OTIMIZAÇÃO DA PROTEÇÃO DE
SOBRECORRENTE FACE À
DIVERSIDADE DOS
ATERRAMENTOS
Eng. Hirofumi Takayanagi
INTRODUÇÃO
Tem sido frequente em diversas concessionárias do Brasil, o furto do
condutor neutro e dos cabos de descida dos aterramentos em partes
do sistema de distribuição. Neste caso, a queda do condutor fase,
vazamento em isoladores, etc, podem não sensibilizar a proteção
aumentando a possibilidade de acidentes.
As medidas corretivas para a melhoria dos aterramentos, das
condições operacionais do condutor neutro da rede de distribuição e a
localização/ajustes adequados dos equipamentos de proteção contra
sobrecorrentes, promovem um significativo aumento da segurança das
pessoas, além da redução de queima de equipamentos dos
consumidores. Estes fatores decorrem da redução das tensões no
neutro, originárias dos sistemas primários e secundários em condições
normais ou em condições de falta, bem como da operação mais rápida
e efetiva dos equipamentos de proteção.
OBJETIVOS
A proposta deste projeto foi pesquisar e desenvolver uma filosofia de proteção
adequada para três situações distintas:
Para curtos de alta impedância, investigar soluções baseadas no desequilíbrio
da tensão para alertar o Centro de Operação da Distribuição sobre ocorrências
anormais no sistema elétrico, além de pesquisar soluções no âmbito de relés
baseados na sobrecorrente, ou seja:
Pesquisar e desenvolver soluções otimizadas para a proteção de sobrecorrente (associada a
sensores de desequilíbrio de tensão) e para os aterramentos nos seguintes casos:
Condutor neutro furtado no sistema elétrico urbano onde existe S/E (cidades de maior porte);
No sistema elétrico urbano onde não existe S/E (cidades de médio e de pequeno porte)
No Sistema elétrico rural com ênfase para pesquisa em sistemas monofásicos.
Pesquisar e estabelecer critérios de religamento visando ao aumento da
segurança e a redução da queima de equipamentos, considerando as
situações anteriores
METODOLOGIA
Foram feitas medições da resistividade do solo associados aos aterramentos
típicos existentes bem como das medições das tensões de toque e de passo,
nestes sistemas de aterramento. Também foram feitas medições de tensão e
de corrente em pontos estratégicos do sistema de distribuição, desde a S/E até
os consumidores rurais considerados como críticos. A escolha dos
alimentadores para a pesquisa, foi fundamentada na motivação do projeto e
nos índices DEC/FEC, aliado às características predominantes que são:
Alimentador BCU 1307 caracterísitica predominantemente urbano, muito
carregado, com grande incidência de furtos do condutor neutro e das
descidas do aterramento, com FEC = 19,90 e DEC = 31,71
Alimentador JCE 1312 característica predominantemente rural, longo, com
alta incidência de faltas à terra de alta impedância e com FEC = 10,57 e
DEC = 18,79
METODOLOGIA
Foi desenvolvida a metodologia para avaliar os pontos mais adequados para
a instalação dos equipamentos de proteção na rede de distribuição urbana e
rural, estabelecendo critérios e práticas a serem observados na escolha,
dimensionamento e ajustes para a obtenção do máximo desempenho na
detecção de faltas para a terra e na coordenação da proteção. Neste
contexto, foram desenvolvidos estudos para projetar sistemas de
aterramento mais adequados em função da resistividade do solo, do controle
das tensões de toque e de passo e da detecção das faltas pelos
equipamentos de proteção, principalmente nos casos onde o condutor neutro
foi furtado.
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL E ANÁLISE DOS
RESULTADOS
Foram efetuadas as medições de resistência e resistividade do solo(Tabela 1) e
em seguida foram feitas medições das correntes de fase e de neutro nos
mesmos alimentadores escolhidos para o calculo de tensão de toque e de passo
Com base nos resultados das medições e no valor da corrente de curto circuito
fase terra do ponto, foi determinada a tensão de toque e de passo que surge na
direção da medição, na existência ou não do condutor neutro contínuo e
multiaterrado, conforme exemplos apresentados na Tabela 2 e na Tabela 3.
Tabela 2 - Tensão de Toque e de Passo na existência do neutro
Tabela 3 - Tensão de Toque e de Passo na inexistência do neutro
Configuração para medir a circulação da corrente na estrutura em análise,
onde: IccΦterra representa o valor máximo de curto circuito fase terra no
ponto; I1 e I2 representam as correntes calculadas com impedância
equivalente do sistema contínuo e multiaterrado igual a 0,5 Ohms e I3 é a
corrente calculada com base no valor da resistência de aterramento
medida. Na inexistência do neutro, a soma de I1com I2 é zero e IccΦterra é
igual a I3.
Esquema 1 - Aterramento padronizado
– Local da medição da resistência de
toque e passo e distribuição da corrente
de falta à terra na estrutura
Durante a energizações acidentais, fase terra nos pontos pesquisados dos dois
alimentadores, pode-se constatar que:
Na existência do neutro contínuo e multiaterrado, ocorre a rápida atuação
do equipamento de proteção de retaguarda e garante que a tensão de
toque e de passo que surge no local, esteja abaixo da máxima tolerável;
Na falta do neutro contínuo e multiaterrado, a corrente de curto circuito fase
terra, na maioria dos casos, é inferior ao disparo de terra do equipamento
de proteção de retaguarda e a elevação da tensão no local é perigosa (em
evidência na tabela 3), podendo causar acidentes fatais.
As medições das correntes de fase e de neutro tiveram por objetivo
conhecer o desequilíbrio da corrente dos alimentadores em condições
normais de operação. A análise dos resultados está apresentada a seguir.
ANÁLISE DOS RESULTADOS DOS ALIMENTADORES
Diagrama
unifilar do
Alimentador
BCU 1307 com
a localização
dos eventos
estudados
No disjuntor do BCU 1307 e nos religadores RE 70929 e RE 509982 foram
registrados desequilíbrios entre a fase mais carregada e a menos
carregada da ordem de 30%. Nos demais equipamentos o desequilíbrio é
menor, contudo superior a 10%.
Gráfico 3 – Perfil das correntes medidas no disjuntor
da ETD BCU 1307
Grafico 4 -Perfil das correntes medidas no religador
RE 70929
ANÁLISE DOS RESULTADOS DOS ALIMENTADORES
Diagrama unifilar
do Alimentador
JCE 1312 com a
representação
dos locais de
medição
No disjuntor do JCE 1312 e no religador RE 6903 foram registrados
desequilíbrios da ordem de 35%. Independentemente do carregamento dos
alimentadores a corrente de neutro nunca tende a zero, indicando a
presença de carga monofásica de valor constante.
Grafico 5 -Perfil das correntes medidas no
disjuntor da ETD JCE 1312
Grafico 6 -Perfil das correntes medidas no
religador RE 6903
A pesquisa mostra que a causa da corrente desequilibrada reside no:
Os transformadores monofásicos, em sua grande maioria, são ligados em uma
única fase do alimentador;
Os bancos de capacitores e reguladores de tensão são ligados em estrela
aterrada, que pela sua própria natureza e desbalanceamento da rede,
contribuem para o aparecimento de corrente de neutro;
Outra constatação é que a máxima corrente de neutro registrada na
estrutura de todos os equipamentos é muito menor que o disparo de terra.
AÇÕES PROPOSTAS
1.
Balanceamento das cargas monofásicas:
Para possibilitar o adequado ajuste do disparo de terra dos religadores e
dos disjuntores, visando aumentar a probabilidade de se detectar faltas
fase terra de alta impedância, é fundamental efetuar a redução da
corrente do neutro dos alimentadores em condições normais de
operação.
Portanto, é essencial que as cargas trifásicas e monofásicas do sistema
sejam as mais equilibradas possíveis, principalmente quando se utiliza
bancos de reguladores de tensão monofásicos ligados em estrela
aterrada.
Com base nos resultados apresentados, as seguintes ações foram
necessárias: 1 - Balanceamento das cargas ligadas no trecho de rede à
jusante do RE 70929; 2 - Balanceamento das cargas ligadas na rede
protegida pelo JCE 1312, RE’s 6903, 2178, 505992, 505994 e 505996.
2.
Alterar a ligação do banco de capacitores de estrela aterrada para
estrela isolada:
Em condições normais de operação, a corrente de trabalho do banco de
capacitores e em função da sua capacidade nominal e também das
seguintes variáveis: tensão operativa do sistema; tolerância admitida da
capacitância dos capacitores; presença de correntes harmônicas.
Se o sistema apresenta tensões desbalanceadas, capacitâncias
diferentes por fase e o fluxo de correntes harmônicas, certa corrente
fluirá do centro estrela do banco para a terra. Isto normalmente causa
problemas quando se utiliza relés de terra de alta sensibilidade. Este
efeito é eliminado quando a ligação do banco é estrela não aterrada.
(a) – Corrente no capacitor
defeituoso e tensão nos
capacitores das outras fases.
(b) (b) – kVAR fornecido pelos
capacitores remanescentes
Se o curto circuito fase terra na estrutura do banco é maior que 1500 A, há a
probabilidade de ruptura do tanque, exigindo a escolha adequada da capacidade
nominal das unidades que comporão o banco e a utilização de proteção melhor
que a chave fusível
Grafico 7 - Curva de ruptura do tanque x curva de elos fusíveis tipo k
Na falha de uma unidade do
banco ligado em estrela
aterrada, após a queima do
fusível o resultado é a
circulação da corrente
nominal do banco pelo neutro.
Na falha de uma unidade do banco ligado em estrela isolada, o sistema se
comporta conforme apresentado no esquema abaixo
(a)
– Corrente no capacitor defeituoso e
tensão nos capacitores das outras
fases.
(b)
- kVAR fornecido pelos capacitores
remanescentes
A probabilidade de danos nessas unidades é reduzida, pois a tensão
máxima dos bancos de capacitores especificada pela Norma Técnica da
Bandeirante “Capacitores de Potência E-F. 01-90” é maior que a tensão
entre fases do sistema. O gráfico 8 mostra que o tempo de atuação do
fusível recomendado na Tabela 4 protege o banco contra ruptura do tanque.
Em condições normais de operação, a corrente de trabalho do banco de
capacitores é função da sua capacidade nominal e também das seguintes
variáveis: tensão operativa do sistema; tolerância admitida da capacitância
dos capacitores; presença de correntes harmônicas
Gráfico 8 –Ruptura do tanque x curva de elos fusíveis tipo k
Tabela 4 - Proteção de bancos com ligação estrela isolada
Capacidade doBanco
(kVAR)
150
300
600
900
1200
Unidades Capacitivas
(kVAR)
6 de 25 ou 3 de 50
6 de 50 ou 3 de 100
6 de 100 ou 3 de 200
9 de 100 ou 6 de 150
12 de 100 ou 6 de 200
Elo fusível
6 K (*)
12 K
25 K
40 K
50 K
Notas: – Os elos fusíveis foram calculados levando se em consideração:
- Corrente de inrush calculada supondo um único banco de capacitores instalado no alimentador;
- Corrente de defeito nos capacitores limitada a três vezes a corrente nominal do banco;
- Região considerada segura contra a ruptura do tanque da unidade capacitiva com defeito.
(*) – Para este elo não há preocupação com a corrente de inrush face ao banco ser fixo.
Medições realizada após a adoção da configuração de estrela não aterrada,
indicaram que não houve alteração no funcionamento do banco de
capacitores, quanto a correção do fator de potência e do nível de tensão da
rede, mas houve uma redução significativa da corrente do neutro
Com base neste princípio, a adoção do bancos de capacitores trifásicos
conectados em estrela isolada, tem a vantagem de impedir o aparecimento da
corrente de neutro em condições normais de funcionamento, bem como na
ocorrência da perda de uma ou mais fases do banco devido a falha em um
determinado capacitor.
ESTUDO DE PROTEÇÃO DOS ALIMENTADORES
Para a definição dos ajustes da proteção dos alimentadores, foi adotada a
seguinte metodologia
Proteção contra curto circuito entre fases:
O fator de segurança recomendado para os ajustes de proteção contra
sobrecorrente para curto circuito entre fases considerou uma variação de ±
10% na Precisão do transformador de corrente; ± 10% na Precisão do valor da
corrente de partida do relé; ± 10% na Precisão do valor da impedância do
condutor e ± 5% de Variação da tensão nominal da rede. O fator de segurança
adotado será o produto deles, então:
FS = 1,1 x 1,1 x 1,1 x 1,05 = 1,3975
Sobre este valor acrescentou-se a impedância imposta pelo arco elétrico ou
mau contato entre os condutores em curto circuito, o que sugere a utilização
de FS ≥ 1,5.
Proteção contra curto circuito fase terra:
Deve-se prioritariamente examinar a situação de cada caso considerando
principalmente os valores de resistividade do solo da região em estudo.
Quando ocorre o rompimento do condutor da rede primária, normalmente a
corrente de curto circuito é de baixa intensidade, pois a resistência de contato
do condutor com o solo é elevada. A Tabela abaixo apresenta alguns
resultados para a obtenção da resistência de falta igual a 40 Ω.
Ajuste das curvas de atuação
As curvas escolhidas foram as mais rápidas possíveis sem prejuízo da
coordenação e seletividade com outros equipamentos protetores ou
protegidos. A Tabela abaixo apresenta algumas das propostas de ajuste do
disparo de terra em operação para religadores e disjuntores.
Análise do desempenho da proteção
A filosofia de proteção atualmente adotada pela Bandeirante tem por objetivo
facilitar a pesquisa de defeitos ao longo do alimentador e por isso os disparos
de terra dos religadores são ajustados para serem seletivos com os elos
fusíveis até a capacidade 25k. Em função disso, optou-se como experimento
parametrizar o relé EFACEC instalado no disjuntor JCE 1302, com um
segundo ajuste de proteção de terra somente para armazenar os registros dos
seus disparos. Os ajustes do relé estão apresentados na Tabela abaixo.
Estudo do aterramento
Quando o condutor neutro é descontínuo por motivo de furto,
rompimento ou ainda apresenta falha de conexão, há alteração na
efetividade do aterramento do sistema. Portanto, recomenda-se a
redução do gradiente de tensão no solo na proximidade da estrutura
através da utilização de anéis ao redor do poste de forma a garantir que
a tensão de toque e de passo máxima permitida não seja excedida.
Para isso foram propostos os modelos apresentados na configuração1
e2
O modelo 1 apresentado mostrou-se eficaz no controle da tensão de
toque e de passo para uma resistência equivalente do sistema igual a
1,0 Ω e deve ser utilizado em todos os equipamentos instalados na
rede primária.
O modelo apresentado na configuração 1 mostrou-se eficaz no controle da
tensão de toque e de passo para uma resistência equivalente do sistema
igual a 1,0 Ω para os equipamentos constantes da tabela 2 e deve ser
utilizado em todos os equipamentos instalados na rede primária.
Configuração 1 - Modelo de
aterramento para equipamentos
em rede rural com neutro contínuo
e multiaterrado
No caso de curto circuito fase terra, com o intuito de atenuar a tensão de
passo e de toque é recomendada outra configuração, apresentada na
Configuração 2. É constituído de dois anéis concêntricos de cabo de aço
cobreado 3N5 enterrados em profundidades diferentes.
Configuração 2 - Modelo de
aterramento para equipamentos
em rede rural na inexistência do
neutro contínuo e multiaterrado
Ao anel externo são conectadas
quatro hastes igualmente
espaçadas entre si, que podem
ser emendadas ou não,
dependendo do grau de
penetrabilidade do solo e da sua
conveniência de acordo com a
estratificação do solo do local.
O resultado da simulação indica que as tensões de toque e de passo em ambos
os aterramentos estão controladas, em função da sua interligação ao condutor
neutro. Porém deve ser enfatizado que:
O aterramento com anel central apresenta uma tensão de toque inferior à do
aterramento com hastes alinhadas. A presença do anel reduz o gradiente de
potencial que aparece nas imediações da estrutura;
O aterramento com hastes alinhadas apresenta tensão de passo inferior à do
aterramento com anel central. Isto se justifica, pois há o auxílio das hastes de
4,8 m que conduzem maior parcela da corrente para as camadas mais profundas
do solo.
CONCLUSÕES
O sistema elétrico da Bandeirante a quatro fios não pode prescindir do
neutro contínuo e multiaterrado, pois este condutor é parte ativa do sistema
em condições normais de funcionamento, tais como, reguladores de
tensão, banco de capacitores e transformadores monofásicos. Na ausência
do condutor neutro, a corrente que circula pelo aterramento local provoca o
aparecimento de tensões de valor significativo que são transferidas às
instalações dos consumidores.
Quando ocorre falha de isolação nos equipamentos da rede, a corrente de
curto circuito resultante nem sempre sensibiliza o equipamento de proteção
e, além disso, as tensões que surgem ao redor da estrutura aterrada são
potencialmente perigosas e podem ser fatais. Em vista do exposto não se
pode adiar as seguintes ações:
Reposição do neutro com condutores de aço-alumínio, interligando-o aos
aterramentos existentes com condutores de aço-cobre para inibir a
continuidade do furto desses condutores;
Dimensionar esses condutores para conduzir adequadamente as correntes de
curto circuito, bem como garantir a efetividade do aterramento do sistema;
Balancear e gerenciar as cargas do alimentador para reduzir ao menor valor
possível a corrente do neutro dos alimentadores em condições normais de
operação. Esta ação permitirá a redução dos ajustes das correntes de
disparo de terra dos equipamentos de proteção;
A adoção da configuração estrela isolada para os bancos de capacitores
instalados ao longo dos alimentadores da classe de tensão 15 kV, pois esta
possibilita aumentar a sensibilidade da proteção contra falta fase terra.
Realizar a medição sistemática da resistividade e a estratificação do solo nos
locais onde serão instalados os equipamentos para projetar o sistema de
aterramento. O tipo do aterramento deve ser aquele que conduza ao menor
valor de resistência, além de manter o gradiente de potencial no solo dentro
do limite tolerável;
Manter a resistência do aterramento equivalente do sistema a quatro fios na
faixa de 0,1 a 0,3 Ω.
Além das ações propostas, foi especificado sensor de desequilíbrio de
tensão para alertar o centro de operação da distribuição sobre ocorrências
anormais no sistema elétrico e estabelecidos critérios de religamento
visando o aumento da segurança e a redução da queima de equipamentos.
FIM