Relatorio Regimes de Neutro

INSTITUTO DE ENGENHARIA DE SISTEMAS E DE COMPUTADORES DO PORTO

Sistemas de Protecção Regimes de Neutro

De 02/11/2009 a 01/11/2010

BII

Paulo Alexandre Alves Félix

Victor Augusto Rodrigues Veloso

Relatório Intercalar 2010/2011

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Índice

1 – Introdução ............................................................................................................................... 3

2 – Revisão de literatura ................................................................................................................ 4

2.1 Neutro isolado ................................................................................................................ 5

2.2 Neutro directamente ligado à terra ................................................................................ 6

2.3 Neutro ligado à terra através de uma resistência ............................................................ 7

3 – Testes e Resultados .................................................................................................................. 8

3.1 Neutro isolado .............................................................................................................. 10

3.2 Neutro directamente ligado à terra .............................................................................. 11

3.3 Neutro ligado à terra através de uma resistência .......................................................... 11

4 – Conclusão ............................................................................................................................... 12

5 – Referências ............................................................................................................................ 13


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1 – Introdução

Num sistema trifásico de baixa ou média tensão existem três tensões simples, medidas entre

cada uma das fases e o ponto comum chamado ponto de neutro. Em regime simétrico estas

tensões estão desfasadas de 120° e têm como valor . Onde U representa a tensão composta

entre fases.

Fisicamente, o ponto de neutro é o ponto comum aos três enrolamentos do transformador

montados em estrela. Pode ser acessível ou não, distribuído ou não. No transporte em média

tensão o neutro é dispensável (não é distribuído) por razões económicas. É depois recriado no

último transformador e distribuído na rede de baixa tensão. Numa instalação eléctrica de média

ou baixa tensão, o ponto de neutro pode ou não ser ligado à terra, fala-se então em regime de

neutro.

Numa rede eléctrica de média tensão existem várias maneiras de ligar o neutro à terra. Todos

os regimes de neutro têm vantagens ou inconvenientes a nível económico, de segurança, de

continuidade de serviço e de qualidade da onda de tensão. Neste sentido, não existe a nível

mundial um regime de neutro de referência, isto é, não existe consenso sobre um regime de

neutro “ideal”. Os regimes de neutro utilizados pelas empresas de distribuição são o neutro

isolado, o neutro sólido directamente à terra, o neutro ressonante e o neutro com

resistência/reactância limitadora. Em 2006 em Portugal existiam 304 subestações utilizando o

neutro com impedância limitadora, 77 utilizando o neutro isolado e por fim 20 utilizando outras

ligações.

Neste trabalho pretendeu-se estudar os regimes de neutro isolado, neutro com resistência

limitadora e neutro directamente ligado à terra. Para isso, foram utilizados modelos de linhas

disponíveis no laboratório de sistemas de protecção e realizou-se uma montagem para simular

curto-circuitos fase-terra e observar os efeitos provocados. A ideia foi verificar na prática a teoria e

então perceber melhor quais diferenças existentes entre os diferentes regimes de neutro bem

como vantagens e inconvenientes de cada um. Também pretendeu-se observar o comportamento

do sistema de protecção com os vários regimes de neutro. Antes de apresentar os resultados dos

testes efectuados é feita uma revisão da literatura.


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2 – Revisão de literatura

Numa rede eléctrica, o regime de neutro ocupa um papel fundamental. De facto, quando

ocorre um defeito de isolamento ou um defeito à terra, os valores da corrente de defeito, das

tensões bem como das sobretensões dependem da forma como se liga o neutro à terra. A

importância dos danos causados aos equipamentos tais como os motores ou os alternadores

quando apresentam um defeito interno, está igualmente relacionada com o regime de neutro

adoptado. A escolha do regime de neutro, tanto na baixa tensão como na média tensão, depende

da natureza da instalação e da rede. É igualmente influenciado pela natureza das cargas eléctricas,

da continuidade de serviço pretendida e finalmente da limitação do nível de perturbação imposto

pelos equipamentos mais sensíveis da rede.

Iremos por isso distinguir os vários regimes de neutro, de forma a focar as vantagens e os

inconvenientes de cada um, mas primeiro é importante referir as consequências para a rede

eléctrica quando ocorre um defeito fase-terra seja qual for o regime de neutro utilizado.

Quando a rede eléctrica funciona no seu estado normal, isto é, sem estar submetida a nenhum

defeito, as correntes circulam nas chamadas resistências e capacidades de fuga. É de referir que

tendo em conta os valores elevados dessas resistências (da ordem dos kΩ), são desprezáveis estas

correntes porque sendo bastante reduzidas. No caso de funcionamento normal da rede eléctrica,

as correntes são teoricamente equilibradas, pelo que não circula corrente no neutro. O seu

potencial eléctrico é então igual ao da terra:

No entanto quando ocorre um curto-circuito fase-terra, uma corrente é criada entre a fase

de defeito e a terra. Esta corrente fecha-se pela impedância do neutro e pelas

capacidades/resistências de fuga das fases sãs, como podemos observar no seguinte esquema:

Figura 1. Esquema de correntes de defeito quando ocorre um CC fase-terra na fase 3


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Como se pode observar na ocorrência de um defeito à terra cria-se um circuito perigoso para a

rede eléctrica e os equipamentos ligados à mesma. O neutro atinge um potencial eléctrico

diferente de zero:

É por isso essencial escolher um regime de neutro que satisfaça as necessidades pretendidas

(continuidade de serviço, segurança…). Pois, cada regime de neutro implica correntes de defeito

diferentes, tensões diferentes e por isso devemos ter em atenção as vantagens e os

inconvenientes de cada um. A seguir apresentam-se alguns dos regimes de neutro utilizados pelas

empresas de distribuição.

2.1 Neutro isolado

Figura 2. Esquema de um neutro isolado da terra

Não existe ligação eléctrica entre o ponto de neutro e a terra, excepto para medições ou

protecções. Pode também ser colocada como se mostra na figura 2 uma impedância de

elevado valor entre o neutro e a terra. Trata-se do segundo regime de neutro mais utilizado no

nosso país.

Este regime de neutro é caracterizado por correntes de defeito reduzidas quando comparadas

com o sistema de resistência/reactância de neutro por exemplo. Isto acontece porque de facto

existem contribuições capacitivas da rede para a corrente de defeito, dada a ausência de uma

ligação à terra. No entanto, verifica-se um forte desequilíbrio de tensões, com a tensão de neutro

a atingir, em módulo, a tensão simples e as tensões nas fases sãs subirem à tensão composta.

As redes de distribuição que utilizam este tipo de regime de neutro são capazes de manter

correntes de defeito significativas quando se trata de redes vastas. Como já é sabido, nas redes


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que usam cabos subterrâneos, as capacidades à terra são muito superiores quando comparado

com as redes aéreas, e portanto também as correntes de defeito são superiores. No entanto,

devido à reduzida distância entre os condutores (nos cabos tripolares), qualquer defeito fase-terra

leva à destruição do isolamento envolvente e passa a defeito polifásico. Quando se trata de redes

aéreas com cabos nus, é frequente verificar-se fenómenos de reacendimento que provocam

importantes sobretensões transitórias. Estas sobretensões por sua vez podem causar

contornamento do isolamento nas fases sãs ou noutra linha.

Numa rede com neutro isolado ou fortemente resistivo/reactivo, os danos causados às

máquinas são reduzidos mas é necessário que os equipamentos tenham um nível de isolamento

compatível com os níveis de sobretensões transmitidos para a rede.

Em conclusão, o neutro isolado permite uma continuidade de serviço na baixa tensão e até na

média tensão na medida em que as protecções não disparam quando ocorre o primeiro defeito,

no entanto tem que respeitar os decretos relacionados com a segurança dos trabalhadores.

2.2 Neutro directamente ligado à terra

Figura 3. Esquema do Neutro directamente ligado à terra

Da figura 3 observa-se que o neutro é ligado à terra sem recurso a nenhuma impedância.

O neutro directamente à terra permite limitar as sobretensões mas tem como desvantagem

tolerar correntes de defeito muito elevadas. Este regime de neutro impõe um disparo dos

equipamentos de protecção logo no primeiro defeito de isolamento.


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Numa rede com neutro directamente à terra, uma máquina afectada por um defeito é

fortemente danificado pelos fortes valores das correntes de defeito atingidos, pelo que é preciso

ter especial atenção no que diz respeito à protecção dessas máquinas mais sensíveis.

2.3 Neutro ligado à terra através de uma resistência

Figura 4. Esquema do Neutro ligado à terra por intermédio de uma resistência

Como podemos observar na figura acima apresentada, neste regime de neutro é colocada uma

resistência entre o neutro e a terra. É de salientar que esta resistência nunca é puramente

resistiva e tem sempre componente reactiva, pelo que trata-se sempre de um misto entre reactiva

e resistiva. O valor desta resistência serve para limitar o valor da corrente de defeito nos 300 A.

Destacam-se algumas razões importantes pelas quais se utiliza este tipo de ligação do neutro à

terra. Primeiro, serve para limitar as sobretensões verificadas nas fases sãs da rede eléctrica

atingida por defeitos. Também serve para diferenciar a corrente residual das linhas em defeito da

das linhas sãs.

As resistências são dimensionadas por forma a suportarem a máxima corrente de defeito

durante cerca de 5 segundos. No entanto, a constante de tempo de arrefecimento desta

resistência é de mais ou menos 8 minutos, pelo que para defeitos sucessivos na rede a jusante

podem existir esforços térmicos grandes ao ponto de levar à queima da resistência devido ao calor

acumulado.


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3 – Testes e Resultados

A existência de uma tensão homopolar indica a existência de assimetrias e defeitos fase-terra.

Logo é necessário dotar as redes com equipamento sensíveis a essas grandezas, de modo a evitar

danos na rede e nos seus equipamentos. O sistema de protecção garante essa segurança e

permite evitar consequências graves para a rede. Foi por isso utilizada uma unidade de supervisão

e controlo nos testes efectuados de modo a verificar o bom desempenho da rede.

Para comprovar o que foi mencionado anteriormente na revisão de literatura e então verificar

na prática quais as consequências consoante se decide escolher um ou outro regime de neutro,

realizou-se uma montagem semelhante àquela apresentada no seguinte esquema:

Figura 5. Circuito para realização de testes

O circuito como se pode observar na figura 5 é composto por dois modelos de linha ligados em

paralelo e alimentados pela rede trifásica do laboratório (primário do transformador a 400V). É de

referir que os modelos de linha utilizados não foram aqueles que eram supostos. Isto é, surgiu um

problema logístico na construção dos modelos de linha pedidos (faltaram os condensadores

apenas). Para não ficar parados, decidiu-se utilizar os modelos de linha já montados disponíveis no

laboratório de protecções. Estes modelos correspondem a linhas aéreas de média tensão e os seus

componentes foram dimensionados para funcionar como tal. Existe também no circuito um

modelo de subestação que transforma a tensão composta da rede para 15 V. Além disso foi


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integrado um equipamento de protecção (TPU S420), para verificar se a rede era protegida (ordem

de disparo do TPU) em caso de defeito à terra. Finalmente para provocar curto-circuitos à terra

nas duas linhas utilizou-se um interruptor.

A montagem realizada foi a seguinte:

Figura 6. Montagem realizada no laboratório de protecções para efectuar testes nas linhas

A seguir apresentam-se os vários resultados efectuados no circuito para os diversos regimes de

neutro bem como alguns comentários críticos.

Pode-se já indicar que os ensaios efectuados foram os mesmos para todos os regimes de

neutro. Programou-se a função de protecção “máximo de corrente de terra” do TPU S420 de

modo a que Iop = 0.9 A e Top = 1 seg. Também foi programada a função de protecção “direccional

de terra” do TPU, para ângulos característicos de 0º, 7º e 90º. Quando se provocava um CC no

modelo de linha 1 (ou seja colocava-se o conector C1 na posição 2), era necessário alterar nessa

função do TPU, o estado “Frente” para “Trás”.

Antes de apresentar os resultados provocando defeitos à terra, confirmou-se se o circuito

funcionava correctamente. Obtiveram-se os resultados seguintes:


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Figura 7. Resultados obtidos sem defeito à terra

Observa-se que as tensões nas fases correspondam mais ou menos ao esperado, isto é, 15V. A

seguir apresentam-se os resultados quando provocado um defeito à terra na fase C.

3.1 Neutro isolado

Os resultados obtidos neste regime de neutro foram os seguintes. Quando provocado o curto-

circuito à terra no modelo de linha 2 (ver figura 5), para um ângulo característico de 0º, a corrente

de defeito Ic = 1.185 A e as tensões nas diferentes fases são Ua =38 V, Ub = 32 V e Uc = 8 V. Ou

seja, verifica-se como previsto uma corrente de defeito reduzida mas um forte desequilíbrio de

tensões. O TPU nesta situação não deu ordem para disparar.

Para os ângulos característicos de 7º e 90º os resultados obtidos foram os mesmos que os

obtidos anteriormente.

Provocando um curto-circuito na linha em paralelo, obteve-se uma corrente Ic = 0.060 A e Uc =

6 V. No que diz respeito às tensões e às correntes das outras fases, o resultado difere muito

pouco. A corrente observada na fase C é relativamente baixa porque sendo o defeito provocado

na outra linha, cuja resistência é muito inferior à da linha onde se encontra o equipamento de

protecção.


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3.2 Neutro directamente ligado à terra

Após colocar o conector C2 na posição 2, para ligar o neutro directamente à terra, obtiveram-

se os seguintes resultados para um ângulo característico de 0º:

Ic = 2.620 A;

Ua = Ub = Uc = 17 V.

Estes resultados estão de acordo com o esperado, pois observa-se uma corrente na fase de

defeito muito elevada enquanto que a corrente nas outras fases se mantém inalterada. Em relação

às tensões verificadas, vemos que são iguais para todas as fases e que não existem sobretensões.

Nesta situação verificou-se uma ordem de disparo por parte do TPU.

Tal como anteriormente, para os ângulos característicos de 7º e 90º os resultados obtidos

foram os mesmos. Também nestes casos o TPU actuou e deu ordem de disparo para proteger a

rede.

Provocando o defeito à terra no modelo de linha 1 (ver figura 5), observa-se que a corrente na

fase de defeito apresenta um valor muito mais baixo do que nas situações anteriores, e esse valor

da corrente ronda a corrente obtida sem defeitos. Não houve por isso ordem de disparo.

Relativamente às tensões nas fases, podemos ver que são iguais e não se verificam sobretensões.

3.3 Neutro ligado à terra através de uma resistência

Após colocar o conector C2 na posição 3 e regular a resistência para 50Ω, obtiveram-se os

seguintes resultados:

Ic = 1.140 A;

Ua = 35 V;

Ub = 28 V;

Uc = 8 V.

Verifica-se que estes resultados se encontram dentro do esperado, até porque quando a

resistência é elevada estamos num regime de neutro semelhante ao do neutro isolado. Também

por essa razão não houve ordem de disparo do TPU.

Com ângulos característicos de 7º e 90º, os resultados obtidos foram também muitos

parecidos, e por isso o TPU não dá ordem de disparo.


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Quando provocado o defeito na linha em paralelo, observa-se que a corrente na fase de defeito

é baixa pela mesma razão apontada anteriormente no regime de neutro isolado. Para as tensões,

também se verifica desequilíbrio nas diferentes fases.

Diminuindo ligeiramente o valor da resistência de neutro observa-se que apenas para o valor

12.5 Ω é que ocorre a ordem de disparo do TPU. Os resultados obtidos neste caso foram os

seguintes:

Ic = 1.345 A;

Ua = 31 V;

Ub = 22 V;

Uc = 9 V.

Observa-se que a corrente de defeito é ligeiramente superior à da corrente de defeito

observada no regime de neutro isolado. Como esperado, este valor é limitado pela resistência de

neutro. No que diz respeito às tensões, verifica-se que apesar de existir desequilíbrio este é menor

do que na situação anterior, com a resistência elevada de 50Ω.

Com ângulos característicos de 7º e 90º, os resultados obtidos foram também muitos

parecidos, e por isso o TPU deu ordem de disparo.

4 – Conclusão

Com estes resultados, pode-se concluir que com uma resistência de 12.5Ω, temos uma situação

que se posiciona entre o regime de neutro isolado e o regime de neutro directamente ligado à

terra. É um regime que não apresenta correntes de defeito muito severas nem desequilíbrios nas

tensões muito acentuados.

No entanto, teremos que ter sempre em consideração a natureza da rede e da instalação na

escolha do regime de neutro a utilizar.


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5 – Referências

[1] Miguel Louro (Outubro de 2008) – “O sistema de protecções na perspectiva da segurança de

pessoas em redes de MT”. Tese de Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores –

FEUP.

[2] Juan M. Gers e Edward J. Holmes (2004) – “Protection of Electricity Distribution Networks”, 2ᵃ

edição.

[3] (2002) - “Protecção de equipamentos e sistemas de energia eléctrica” – Versão Provisória.

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