush Currents’, IEEE Trans. Power Deliv., vol. 27, no. 4, pp. 2390–2398, Oct. 2012, doi: 10.1109/TPWRD.2012.2208229.