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

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

A proposta deste projeto foi pesquisar e desenvolver uma filosofia de proteção adequada para três situações distintas:

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.

METODOLOGIA

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

PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL E ANÁLISE DOS RESULTADOS

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

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.

Durante a energizações acidentais, fase terra nos pontos pesquisados dos dois alimentadores, pode-se constatar que:

Diagrama unifilar do Alimentador BCU 1307 com a localização dos eventos estudados

ANÁLISE DOS RESULTADOS DOS ALIMENTADORES

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

Diagrama unifilar do Alimentador JCE 1312 com a representação dos locais de medição

ANÁLISE DOS RESULTADOS DOS ALIMENTADORES

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

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.

Grafico 7 - Curva de ruptura do tanque x curva de elos fusíveis tipo k

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

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

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.

Tabela 4 - Proteção de bancos com ligação estrela isolada

Capacidade doBanco(kVAR)

Unidades Capacitivas(kVAR)

Elo fusível

150 6 de 25 ou 3 de 50 6 K (*)300 6 de 50 ou 3 de 100 12 K600 6 de 100 ou 3 de 200 25 K900 9 de 100 ou 6 de 150 40 K

1200 12 de 100 ou 6 de 200 50 K

ESTUDO DE PROTEÇÃO DOS ALIMENTADORES

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.

Para a definição dos ajustes da proteção dos alimentadores, foi adotada a seguinte metodologia

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 e 2O 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.

Configuração 1 - Modelo de aterramento para equipamentos em rede rural com neutro contínuo e multiaterrado

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 2 - Modelo de aterramento para equipamentos em rede rural na inexistência do neutro contínuo e multiaterradoAo 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.

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.

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