universidade federal de itajubá isaac gonçalves campos junior

universidade federal de itajubá isaac gonçalves campos junior
UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
ATERRAMENTO DO PONTO NEUTRO DAS REDES DE
DISTRIBUIÇÃO ATRAVÉS DE BOBINA RESSONANTE
ISAAC GONÇALVES CAMPOS JUNIOR
ITAJUBÁ – AGOSTO DE 2009
UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
ISAAC GONÇALVES CAMPOS JUNIOR
ATERRAMENTO DO PONTO NEUTRO DAS REDES DE
DISTRIBUIÇÃO ATRAVÉS DE BOBINA RESSONANTE
Dissertação submetida ao Programa de
Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
como
parte
dos
requisitos
para
a
obtenção do Título de Mestre em
Ciências em Engenharia Elétrica.
Área de concentração:
Sistemas Elétricos de Potência
Orientador:
Prof. Dr. Manuel Luiz Barreira Martinez
AGOSTO DE 2009
ITAJUBÁ – MINAS GERAIS
ii
Dedico este trabalho aos meus pais que sempre me apoiaram e se esforçaram
para meu desenvolvimento, à minha esposa pelo apoio, dedicação e paciência
e a todos os amigos que contribuíram ao longo de minha vida.
iii
AGRADECIMENTOS
São muitas as pessoas as quais eu devo agradecimentos, porém
algumas eu tive maior contato e contei com uma excepcional ajuda durante o
período de realização deste trabalho.
Tenho muito que agradecer ao amigo e Professor Dr. Manuel Luís
Barreira Martinez pela orientação na execução do trabalho, guiando nas
diversas tarefas e principalmente pela ajuda e contribuição na minha vida
profissional, pois sempre foi um exemplo de profiisonal e pessoa, digna de ser
seguida e admirada, pois adota o melhor método de ensino que eu tenho
conhecimento, que é o bom exemplo.
Agradeço também ao aos amigos do grupo de trabalho LAT-EFEI, João
Cândido, aos companheiros de estudo Marco Aurélio, Ricardo Guedes,
Credson Salles, e a todos os outros que tive o prazer de trabalhar em conjunto.
Um agradecimento especial à minha família, que nunca mediu esforços
para que eu tivesse uma boa educação. Ao meu pai Isaac Campos que sempre
sempre foi e continua sendo um exemplo de pessoa, que eu tento seguir, meu
Herói por toda vida. A minha Mãe que dedicou sua vida a cuidar dos filhos e da
família, sendo um ponto forte para todos, sempre atenta as necessidades de
todos. Aos meus Irmãos Sara Cristina e Diego, que sempre estiveram comigo,
sendo a base de tudo que consegui conquistar até hoje, muito obrigado pela
amizade.
Aos amigos de infância que sempre estiveram ao lado.
À minha querida mulher Ana Cássia, que muito amo e agradeço pelo
companheirismo, dedicação e paciência em me acompanhar, me ajudar e dar
consolo em todos os momentos. Você foi e continua sendo muito importante
em minha vida.
Principalmente à Deus, pela força, saúde, disposição e tudo mais que
não sou capaz de mensurar.
Muito obrigado à todos.
iv
RESUMO
O assunto principal desta dissertação é o método de aterramento do
ponto neutro utilizado nas redes de distribuição de energiaelétrica. Realiza-se
um estudo dos diversos métodos deaterramento utilizados no mundo e os mais
utilizados no Brasil, procurando analizar as vantagens e desvantagens de cada
método para assim propor um método de aterramento que seja mais eficiente,
ou seja, que possibilite o menor número de interrupções relacionadas a
defeitos que envolvam a “Terra”.
Para melhor compreensão da função do sistema de aterramento em um
sistema elétrico de distribuição de energia dedica-se um capítulo para
descrição do sistema elétrico de distribuição, ressaltando suas principais
características e funcionalidade. Com omesmo intuito, descreve-se também os
principais tipos
de
falhas
que
ocorrem
no sistema de
distribuição,
principalmente as que envolvam a “Terra, para que se possa determinar o
método de aterramento a ser utilizado.
Com base nos estudos e análises realizados, propõem-se o método de
aterramento que utiliza uma bobina ressonante com a impedância capacitiva do
sistema elétrico, conhecida como “Bobina de Petersen”, em homenagem a seu
inventor. Essa bobina tem como função principal limitar a corrente de defeito
fase-terra e agir na eliminção do arco de defeito e consequentemente a falha,
impedindo o desligamento do sistema. Realizam-se vários estudos e
simulações para verificação da viabilidade da aplicação deste método de
aterramento em um sistema real de distribuição de energia elétrica.
v
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Visão Histórica dos Métodos de Aterramento ................................... 7
Figura 2 – Evolução dos Métodos de Aterramento ............................................ 8
Figura 3 – Panorama Atual e Tendência de Aplicação do Método..................... 9
Figura 4 - Diagrama Unifilar do Sistema Elétrico de Distribuição [8]. ............... 15
Figura 5 - Diagrama Unifilar de Rede Primária................................................. 20
Figura 6 - Primário Seletivo. ............................................................................. 22
Figura 7 – Chave e Elo Fusível [12]. ................................................................ 26
Figura 8 - Exemplo de Curvas de Fusão de Elos Fusíveis [12]. ....................... 27
Figura 9 - Religador Eletrônico [14]. ................................................................. 30
Figura 10 - Curvas de Operação [14]. .............................................................. 31
Figura 11 - Seccionador Automático Instalado [14]. ......................................... 33
Figura 12 - Característica de Operação dos Relés de Sobrecorrente .............. 34
Figura 13 - Característica de Operação dos Relés de Sobrecorrente
Temporizados. .................................................................................................. 36
Figura 14 - Sistemas Aterrados [30]. ................................................................ 63
Figura 15 - Circuito do sistema de neutro e diagramas equivalentes para
sistemas não aterrados e vários tipos de aterramento do neutro [30]. ............. 67
Figura 16 - Sistema com Neutro Isolado. ......................................................... 69
Figura 17 - Deslocamento da tensão para uma falha fase-terra em um sistema
isolado. ............................................................................................................. 70
Figura 18 – Correntes Capacitivas em Sistema Isolado. .................................. 70
Figura 19 – Re-ignição do Arco Voltaico. ......................................................... 72
Figura 20 – Decaimento da Tensão nas Capacitâncias do Sistema. ............... 73
Figura 21 – Fenômeno de Sobretensões Transitórias em Faltas Intermitentes 73
Figura 22 – Múltiplas Reignições do Arco. ....................................................... 74
Figura 23 - Diagramas Fasoriais (a) Operação Normal, ................................... 76
Figura 24 - Sistema Uniaterrado a Três – Fios................................................. 77
Figura 25 - Sistema Uniaterrado a Quatro - Fios. ............................................. 78
Figura 26- Sistema Multiaterrado a Quatro – Fios............................................ 78
Figura 27 - Aterramento Por Resistência. ........................................................ 80
Figura 28 - Sobretensões Versus Relação Xc / RT [35]. ................................... 81
vi
Figura 29 – Efeito do Resistor Conectado ao Neutro em uma Falta Intermitente.
......................................................................................................................... 82
Figura 30 – Aterramento por Resistor de Baixo Valor. ..................................... 83
Figura 31 – Correntes num sistema aterrado por resistência de alto valor. ..... 84
Figura 32 – Aterramento do Neutro por Resistor de Alto Valor. ....................... 85
Figura 33 - Aterramento do Neutro por Resistor de Alto Valor Através de
Transformador de Aterramento. ....................................................................... 86
Figura 34 - Aterramento por Reatância. ........................................................... 86
Figura 35 – Sistema Compensado ou Neutro Ressonante. ............................. 87
Figura 36 – Sistema com Neutro Ressonante. ............................................... 101
Figura 37 – Comportamento do Sistema com Neutro Ressonante ................ 103
Figura 38 – Circuito Equivalente de um Sistema com Neutro Aterrado por
Bobina Ressonante. ....................................................................................... 104
Figura 39 – Circuito de Componentes Simétricas para Sistema com Neutro
Aterrado por Bobina Ressonante. .................................................................. 106
Figura 40 – Limites de corrente para extinção de arco em sistema Isolado (1) e
em sistema ressonante (2) [41]. ..................................................................... 107
Figura 41 – Compensação Total da Corrente Residual. ..... Erro! Indicador não
definido.
Figura 42 – Valores e Tempos Característicos de Diversos Tipos de
Sobretensões [54]. ......................................................................................... 119
Figura 43 – Desenho Simplicado da Rede de Distribuição para Simulação. . 121
Figura 44 – Rede para Simulação no Software ATP. ..................................... 123
Figura 45 – Modelo de Carga Trifásica Desequilibrada Ligada em “Estrela”. 125
Figura 46 – Modelo de Carga com Ligação Monofásica. ............................... 126
Figura 47 – Modelo de Carga com Ligação entre Fases. ............................... 126
Figura 48 – Corrente de Desbalanço Permanente. ........................................ 130
Figura 49 – Tensão no Neutro Devido Corrente de Desbalanço. ................... 131
Figura 50 – Utilização de um Resistor de Amortecimento. ............................. 132
Figura 51 – Representação Rede de Distribuição no Software ATP. ............. 135
Figura 52 – Entrada de Dados no Software ATP para Representação de Rede.
....................................................................................................................... 136
Figura 53 – Chave de aplicação de Curto-Circuito. ........................................ 137
Figura 54 – Corrente de Defeito em Diversos Pontos da Rede...................... 138
vii
Figura 55 – Correntes dos Ramais para Defeitos em Diversos Pontos da Rede.
....................................................................................................................... 139
Figura 56 – Corrente de Defeito Final. ........................................................... 139
Figura 57 – Corrente Fornecida Pela Bobina de Petersen. ............................ 140
Figura 58 – Corrente de Falta Final. ............................................................... 141
Figura 59 – Correntes de Falta para Diferentes Resistências de Contato à
Terra. .............................................................................................................. 142
Figura 60 – Tensão no Ponto Neutro para Diferentes Resistências de Contato à
Terra. .............................................................................................................. 143
viii
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Formas de Aterramento do Neutro nos Sistemas de Distribuição
pelo Mundo e seu Desempenho......................................................................... 6
Tabela 2 - Corrente de Elos Fusíveis. ................. Erro! Indicador não definido.
Tabela 3 - Coordenação de Elos por Corrente de Curto-Circuito [12]. ......... Erro!
Indicador não definido.
Tabela 4 - Constantes de Declividade.............................................................. 35
Tabela 5 - Composição Probabilística das Falhas ........................................... 43
Tabela 6 - Porcentagem dos Fatores que Geram Falhas no Sistema de
Distribuição....................................................................................................... 46
Tabela 7 - Análise de Falhas em Concessionária de Energia Elétrica ............. 48
Tabela 8 – Características básicas dos diversos tipos de aterramento............ 91
Tabela 9 - Características De Ensaio De Isolador Pino [38] ............................ 99
Tabela 10 – Corrente Capacitiva Resultante de um Defeito Fase-terra em mA.
....................................................................................................................... 108
Tabela 11 – Corrente Capacitiva Resultante de um Defeito Fase-terra em
cabos Isolados em A / km. ............................................................................. 109
Tabela 12 – Caracteristicas das Sobretesões de Manobra [54] ..................... 117
ix
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS ......................................................................................... vi
LISTA DE TABELAS ........................................................................................ ix
Capítulo 1
INTRODUÇÃO.............................................................................. 1
1.1
Considerações Iniciais ...................................................................... 1
1.2
Aspectos Gerais dos Sistemas de Distribuição e o Método de
Aterramento do Neutro................................................................................. 4
1.3
Aterramento do Neutro em Diversos Países ................................... 5
1.4
Motivação para Realização do Trabalho ........................................ 10
1.5
Descrição dos Capítulos ................................................................. 11
Capítulo 2
SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ......... 13
2.1
Introdução ........................................................................................ 13
2.2
Características Construtivas .......................................................... 15
2.2.1
Sistema de subtransmissão ........................................................ 16
2.2.2
Subestação de distribuição ......................................................... 16
2.2.3
Sistema de distribuição primário ................................................. 16
2.2.3.1 Considerações gerais ................................................................. 16
2.2.3.2 Redes Aéreas – Primário Radial ................................................. 19
2.2.3.3 Primário Seletivo ......................................................................... 21
2.2.4
Estações transformadoras .......................................................... 22
2.2.5
Sistema de distribuição secundário ............................................ 22
2.3
Proteção de Redes Aéreas de Distribuição ................................... 23
2.3.1
Considerações gerais ................................................................. 23
2.3.2
Dispositivos de proteção ............................................................. 24
2.3.2.1 Chave e Elos Fusíveis ................................................................ 25
2.3.2.2 Religadores ................................................................................. 28
2.3.2.3 Seccionador Automático ............................................................. 33
2.3.2.4 Relés de Sobrecorrente .............................................................. 34
Capítulo 3
3.1
FALHAS NAS REDES AÉREAS DE DISTRIBUIÇÃO ............... 37
Introdução ........................................................................................ 37
x
3.2
Conceituação ................................................................................... 42
3.3
Caracterização das Falhas .............................................................. 43
3.3.1
Falha momentânea ..................................................................... 44
3.3.2
Falha transitória .......................................................................... 44
3.3.3
Falha permanente ....................................................................... 45
3.4
Causas de Falhas ............................................................................. 45
3.5
Estatísticas das Falhas.................................................................... 48
3.5.1
Taxa de Falhas (w0) .................................................................... 51
3.5.2
Tempo Médio de Despacho ( τdesp) ............................................. 52
3.5.3
Tempo Médio de Deslocamento (τdesl) ........................................ 54
3.5.4
Tempo Médio de Manutenção .................................................... 57
3.6
Análise da Qualidade da Energia Relacionada às Falhas nos
Sistemas de Distribuição. .......................................................................... 58
Capítulo 4
ATERRAMENTO DE REDES ..................................................... 62
4.1
Conceituação ................................................................................... 62
4.2
Tipos de Aterramento para Sistemas de Média Tensão da
Distribuição ................................................................................................. 65
4.2.1
Sistema Não Aterrado ou com Neutro Isolado ............................ 68
4.2.2
Aterramento sólido ou efetivo ..................................................... 74
4.2.3
Aterramento por Resistência....................................................... 79
4.2.4
Aterramento por Reatância ......................................................... 86
4.2.5
Neutro Aterrado por “Bobina de Petersen” ................................. 87
4.3
Critérios de Escolha do Regime do Neutro em Sistemas Elétricos
............................................................................................................88
Capítulo 5
NEUTRO RESSSONANTE......................................................... 94
5.1
Introdução e Histórico de Utilização .............................................. 94
5.2
Motivação para Mudança do Método de Aterramento dos
Sistemas de Distribuição e Utilização da “Bobina de Petersen”. .......... 95
5.3
Princípios de Funcionamento ....................................................... 100
5.4
Extinção de Arco em Faltas à Terra ............................................. 106
xi
5.5
Formas e Possibilidades de Aplicação da Bobina de Petersen. 110
5.6
Concepção Moderna da Bobina de Petersen ...... Erro! Indicador não
definido.
5.7
Vantagens da Aplicação da Bobina de Petersen ........................ 112
5.8
Dificuldades de Aplicação da Bobina de Petersen ..................... 114
5.9
Análise do Funcionamento dos Sistemas de Distribuição e
Equipamentos Associados ...................................................................... 115
5.9.1
Sobretensões nos sistemas de distribuição .............................. 116
5.9.1.1 Sobretensões temporárias ........................................................ 116
5.9.1.2 Sobretensões transitórias ......................................................... 117
5.9.2
Desempenho dos equipamentos sujeitos as sobretensões .... Erro!
Indicador não definido.
5.9.2.1 Pára-raios ...................................... Erro! Indicador não definido.
5.9.2.2 Isoladores, muflas terminais e buchas de passagem ............. Erro!
Indicador não definido.
5.9.2.3 Transformadores de corrente e potencial ...... Erro! Indicador não
definido.
Capítulo 6
SIMULAÇÃO DE CASO ........................................................... 120
6.1
Importância e Validade das Simulações ...................................... 120
6.2
Softwares para Simulação ..................... Erro! Indicador não definido.
6.2.1
ATP (Alternative Transient Program) ............. Erro! Indicador não
definido.
6.3
Simulação de uma Rede de Distribuição de Energia .................. 122
6.3.1
Cargas do sistema .................................................................... 124
6.3.1.1 Cargas trifásicas ....................................................................... 125
6.3.1.2 Cargas monofásicas ................................................................. 125
6.3.1.3 Cargas entre fases .................................................................... 126
6.3.2
Rede simétrica e não simétrica ................................................. 126
6.3.2.1 Sistema perfeitamente equilibrado............................................ 127
6.3.2.2 Corrente de desbalanço permanente........................................ 129
xii
6.3.2.3 Mitigação das sobretensões através de resistor de amortecimento
131
6.3.3
Cálculo das capacitâncias distribuídas do sistema ................... 134
6.3.4
Aplicação de curto-circuitos fase-terra em diferentes pontos do
sistema 136
6.4
Consolidação dos Resultados ...................................................... 143
6.5
Recomendações para Trabalhos Futuros .................................... 144
Capítulo 7
CONCLUSÕES......................................................................... 145
REFERÊNCIAS.............................................................................................. 149
BIBLIOGRAFIAS ........................................................................................... 154
xiii
Capítulo 1 INTRODUÇÃO
1.1
Considerações Iniciais
Sabe-se que a paralisação intempestiva dos sistemas elétricos de distribuição
constitui-se em evento de conseqüências cada vez mais graves face principalmente
a grande utilização de equipamentos e dispositivos eletrônicos que na maioria das
vezes são sensíveis a qualquer tipo de interrupção e/ou variações bruscas de
tensão. A paralisação ou o funcionamento inadequado destes dispositivos
eletrônicos sensíveis em muitos casos pode acarretar a paralisação de linhas
inteiras de produção, perda do controle de grandes máquinas e processos
paralisados, gerando grande prejuízo. Com intuito de diminuir as paralisações
ocasionadas por defeitos nas redes de distribuição de energia elétrica, muitos
estudos vêm sendo desenvolvidos para obter-se um melhor desempenho dessas
redes. Tendo em mente esse objetivo, procura-se fazer uma análise do desempenho
das redes de distribuição de energia num aspecto mais amplo, estudando e
avaliando as principais causas de falhas e desligamentos do sistema elétrico, a
1
origem dessas falhas e principalmente um método de mitigação desse problema,
procurando sempre obter medidas e soluções que venham a minimizar tanto as
falhas como as conseqüências que estas falhas podem trazer.
É sabido que muitos dos defeitos que ocorrem nos sistemas elétricos são de
difícil solução e tentar eliminar todos os defeitos ou criar um sistema elétrico imune
as falhas e ocorrências intempestivas é praticamente inviável, tanto em aspectos
econômicos quanto em aspectos técnicos. Num levantamento das principais falhas
que ocorrem nos sistemas de distribuição, tendo como base estudos realizados por
distribuidoras de energia elétrica, chega-se a conclusão de que a grande maioria dos
defeitos que ocorrem são monofásicos. E esses defeitos em muitos casos evoluem
para outros tipos de defeitos: bifásicos e trifásicos. A constatação de maior
relevância que será discutida neste trabalho é a de que entre 60% a 90% dos
defeitos são transitórios, como por exemplo, uma descarga atmosférica que provoca
sobretensões em uma rede de distribuição, sendo que essa sobretensão ultrapassa
os valores de tensão suportáveis pela estrutura, gerando uma descarga pelo
isolador. Esse arco gerado pela descarga fornece uma via de escoamento para a
corrente de freqüência industrial do sistema, de tal forma que fica caracterizado um
curto circuito fase terra, obrigando a operação do sistema de proteção com a
conseqüente abertura do disjuntor do circuito. Segue-se então uma tentativa de
religamento, que embora na maioria das vezes possa obter sucesso, não evita a
paralisação temporária do fornecimento de energia pelo circuito, com os seus
inconvenientes.
No Brasil praticamente a totalidade dos sistemas de distribuição são aéreos e
possuem o neutro diretamente aterrado (ligação à terra sem nenhuma impedância
intencional) e esses sistemas são muito suscetíveis aos mais variados tipos de
defeitos. Outros tipos de aterramento do ponto de neutro do sistema são utilizados
em vários países, tais como: sistemas com neutro isolado (Japão, Finlândia,
Áustria), aterrados por resistor de baixo valor (França, Espanha), aterrado com
bobina de Petersen (Alemanha, Suécia, Rússia). Em alguns desses países convivem
mais de um tipo de sistema.
Assim um estudo dos diversos tipos de aterramento existentes e a proposta
de outro tipo de aterramento que não seja o diretamente aterrado, mas que propicie
bons resultados frente aos diversos tipos de defeitos a que estão sujeitas as redes
de distribuição de energia, torna-se amplamente viável e até necessário. Neste
2
contexto a escolha do tipo de aterramento é de vital importância no comportamento
do sistema sob falta.
É importante perceber que, de uma forma geral, o método ou filosofia de
aterramento do neutro possui pouca influência durante a operação normal do
sistema elétrico, mas é de importância fundamental quando ocorre uma falha na qual
a terra é inserida no circuito.
Portanto, o estudo da forma de aterrar o neutro requer considerações
cuidadosas, pois o sistema elétrico deve ser projetado de forma a suportar as
sobretensões normais e transitórias e as correntes resultantes do defeito fase-terra,
e, na maioria das vezes, o sistema de proteção deve ser capaz de detectar e isolar a
falta em tempo hábil para evitar danos aos equipamentos, instalações e a vida
humana.
Os níveis de sobretensões normais e transitórias e o valor das correntes que
surgem durante uma falta à terra são profundamente influenciados pelo método de
aterramento do neutro. Em termos gerais, se o sistema é diretamente aterrado ou
aterrado através de baixa impedância, a corrente de falta à terra é alta.
Conseqüentemente a destruição e os inconvenientes causados no local da falta são
consideráveis. Por outro lado as tensões desenvolvidas nas fases sãs (fases sem
defeito) para a terra são reduzidas e completamente suportáveis.
Se o sistema possui o neutro isolado ou aterrado através de impedância de
alto valor, a corrente de falta à terra é reduzida, mas as tensões das fases sãs para
terra podem atingir valores perigosos ou mesmo insuportáveis. Isto pode resultar em
evolução do curto para as outras fases se não forem tomadas precauções especiais.
Os sistemas com neutro isolado ou com neutro aterrado por meio de
impedância de alto valor (resistência ou reatância não sintonizada) são utilizados
geralmente nas classes de baixa tensão e média tensão (tensões até 34,5 kV).
Nestas tensões, o custo da isolação dos componentes do sistema não é tão
crítico, de forma que o mesmo pode ser isolado de forma a suportar razoavelmente
as sobretensões originadas durante curtos de fase para terra. Esta é a filosofia da
maioria dos países do norte da Europa e de alguns outros fora da Europa, como o
Japão [4].
Por outro lado, para sistemas de alta e extra alta tensão, o custo para
fornecer a isolação necessária torna-se proibitivo e estes sistemas são normalmente
do tipo solidamente aterrado ou aterrado através de baixa impedância. Verifica-se
3
então que é possível utilizar uma variedade de métodos de aterramento, desde que
sejam considerados os aspectos do valor da corrente do curto fase – terra, as
tensões normais e transitórias que surgem durante este defeito, as facilidades de
detecção do defeito e de seu local de ocorrência, a possibilidade de obtenção de
seletividade, e outros aspectos inerentes a cada classe de tensão e da natureza do
sistema elétrico em questão. Desta forma os sistemas de geração, transmissão e
distribuição de concessionárias podem requerer e, em geral requerem, métodos
diferentes de aterramento. Também para uma mesma classe de sistema
(distribuição, por exemplo) a natureza dos aspectos envolvidos altera-se de país
para país.
Estas considerações auxiliam na compreensão do fato de que dois sistemas
de mesma classe podem, dentro ou fora de um mesmo país, serem aterrados de
formas diferentes com desempenho aceitável. Não existe, portanto, um único
método ideal de aterramento, sendo de responsabilidade dos projetistas decidirem a
respeito do método mais conveniente. Para tanto é necessário conhecer de forma
adequada as características do sistema elétrico em estudo, bem como as vantagens
e desvantagens que cada um dos métodos propiciam. Como citado anteriormente, é
muito importante conhecer também os principais tipos de falhas, a natureza e a
origem delas, para assim poder optar por um método que venha a sanar os pontos
fracos do sistema.
1.2
Aspectos Gerais dos Sistemas de Distribuição e o
Método de Aterramento do Neutro
Em todo o mundo os sistemas de distribuição são construídos em média
tensão (tensão entre fases menor ou igual a 34,5 kV), sendo que as tensões de 11
kV (Europa e Japão) e 13,8 kV (Estados Unidos e Brasil) são as mais utilizadas. Em
alguns países são encontradas ainda as tensões de 6 kV, 9 kV, 20 kV, 22 kV, 24 kV,
30 kV.
Uma característica importante dos sistemas de distribuição é que, por razões
econômicas, (devido a sua vasta extensão), são predominantemente aéreos. Nos
centros urbanos dos países desenvolvidos a distribuição é feita com cabos
subterrâneos, enquanto que nas áreas rurais continuam aéreos.
4
No Brasil somente algumas capitais possuem parte do seu sistema
subterrâneo.
Algumas
companhias
de
distribuição
estaduais
introduziram
recentemente nos bairros mais nobres, destas capitais, linhas aéreas com cabos
revestidos de uma capa protetora externa, a qual confere proteção principalmente
contra contatos eventuais com árvores e a vegetação de uma forma geral.
Na Europa, Estados Unidos e Japão a distribuição é do tipo trifásica mesmo
em áreas rurais. No Brasil, nestas áreas, emprega-se, na maioria dos estados, uma
sub-distribuição monofásica, mantendo-se em geral um ramal principal trifásico. Nas
áreas urbanas a distribuição é quase que exclusivamente do tipo trifásica.
1.3
Aterramento do Neutro em Diversos Países
Uma vez eliminada a sobretensão transitória, o aterramento do neutro dos
sistemas de distribuição é escolhido em geral, para atender um compromisso entre
duas situações opostas:
•
Reduzir a corrente de falta a terra, expondo o sistema durante maior
tempo a este defeito e trabalhando no sentido de controlar as dificuldades de
detecção.
•
Aceitar correntes de falta a terra mais elevadas, de mais fácil
detecção, mas desligando o sistema de forma rápida, para evitar os danos
que poderiam ser causados caso não fosse adotado este procedimento.
Portanto, os critérios iniciais de escolha são relacionados com a segurança do
sistema (evitando-se sobretensões transitórias) e a continuidade de serviço. Muitos
outros fatores influenciam no desempenho final, como:
•
Características físicas do sistema (sistema aéreo, subterrâneo,
misto, longo, curto);
•
Densidade e natureza das cargas alimentadas (cargas rurais,
comerciais, industriais, residenciais, existência de alimentação monofásica);
•
Densidade de descargas atmosféricas (nível ceráunico).
5
É importante salientar que o desenvolvimento de novas tecnologias
associadas a uma determinada forma de aterrar o neutro pode alterar
completamente o desempenho dos sistemas de distribuição. Por exemplo, em
sistemas longos, com valores elevados de resistência de aterramento, (caso do
Brasil, França, algumas áreas dos Estados Unidos) e ainda com elevado número de
descargas atmosféricas, o aterramento do neutro de forma sólida, ou mesmo com
resistência de baixo valor apresenta inúmeros inconvenientes, como detalhado a
seguir.
Tabela 1 – Formas de Aterramento do Neutro nos Sistemas de Distribuição pelo Mundo e seu
Desempenho
Distribuição
Alguns
das Tensões
Confiabilidade e
Esquema de
Países Que das Fases Sãs
Sensibilidade das
Aterramento do
Utilizam o
Para a Terra
Neutro
Proteções
Esquema
Durante Um
Curto à Terra
U.S.A,
Sólido, Neutro
Canadá,
Boa
Má
Distribuído
Austrália,
Brasil
Sólido, Neutro
Inglaterra
Má
Boa
não Distribuído
-Boa Para
Redes Muito
Itália, Japão,
Curtas
Neutro Isolado
De Média Para Má
Áustria
-Má Para
Redes Longas
Com Resistor
França,
de Baixo Valor
Médio
Boa
Espanha
(Iøt=300 A)
- Média com
Equipamentos
Alemanha,
Bobina de
Convencionais
Muito Boa
Norte e Leste
Petersen
-Boa com
da Europa
Equipamentos
Especiais
Qualidade do
Fornecimento
Nível de
Isolamento da
Rede
Má
Tensão Simples
(Fase-Neutro)
Má
Tensão Simples
(Fase-Neutro)
Médio
Tensão Plena
(Fase-Fase)
Médio
Tensão Plena
(Fase-Fase)
Boa
Tensão Plena
(Fase-Fase)
Sempre com intuito de melhorar o desempenho dos sistemas de distribuição,
reduzindo-se as falhas e minimizando os efeitos causados pelas mesmas para
diminuir o número de paralisações, muitos estudos a respeito do método de
aterramento do sistema de distribuição vem sendo desenvolvidos. Diversos países
pelo mundo vêm alterando seu método de aterramento para conseguir com isso a
melhora do desempenho do sistema como citado acima. A seguir são mostrados
alguns métodos de aterramento historicamente utilizados pelos diversos países da
6
Europa. Países como Itália, Grécia, Países Nórdicos e outros por muito utilizaram
sistema de distribuição com neutro isolado. Já países com Espanha, Inglaterra,
Holanda normalmente utilizavam sistemas de distribuição com neutro solidamente
aterrado ou aterrado através de impedância de baixo valor. Outros países como
Alemanha e países do leste Europeu vêm optando pelo método de aterramento do
neutro através de bobina ressonante mais conhecida como “Bobina de Petersen”. A
Figura 1 a seguir exemplifica o que foi descrito acima.
Figura 1 – Visão Histórica dos Métodos de Aterramento
do Neutro Utilizados na Europa [5].
Um método de aterramento do neutro que vem ganhando cada vez mais
espaço e sendo cada vez mais utilizado na Europa e em todo mundo é o
7
aterramento através de bobina ressonante. Este método de aterramento apresenta
muitas vantagens no que diz respeito a eliminação de falhas e possíveis danos que
elas podem vir a causar. Assim nos últimos tempos esse método vem sendo
aplicado e cada vez mais aprimorado, pois existem diversas formas de utilização.
Diversos países europeus vêm aumento sua utilização, trocando seus antigos
métodos de aterramento para o método de aterramento através de bobina
ressonante. As Figuras 2 e 3 exemplificam essa evolução.
Figura 2 – Evolução dos Métodos de Aterramento
do Neutro Utilizados na Europa [5].
Como se pode observar um dos primeiros países a realizar a mudança do tipo
de aterramento do neutro foram os Países Nórdicos. Recentemente muitos outros
países europeus resolveram optar também por este método de aterramento,
trocando paulatinamente o método de aterramento por eles utilizado pela bobina
ressonante, sendo que ultimamente a grande maioria das novas instalações já utiliza
8
esse método desde sua concepção. Um panorama mais atual da utilização deste
método nos países europeus pode ser visualizado na Figura 3.
Figura 3 – Panorama Atual e Tendência de Aplicação do Método
de Aterramento do Neutro Através de Bobina Ressonante [5].
Atualmente a grande maioria dos países europeus utiliza o método de
aterramento do neutro através de bobina ressonante. No entanto, em muitos deles
observa-se a coexistência de ambos os métodos. É importante ressaltar que a
principal justificativa para utilização do método de aterramento do neutro através de
bobina ressonante é o melhor desempenho das redes de distribuição frente às
falhas transitórias. Em um estudo e aplicação em sistemas de 34,5 kV como mostra
[6], obteve-se uma melhora substancial no desempenho frente a faltas do sistema,
diminuindo-se em 80 % o número de desligamentos.
9
1.4
Motivação para Realização do Trabalho
O desenvolvimento deste trabalho teve como motivação diversos fatores.
Primeiramente o fato deste tema (Aterramento dos sistemas de distribuição de
energia elétrica) ser um tema desperta grande interesse devido ao fato de ser um
assunto de extrema importância para o bom funcionamento de qualquer sistema
elétrico, assim, a realização de um estudo mais aprofundado neste tema poderia
acarretar um importante acréscimo de conhecimento, o que com certeza axilia o
desenvolvimento profissional.
Outro motivo de grande relevância está no fato da experiência adquirida nos
anos de trabalho no Laboratório de Alta Tensão da Universidade Federal de Itajubá
e principalmente pela vocação deste laboratório para estudos e pesquisa
relacionados a temas como este proposto por esta dissertação. O Laboratório de
Alta Tensão da Universidade Federal de Itajubá a tempos, sob a coordenação do
Professor D.Sc. Manuel Luis Barreira Martinez, vem desenvolvendo estudos e
pesquisas em diversos assuntos relacionados ao setor elétrico, principalmente na
avalição e propostas de melhorias no desempenho de redes aéreas de distribuição e
transmissão de energia. Outras dissertações de mestrado e teses de doutorado
foram e continuam sendo desenvolvidas pelo laboratório em relação a assuntos
como o desempenho de redes, estudos relacionados à suportabilidade à descargas
atmosféricas pelas redes de distribução, T. S. I. (Tensão suportável sob impulso,
antigo NBI, Nível básico de isolação) de estruturas, coordenação de isolamento,
desempenho
de
transformadores
de
distribuição,
isoladores,
pára-raios,
equipamentos eletro-eletrônicos, entre outros, a muito são estudados neste
laboratório, sempre tendo como premissa o aprimoramento e um melhor
desempenho do sistema elétrico em geral, mais especificamente redes de
distribuição, frente aos mais diversos tipos de falhas e desligamentos do sistema,
dando maior ênfase às falhas originadas por descargas atmoféricas.
Como o método de aterramento adotado tem relevante importância no
comportamento dos sistemas elétricos em uma condição de falha à terra, e
estatisticamente a grande maioria das falhas que ocorrem nas redes aéreas de
distribuição de energia elétrica envolvem a terra, um estudo sobre os diversos
10
métodos de aterramento e suas aplicações torna-se necessário quando se almeja
um aprimoramento desse sistema elétrico.
Neste contexto, com uma boa base consolidada para o desenvolvimento
desta dissertação, torna-se possível e atraente o desenvolvimento do trabalho
detalhado nos próximos capítulos.
1.5
Descrição dos Capítulos
Uma explanação a respeito dos sistemas de distribuiçao de energia elétrica
se faz necessário para melhor compreensão do trabalho como um todo. Assim no
Capítulo 2 descrevem-se as características principais dos sistemas de distribuição
de energia elétrica, bem como as diversas topologias adotadas mundialmente e
principalmente no Brasil e suas características construtivas. Outro assunto relevante
descrito neste capítulo diz respeito à proteção adotada nas redes de distribuiçao, os
principais equipamentos e dispositivos empregados, seu princípio de funcionamento,
aplicação, dentre outros detalhes.
O próximo capítulo, o terceiro, descreve as falhas que ocorrem nos sistemas
de distribuição de energia elétrica, fazendo uma introdução geral a respeito da
importância de se estudar, monitorar e principalmente quantificar as falhas que
ocorrem no sistema. Com a atual regulamentação do setor elétrico, a atenção com
respeito às falhas vem ganhando cada vez mais atenção. Neste contexto a
conceituação e classificação das falhas recebe um tratamento considerável, a fim
situar o leitor sobre a legislação atual e suas principais implicações para as
concessionárias de distribuição de energia. No desenvolvimento deste trabalho,
aborda-se também as causas das falhas que ocorrem no sistema, dando maior
ênfase as que possuem maior freqüência. A fim de exemplificar e fixar a importância
da análise das falhas, um estudo estatístico descreve as principais ocorrências e
como essas são tratadas pelas concessionárias de distribuição de energia.
O capítulo quarto tem uma função de relevante importância, que é situar o
leitor sobre os diversos métodos de aterramento existentes e os mais utilizados
mundialmente, descrevendo as principais características, seu desempenho com
relação às sobretensões e as correntes de curto-circuito, especialmente correntes de
defeito para terra, as vantagens e desvantagens de aplicação de cada método.
11
Neste capítulo é possível observar a grande importância que a escolha do método
de aterramento tem para o desempenho do sistema, mais notoriamente no caso de
falhas que envolvam a terra, que são a grande maioria, e também a dificuldade que
se encontra na hora da escolha do método de aterramento do ponto neutro do
sistema. Defini-se também neste capítulo alguns critérios de relevante importância
que devem ser considerados na hora da escolha do método de aterramento a ser
utilizado.
O capítulo quinto introduz o conceito de “Aterramento Ressonante” ou
aterramento através da “Bobina de Petersen”, primeiramente trazendo uma
introdução e o histórico de utilização deste método de se aterrar o neutro do sistema.
A seguir traz as principais motivações que levam a proposta de mudança do método
de aterramento utilizado em algumas redes de distribuição de energia elétrica do
Brasil. Continuando descreve o principio de funcionamento do método de
aterramento ressonante, dando especial atenção ao fenômeno de extinção de arco
em faltas fase à terra. Este capítulo descreve também as diversas formas e
possibilidade de aplicação do conceito de aterramento ressonante, mostrando as
principais evoluções na aplicação do método desenvolvido por W. Petersen,
detalhando o que seria uma concepção moderna para a sua aplicação nos sistemas
elétricos atuais, citando as vantagens e desvantagens e caracterizando as principais
dificuldades de aplicação deste método.
Por fim realiza-se uma análise geral do funcionamento de um sistema de
distribuição que utilize este método de aterramento do ponto neutro, as implicações
para a rede e para os equipamentos, com ênfase para as sobretensões e as
principais mudanças no sistema de proteção utilizado.
12
Capítulo 2 SISTEMAS DE
DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA
ELÉTRICA
2.1
Introdução
A energia elétrica é considerada um insumo básico e fundamental para o
desenvolvimento das mais diversas atividades na sociedade moderna, assim a
distribuição de energia elétrica pode ser considerada um dos serviços de maior
importância para a população.
Sistemas de distribuição de energia elétrica é o nome dado ao conjunto de
equipamentos responsáveis pelo fornecimento de energia elétrica aos consumidores
ligados em um nível de tensão que pode chegar a algumas dezenas de quilovolts
[1]. A necessidade de que a energia elétrica seja fornecida a todos os consumidores
13
de uma forma contínua e com qualidade faz com que os sistemas de distribuição de
energia elétrica apresentem uma topologia bastante complexa. O fornecimento de
energia elétrica aos consumidores é feito através de linhas de distribuição, também
chamadas de alimentadores. Geralmente estas são linhas trifásicas radiais com
tensões entre 10 kV a 40 kV. Ramificações no alimentador podem ser necessárias
para que consumidores mais afastados do seu trajeto possam ser beneficiados. Em
uma área urbana, por exemplo, um alimentador pode possuir várias ramificações e
sub-ramificações, as quais podem ser tanto trifásicas quanto monofásicas. Em
diversos pontos dos sistemas de distribuição de energia estão localizados
transformadores de distribuição, os quais fazem a redução do nível de tensão para
os consumidores de baixa tensão, usualmente 127 V ou 220 V.
Um Sistema de Distribuição, como mostrado de maneira esquemática na
Figura 4, é o último elo no complexo dos Sistemas de Potência, que, finalmente,
entregam a energia elétrica produzida nas centrais aos consumidores, ou seja, é a
parte dos sistemas que esta diretamente em contato com o usuário. O seu
desempenho está intimamente relacionado à concepção, à construção, à qualidade
dos materiais e equipamentos empregados, às condições ambientais, aos danos
causados por terceiro e aos trabalhos de manutenção [7].
Esta diversidade de fatores, aliada ao fato de que o sistema de distribuição
depende da manipulação de uma quantidade imensa de itens, provoca grande
número de interrupções no fornecimento, que nem sempre são de controle das
concessionárias.
14
Figura 4 - Diagrama Unifilar do Sistema Elétrico de Distribuição [8].
2.2
Características Construtivas
O sistema elétrico de distribuição, segundo definição do órgão regulador
ANEEL (Agencia Nacional de Energia Elétrica), compreende todo sistema com nível
de tensão abaixo de 230 kV, porém, ele pode ser decomposto em vários
subsistemas. Esses subsistemas consistem:
-
Sistema de subtransmissão;
-
Subestações de distribuição;
-
Sistemas de distribuição primários;
-
Estações transformadoras;
-
Sistemas de distribuição secundários.
Cada subsistema envolve a utilização de equipamentos com características
específicas e bem definidas para cada função. Neste capítulo é dada maior ênfase
nos sistemas de distribuição primários, principalmente em redes aéreas.
15
2.2.1 Sistema de subtransmissão
Este elo tem a função de captar a energia das subestações de
subtransmissão e transferi-las às subestações de distribuição e aos consumidores,
em tensão de subtransmissão, através de linhas trifásicas operando em tensões,
usualmente, de 138 KV ou 69 kV ou, mais raramente, em 34,5 kV, com capacidade
de transporte de algumas dezenas de MW por circuito, usualmente de 20 a 150 MW.
Os consumidores em tensão de subtransmissão são representados, usualmente, por
grandes instalações industriais, estações de tratamento e bombeamento de água,
entre outros.
O sistema de subtransmissão pode operar em configuração radial, com
possibilidade de transferência de blocos de carga quando de contingências. Com
cuidados especiais, no que se refere à proteção, pode também operar em malha.
2.2.2 Subestação de distribuição
As subestações de distribuição, que são supridas pelas redes de
subtransmissão, são responsáveis pela transformação da tensão de subtransmissão
para a de distribuição primária. Há inúmeros arranjos de subestações possíveis,
variando com a potência instalada.
Assim, em subestações que suprem regiões de baixa densidade de carga,
com transformador da subestação com potência nominal da ordem de 10 MVA, é
bastante freqüente a utilização do arranjo designado por “barra simples”, que
apresenta custo bastante baixo. Este tipo de subestação pode contar com uma única
linha de suprimento, ou, visando aumentar-se a confiabilidade, com duas linhas.
Em regiões de densidade de carga maior aumenta-se o número de
transformadores utilizando-se arranjos de subestações com maior confiabilidade e
maior flexibilidade operacional.
2.2.3 Sistema de distribuição primário
2.2.3.1 Considerações gerais
As redes de distribuição primaria, ou de média tensão, emergem das SEs de
distribuição, podem apresentar diversos níveis de tensão, como mostra Gráfico 1,
com projeto variando de país a país, de região a região, e entre concessionárias
dentro de um país, de acordo com interesses técnicos, econômicos, políticos, sociais
16
ou até mesmo seguindo características históricas. As redes de distribuição são
compostas por redes aéreas ou subterrâneas, a primeira de uso mais difundido,
principalmente por características econômicas e práticas. As redes subterrâneas são
comumente usadas em regiões com grande concentração de carga, como grandes
centros urbanos onde se torna muito difícil a construção de redes aéreas, ou regiões
históricas, onde se pretende conservar as características originais.
Gráfico 1 - Proporção dos Vários Níveis de Tensão Utilizados
para Distribuição em Muitos Países [7].
O Gráfico 2 ilustra a utilização de redes aéreas e subterrâneas em diversos
paises. Pode-se observar que paises com pequena extensão de área geográfica,
como Holanda e Dinamarca, por exemplo, onde a concentração das cargas é maior,
há maior utilização de redes subterrâneas, porém em paises com grande extensão
de área geográfica, como Estados Unidos e Canadá, a utilização dessas redes é
muito pequena, devido à necessidade de grande investimento econômico.
17
Gráfico 2 - Proporção das Redes Aéreas e Subterrâneas em
Áreas Urbanas em Vários Países [7].
As redes aéreas que podem apresentar diversas características construtivas,
são normalmente constituídas de cabos aéreos nus não isolados, na maioria dos
casos, instalados em postes junto às ruas e avenidas. Em função deste tipo de
construção, o número de acidentes e defeitos que resultam em curto circuito ou até
mesmo na queda de condutores é maior do que em sistemas de transmissão [9].
Ainda, a grande extensão dos sistemas de distribuição de energia também influencia
no elevado número de ocorrências que podem levar a interrupção no fornecimento
de energia elétrica. A utilização de cabos protegidos com redes compactas pode
ajudar a diminuir o número de falhas temporárias, como galho de árvore encostandose à rede, etc. Porém devido à grande extensão das redes de distribuição, a
utilização de redes compactas pode se tornar um investimento muito alto,
inviabilizando-se sua utilização. Em regiões onde a carga é concentrada, podem-se
utilizar redes compactas, já em regiões onde os consumidores estão espalhados e
há necessidade de grande extensão de redes, utilizam-se na grande maioria dos
casos, redes com cabos nus.
As redes de distribuição operam, no caso da rede aérea, radialmente, com
possibilidade de transferência de blocos de carga entre circuitos para atendimento
da operação em condições de contingência, devido à manutenção corretiva ou
preventiva. Os troncos dos alimentadores empregam, usualmente, condutores de
seção 336,4 MCM permitindo, na tensão de 13,8 KV, o transporte de potencia
máxima que é de cerca de 12 MVA, que, face à necessidade de transferência de
blocos de carga entre alimentadores, fica limitada a cerca de 8 MVA. Estas redes
18
atendem aos consumidores primários e aos transformadores de distribuição,
estações transformadoras que suprem a rede secundária, ou de baixa tensão.
Dentre os consumidores primários destacam-se indústrias de porte médio, conjuntos
comerciais (“shopping centers”), instalações de iluminação pública, etc. Podem ser
aéreas ou subterrâneas, as primeiras de uso mais difundido, pelo seu menor custo,
e, as segundas, encontrando grande aplicação em aéreas de maior densidade de
carga, por exemplo, zona central de uma metrópole, ou onde há restrições
paisagísticas.
As redes aéreas apresentam as configurações:
-
Primário radial com socorro;
-
Primário seletivo;
E as redes subterrâneas podem ser de dois tipos:
-
Primário seletivo;
-
Primário operando em malha aberta;
2.2.3.2 Redes Aéreas – Primário Radial
As redes aéreas são construídas utilizando-se postes, de concreto, em zonas
urbanas, ou de madeira tratada, em zonas rurais, que suportam, em seu topo, a
cruzeta, usualmente em madeira, com cerca de dois metros de comprimento, cabos
com alma de aço, CAA, ou sem alma de aço, CA, nus ou protegidos. Em algumas
situações particulares, utilizam-se condutores de cobre. Os cabos protegidos contam
com capa externa de material isolante que se destina à proteção contra contatos
ocasionais de objetos, por exemplo, galhos de arvores, sem que se destine a isolar
os condutores. A evolução tecnológica dos materiais isolantes permitiu a substituição
da cruzeta por estrutura isolante, sistema “Spacer Cable”, que permite a sustentação
dos cabos protegidos. Este tipo de construção apresenta custo por quilometro maior
que o anterior. Apresenta como vantagens a redução sensível da taxa de falhas e,
pela redução do espaçamento entre os condutores, a viabilização da passagem da
linha por regiões em que, face à presença de obstáculos, era impossível a utilização
da linha convencional, com cruzeta.
As redes primárias, Figura 5, contam com um tronco principal do qual se
derivam ramais, que usualmente são protegidos por fusíveis. Dispõem de chaves de
19
seccionamento, que operam na condição normal fechada, “chaves normalmente
fechadas, NF”, que se destinam a isolar blocos de carga, para permitir sua
manutenção corretiva ou preventiva. É usual instalar-se em um mesmo circuito, ou
entre circuitos diferentes, chaves que operam abertas, “chaves normalmente
abertas, NA’, que podem ser fechadas em manobras de transferência de carga. Na
Figura 5 estão apresentados dois circuitos que derivam de uma mesma subestação.
Supondo a ocorrência de defeito entre as chaves 01 e 02, do circuito 1, ter-se-á,
inicialmente, o desligamento do disjuntor na saída da SE e, posteriormente, após a
equipe de manutenção identificar o trecho com defeito ela o isola pela abertura das
chaves 01 e 02. Após a isolação do trecho com defeito fecha-se o disjuntor da SE
restabelecendo-se o suprimento de energia aos consumidores existentes até a
chave 01, restando os a jusante da chave 02 desenergizados. Fechando-se a chave
NA de “socorro externo’ 03 restabelece-se o suprimento desses consumidores
através do circuito 02. Destaca-se que o circuito 02 poderia derivar-se de outra SE.
Figura 5 - Diagrama Unifilar de Rede Primária.
Evidentemente o circuito 02 deve ter capacidade para transporte da carga
transferida a mais. Assim um critério usual para a fixação do carregamento de
circuitos, em regime normal de operação, é o de se definir o número de circuitos que
devem receber a carga a ser transferida. Usualmente dois circuitos socorrem um
terceiro, isto implica que o carregamento dos circuitos que devem receber a carga
transferida não correspondem ao limite. Assim, sendo:
20
n
→
número de circuitos que irão absorver carga do circuito em
contingência;
Sterm →
carregamento correspondente ao limite térmico do circuito;
Sreg
carregamento do circuito para operação em condições normais;
→
Resulta para cada um dos circuitos que devem absorver a carga do circuito
em contingências, um carregamento dado por:
S term = S reg +
S reg
n
Donde o carregamento de regime é dado por:
S reg =
n
S term
n +1
Que no caso de dois circuitos de socorro corresponde a 67% da capacidade
do limite térmico. O advento da automação, com chaves manobradas à distancia,
permite aumentar a flexibilidade (maior “n”) e, consequentemente, maior
carregamento dos alimentadores em operação normal, Sreg.
2.2.3.3 Primário Seletivo
Neste sistema, que se aplicam as redes aéreas e subterrâneas, a linha é
construída em circuito duplo. Os os consumidores são ligados a ambos circuitos
através de chaves de transferência, isto é, chaves que, na condição de operação
normal, conectam o consumidor a um dos circuitos e, em emergência, transferem-no
para o outro. Estas chaves usualmente são de transferência automática, contando
com relés que detectam a existência de tensão nula em seus terminais, verificam a
inexistência de defeito na rede do consumidor, e comandam o motor de operação da
chave, transferindo automaticamente o consumidor para outro circuito. Na Figura 6
apresenta-se diagrama unifilar de primário seletivo.
21
Figura 6 - Primário Seletivo.
Neste caso cada circuito deve ter capacidade para absorver toda a carga do
outro, logo, o carregamento admissível em condições normais de operação deve ser
limitado a 50% do limite térmico.
2.2.4 Estações transformadoras
As estações transformadoras são constituídas por transformadores, que
reduzem a tensão primária, ou média tensão, para a de distribuição secundária, ou
baixa tensão. Contam, usualmente, com pára-raios, para proteção contra
sobretensões, e elos fusíveis para a proteção contra sobrecorrentes, instalados no
primário. De seu secundário deriva-se, sem proteção alguma, a rede secundária.
Nas redes aéreas utilizam-se, usualmente, transformadores trifásicos, instalados
diretamente nos postes. Em geral, suas potências nominais são fixadas na série
padronizada, isto é, 10,0 – 15,0 – 30,0 – 45,0 – 75,0 – 112,5 – 150 kVA.
2.2.5 Sistema de distribuição secundário
No Brasil, a tensão de distribuição secundária está padronizada nos valores
220/127 V e 380/220 V, havendo predominância da primeira nos estados das
regiões sul e sudeste e da segunda no restante do país. Pode operar em malha ou
radialmente, e suprem os consumidores instalados em baixa tensão, principalmente
consumidores residenciais, pequenos comércios e indústrias. Alcança, por circuito,
comprimentos da ordem de centenas de metros.
22
2.3
Proteção de Redes Aéreas de Distribuição
2.3.1 Considerações gerais
Os sistemas de distribuição de energia são responsáveis pela ligação entre o
consumidor final e o sistema de transmissão, provendo energia na tensão e
freqüência corretas e na quantidade exata necessária para o consumidor. Para este
último, a energia elétrica fornecida aparenta ser constante e de infinita capacidade.
No entanto, sistemas de energia, especialmente sistemas de distribuição, estão
sujeitos a diversas perturbações causadas por acréscimos de cargas, faltas
ocasionadas por fontes naturais, falhas de equipamentos, etc. O caráter de regime
permanente da energia fornecida ao consumidor é mantido basicamente por dois
fatores: A grande dimensão do sistema frente às cargas individuais e as corretas
ações corretivas tomadas pelos sistemas de proteção em casos de distúrbios [10].
Assim os sistemas de proteção são de fundamental importância no fornecimento de
energia elétrica.
De modo a manter a qualidade do fornecimento de energia elétrica ao
consumidor, os sistemas de proteção devem atender aos seguintes requisitos,
conforme [9]:
•
Seletividade: Somente deve ser isolada a parte defeituosa do sistema,
mantendo em serviço as demais partes;
•
Rapidez: As sobrecorrentes geradas pela falta devem ser extintas no menor
tempo possível, de modo a dificultar que o defeito interfira em outras partes
do sistema e danifique os equipamentos da instalação;
•
Sensibilidade: A proteção deve ser sensível aos defeitos que possam ocorrer
no sistema;
•
Segurança: A proteção não deve atuar de forma errônea em casos onde não
houver falta, bem como deixar de atuar em casos faltosos;
•
Economia:
A
implementação
do
sistema
de
proteção
deve
ser
economicamente viável.
De modo a satisfazer os requisitos acima, a instalação e ajuste dos
equipamentos de proteção em uma linha de distribuição (geralmente chamado de
alimentador) devem levar em conta a existência de cargas e ramificações em seu
23
percurso. Além disso, chaves distribuídas ao longo do sistema podem mudar a
topologia de um determinado alimentador em caso de ocorrência de faltas,
sobrecargas ou manutenções programadas, o que também deve ser considerado na
proteção. Estas características fazem com que freqüentemente haja a necessidade
de instalação de dispositivos de proteção em diversos pontos do sistema.
Com a utilização de vários dispositivos de proteção ao longo do alimentador,
surge outro fator a ser considerado no projeto de sistemas de proteção: A
coordenação dos diversos dispositivos de proteção. A coordenação é necessária
para que somente o dispositivo de proteção mais próximo da falta atue, isolando
esta do resto do sistema, satisfazendo o requisito da seletividade e proporcionando
maior confiabilidade ao sistema. Sua implementação é feita com a escolha e ajuste
adequados dos dispositivos de proteção utilizados [11].
2.3.2 Dispositivos de proteção
Uma das alternativas na busca de altos níveis de confiabilidade de
fornecimento com o melhor custo benefício está na correta utilização dos
dispositivos de proteção existentes nos sistemas de distribuição, os quais devem ser
eficazes e seletivos, pois caso os mesmos não sejam corretamente aplicados podem
vir a interferir diretamente nos indicadores técnicos de continuidade de forma
negativa. Dentre os diversos componentes dos sistemas de distribuição, os
dispositivos de proteção apresentam uma importância fundamental, visto que visam
manter a integridade física não só de equipamentos, mas também dos eletricistas e
da população em geral. A aplicação correta destes dispositivos demanda um tempo
elevado e é extremamente trabalhosa, devido ao seu grande número, bem como ao
fato de que ao se estudar seus ajustes é necessário levar em conta diversos fatores,
tais como, a corrente de carga futura, níveis de correntes de curto-circuito máximos
e mínimos, ajustes dos dispositivos de proteção a jusante e a montante.
Os dispositivos de manobra e proteção tradicionalmente utilizados nas redes
de
distribuição são
as
chaves
fusíveis,
chaves
repetidoras
(religadoras),
seccionalizadoras, chaves unipolares do tipo faca e chaves trifásicas com abertura
sob carga. Estes dispositivos apresentaram nos últimos anos apenas evoluções
construtivas, pois os seus princípios de funcionamento não evoluíram muito. Cada
um destes equipamentos apresenta características próprias de aplicação, operação
24
e ajustes. Para uma melhor compreensão, descreve-se a seguir as suas
características construtivas e operacionais.
2.3.2.1 Chave e Elos Fusíveis
Os elos fusíveis são dispositivos de proteção amplamente utilizados em
sistemas de distribuição. Suas aplicações envolvem basicamente a proteção de
ramais de alimentadores, cargas e transformadores de distribuição. Em caso de
atuação, os fusíveis resultam na súbita interrupção da corrente que circula pelo
circuito, necessitando serem manualmente substituídos para que o sistema volte a
sua condição de operação normal.
O elo fusível atua quando uma corrente de valor acima de sua capacidade de
condução circula pelo elemento fusível, que entra em fusão, interrompendo o
circuito. Apresenta um tempo de atuação que varia de acordo com a intensidade da
corrente. O elemento fusível é o principal componente do elo fusível, formado por um
fio composto de liga de estanho, prata ou níquel-cromo, conforme mostrado na
Figura 7a. Os elos fusíveis são utilizados juntamente com chaves mecânicas que
abrem os contatos em casos de rompimento do fusível, facilitando também a sua
troca e o religamento do circuito. Estas chaves são chamadas chaves fusíveis e um
exemplo delas pode ser visto na Figura 7b. O elo fusível é alojado dentro de um tubo
de fibra isolante o qual é revestido internamente por uma fibra especial. A queima
desta fibra no instante de fusão do elemento fusível produz gases desionizantes
importantes na extinção do arco elétrico que surge no momento em que o circuito é
aberto.
25
Figura 7 – Chave e Elo Fusível [12].
Os elos fusíveis têm a característica inversa na relação tempo x corrente, isto
é, quanto maior a corrente de curto-circuito, menor o tempo de fusão do elo fusível.
Existem diversos tipos de bases para as chaves fusíveis dependendo de sua
aplicação. Para os sistemas de distribuição de energia elétrica, os tipos de bases
mais utilizadas são do tipo A e C, na qual a sua diferenciação está no tamanho, na
sua corrente nominal e capacidade de interrupção de corrente de curto-circuito.
Da mesma forma que as chaves fusíveis, existem diversos tipos de elos
fusíveis que variam de acordo com as suas aplicações. Para os sistemas de
distribuição de energia os mais utilizados são os elos do “TIPO K”. Os elos “TIPO K”
têm características rápidas de atuação e admitem sobrecargas de 1,5 vezes os seus
valores nominais, sem causar excesso de temperatura ou perda de sua
característica “tempo x corrente” (Corrente admissível). Por outro lado, a fusão dos
elos “TIPO K” se dá com duas vezes o seu valor nominal.
Os elos fusíveis não possuem um tempo de atuação exato, pois como a sua
atuação depende da temperatura de fusão do elemento fusível, esta é influenciada
pela temperatura ambiente, corrente de carga, dentre outros. Desta forma o
fabricante determina uma faixa de operação aceitável entre duas curvas. Para um
mesmo elo fusível, existe a curva de tempo mínimo de fusão (T.mín. F) e a curva de
tempo máximo de fusão (T.máx. F). Em resumo, um elo fusível "nunca deve” fundir
antes do T.mín. F e nem ultrapassar o T.máx.F. Desta forma o fabricante estabelece
26
uma faixa de tolerância onde pode ocorrer a fusão, que é chamada de "faixa de
operação" do elo fusível.
Figura 8 - Exemplo de Curvas de Fusão de Elos Fusíveis [12].
O elo fusível deve suportar em regime permanente a carga máxima no ponto
de sua instalação. Sua corrente nominal não deve ser superior a mínima corrente de
falta no trecho a ser protegido, se possível considerando o fim do trecho para o qual
é proteção de retaguarda.
1
K ⋅ In ≤ Ie ≤ .IccΦt min
4
 C% 
K = 1 +

 100 
n
Onde:
In
→
Corrente nominal do trecho;
Ie
→
Corrente nominal do elo;
IccΦt min →
Corrente de fase terra mínimo no final do trecho protegido;
C%
→
Taxa de crescimento anual da carga da região;
n
→
Número de anos previsto;
4
→
Fator de segurança.
27
Para a coordenação fusível x fusível é adotada uma regra de condição de
coordenação. "O tempo mínimo de atuação do fusível protegido/retaguarda ( Tmin )
deve ser maior que o tempo máximo de atuação do fusível protetor ( Tmáx ) com uma
tolerância de 33% de tempo".
Matematicamente isto é expresso da seguinte forma:
Tmáx ≤
Tmin
1,33
Além da condição básica expressa anteriormente, devem ser adotar alguns
outros critérios para que a coordenação fusível x fusível atenda a todos os requisitos
suficientes para uma operação mínima satisfatória. Desta forma, o fusível de
retaguarda (a montante) deve coordenar com o fusível protetor (em estudo), para o
valor de máxima corrente de curto-circuito no ponto de instalação do fusível protetor.
Devido ao curto-circuito fase-terra ser o mais freqüente o elo protegido (retaguarda)
normalmente é coordenado com o elo protetor, pelo menos para o valor da corrente
de curto-circuito fase-terra, no ponto de instalação do elo protetor.
2.3.2.2
Religadores
Os religadores automáticos são amplamente utilizados pelas concessionárias
de distribuição de energia. Seu uso aumentou em função das desvantagens geradas
pela atuação dos elos fusíveis em alguns casos, pois estes não são capazes de
diferenciar uma falta permanente de uma transitória, sendo que estas últimas
representam de 60 a 90% dos casos de falta ocorridos [13]. A atuação dos elos
fusíveis em casos de faltas transitórias gera elevados custos de operação e
principalmente um maior período da interrupção, sendo os índices de qualidade
relacionados avaliados pelas agências reguladoras, podendo resultar em multas
para a empresa.
O religador é um dispositivo que pode ser trifásico ou monofásico e
constituído de chaves controladas e submersas em óleo ou a vácuo. Estas são
ligadas em série no circuito, interrompendo-o de forma temporizada. Após detectar o
defeito através da medida da corrente em seus terminais o religador dispara
rapidamente, abrindo o circuito. Após um determinado tempo os terminais do
28
religador são fechados. Se a falta for de caráter transitório, o sistema continua
operando após um mínimo tempo de interrupção. O processo de abrir e fechar pode
se repetir várias vezes até que a falta seja eliminada. Se o defeito continuar após as
várias tentativas, o religador abre definitivamente seus contatos, isolando a parte
defeituosa do sistema. Os tempos de operação, o número de interrupções, os
ajustes da corrente de disparo e outros parâmetros podem ser facilmente
modificados pelo usuário, resultando em grande flexibilidade e possibilitando a
coordenação com outros dispositivos de proteção, como os fusíveis, por exemplo [6].
A operação do religador não se limita apenas a sentir e interromper os
defeitos na linha e efetuar os religamentos. O religador é dotado também de um
mecanismo de temporização, o qual pode ser ajustado em duas características
distintas, as operações rápidas, que reduzem ao mínimo as possibilidades de danos
ao sistema, evitando ao mesmo tempo a queima de elos fusíveis entre o local do
defeito e o religador e as operações lentas, proporcionando maior tempo para
eliminar defeitos permanentes queimando os elos fusíveis entre o local do defeito e o
religador.
É importante citar que entre um religamento e outro, o sistema permanece por
um curto período de tempo desenergizado, o que para consumidores residenciais,
por exemplo, é quase imperceptível, porém para alguns consumidores industriais
esse período pode comprometer seriamente o processo industrial, acarretando
paradas da linha de produção, perda da qualidade do produto e outros prejuízos
possíveis.
Os religadores são classificados em diferentes classes como monofásicos ou
trifásicos, com controle hidráulico ou eletrônico, com meio de interrupção do arco
elétrico a vácuo, a óleo ou a gás SF6.
29
Figura 9 - Religador Eletrônico [14].
Independentemente de seus princípios construtivos, através de bobinas,
resistores, controles hidráulicos ou eletrônicos, o seu funcionamento está
diretamente relacionado à corrente de falta, obedecendo a um gráfico de “tempo x
corrente”, no qual quanto maior a corrente de falta, menor é o tempo de atuação do
religador.
Normalmente os religadores possuem curvas de atuação e ajustes de
proteção individualizados para defeitos de “fases” (proteção de fase) e para os
defeitos envolvendo retorno por terra, “neutro” (proteção de neutro).
30
Figura 10 - Curvas de Operação [14].
Como os ajustes de proteção dos religadores são divididos em duas
categorias, fase e neutro, os critérios de ajustes são diferenciados. Devido às
configurações construtivas do religador, as proteções de fase são sensibilizadas por
qualquer tipo de defeito, na qual a corrente de falta seja superior a sua corrente de
ajuste (defeitos trifásicos, bifásicos, fase-terra e bifásicos terra). Já a proteção de
neutro somente é sensibilizada pela corrente de falta com retorno por terra, na qual a
corrente de falta seja superior a sua corrente de ajuste (defeitos fase-terra e
bifásicos-terra).
Para a definição dos ajustes de fase dos religadores, devem ser considerados
dois parâmetros:
•
A corrente de partida de fase do religador, corrente a qual o equipamento é
sensibilizado e inicia a contagem de tempo para a interrupção do defeito:
31
1,5 ⋅ I c ≤ I p ≤
I 2F
2
Onde:
Ic – Corrente de carga no trecho;
IP – Corrente de Partida de Fase;
I2f – Corrente de Curto-circuito bifásica.
•
A curva de operação de fase do religador é selecionada de modo a coordenar
com as chaves fusíveis a jusante e a proteção de sobrecorrente de fase do
módulo do alimentador.
Para a definição dos ajustes de neutro dos religadores, também devem ser
considerados dois parâmetros:
•
A corrente de partida de neutro do religador, corrente a qual o equipamento é
sensibilizado e inicia a contagem de tempo para a interrupção do defeito:
(0,1a0,3) ⋅ I c ≤ I p ≤ I1Ftm
2
Onde:
Ic – Corrente de carga no trecho;
IP – Corrente de Partida de Neutro;
I2f – Corrente de Curto-circuito fase terra mínimo.
Onde o termo (0,1 a 0,3) é a faixa admissível de corrente.
•
A curva de operação de neutro do religador é selecionada de modo a
coordenar com as chaves fusíveis a jusante e a proteção de sobrecorrente de
neutro do módulo do alimentador.
32
2.3.2.3
Seccionador Automático
O seccionador automático pode ser definido como:
“Um equipamento utilizado para interrupção automática de circuitos, que abre
seus contatos quando o circuito é desenergizado por um equipamento de proteção
situado à sua retaguarda e equipado com dispositivo para religamento automático”.
Os seccionadores automáticos são dispositivos projetados para operar em
conjunto com os religadores. Basicamente, eles são constituídos de uma chave a
óleo monofásica ou trifásica e possuem a aparência de um religador. Seu controle
pode ser tanto hidráulico quanto eletrônico.
Diferentemente do religador, o seccionador automático não interrompe a
corrente de defeito. Ele é ligado a certa distância do religador, no seu lado de carga.
A cada vez que o religador interrompe um corrente de falta, o seccionador conta a
interrupção, e após um pré-determinado número de interrupções abre seus contatos
antes da abertura definitiva do religador. Desta forma, um trecho sob condições de
falta permanente pode ser isolado, permanecendo o religador e os demais trechos
em situação normal. Além de sua operação normal, o seccionador pode ser operado
manualmente para interromper a corrente nominal de carga e ser empregado como
chave para seccionamento manual de alimentadores [14].
A Figura 11 apresenta uma vista de um seccionador instalado em um sistema
de distribuição de energia.
Figura 11 - Seccionador Automático Instalado [14].
33
2.3.2.4
Relés de Sobrecorrente
Relés de sobrecorrente, conectados conforme mostrado na Figura 12, são
todos os relés que atuam para uma corrente maior que a do seu ajuste.
Nos relés de tempo inverso (51ABC e 51N), a temporização ou retardo de
atuação varia inversamente com a corrente, isto é, quanto maior a corrente de
defeito menor é o tempo de atuação, como se vê na Figura 13. Este comportamento
define as curvas características inversas de um relé de sobrecorrente, denominadas
“Características de tempo x corrente” que são fornecidas pelos fabricantes.
Figura 12 - Característica de Operação dos Relés de Sobrecorrente
A curva característica do relé é geralmente expressa em termos de tempo x
múltiplo do valor de TAP. No eixo vertical estão os tempos expressos em
segundos(s) e no eixo horizontal as correntes de acionamentos em múltiplos do TAP
escolhido, e este passa a ser o valor para o qual o relé começa a atuar.
As curvas características de tempo são denominadas de:
•
Normalmente inverso;
•
Muito inverso;
34
•
Extremamente inverso.
A relação entre tempo e corrente é estabelecida por normas, tais como a IEC
255-4 é expressa por:
t (i ) =
k⋅β
t(i)
→
tempo de operação em segundos
k
→
múltiplo de tempo
i
→
múltiplo da corrente de ajuste
β eα
→
Onde:
iα − 1
constantes específicas de cada tipo de curva
O ajuste da declividade da curva tempo x corrente é determinado pelas
constantes
β eα.
Tabela 2 - Constantes de Declividade
Tipo de Curva
Constante
α
Constante
Normalmente inversa
0,02
0,14
Muito inversa
1,00
13,5
Extremamente inversa
2,00
80,0
β
Do mesmo modo que os religadores, as falhas que não envolvem a terra
(defeitos bifásicos ou trifásicos) são detectadas exclusivamente pelos relés de fase
(50/51ABC), pois não existe a circulação de corrente pelo circuito residual. Os
mesmos devem ter sensibilidade para detectar curtos-circuitos e não devem atuar
para correntes de carga.
35
Figura 13 - Característica de Operação dos Relés de Sobrecorrente Temporizados.
Os relés de sobrecorrente com elementos de operação instantâneas (50 e
50N) são ajustados para detectar defeitos próximos, normalmente de valores
elevados, os quais podem gerar desgastes prematuros e danificar alguns
componentes do sistema. O ajuste de corrente mínima de atuação dos relés de
sobrecorrente de fase deve levar em conta a carga máxima possível da linha
protegida, isso é, a corrente mínima de atuação deve ser superior a corrente de
carga máxima possível, considerando inclusive situações de sobrecarga, desde que
se respeitando o limite operacional do condutor
As falhas que envolvem a terra (defeitos bifásicos-terra ou fase-terra) são
detectadas principalmente pelo relé de neutro (51N e 50N), isso não significa que a
proteção de fase não possa operar. O relé de neutro pode ser ajustado com valores
baixos pelo fato do mesmo não detectar condições de cargas trifásicas equilibradas,
desde que se respeitando a seletividade.
36
Capítulo 3
FALHAS NAS REDES
AÉREAS DE DISTRIBUIÇÃO
3.1
Introdução
O interesse pelo monitoramento da continuidade do fornecimento da energia
elétrica remonta ao início da utilização da própria energia elétrica, principalmente
com o objetivo de proteger dispositivos sensíveis à sua falta. Esse interesse persiste
até os dias de hoje, pois, a despeito dos melhores esforços despendidos pelas
concessionárias, interrupções no fornecimento de energia podem naturalmente
ocorrer.
Os sistemas de distribuição são os últimos elos no complexo sistema de
potência que, finalmente, entregam a energia elétrica, produzida nas centrais
geradoras, aos usuários, ou seja, são a parte do sistema que está diretamente
ligado às instalações consumidoras. O seu desempenho está intimamente
37
relacionado, dentre outros, à concepção do projeto, à construção, à qualidade dos
materiais e equipamentos empregados, às condições ambientais, aos danos
causados por terceiros e aos trabalhos de manutenção e operação.
Esta diversidade de fatores acarreta grande número de interrupções no
fornecimento de energia, que nem sempre são de controle das concessionárias. Por
outro lado, os consumidores tornam-se cada vez mais exigentes quanto ao
fornecimento de energia elétrica, devido à utilização de equipamentos e processos
produtivos vulneráveis às interrupções e às suas necessidades de conforto. Isto leva
as concessionárias a se preocupar com a prestação de um serviço de boa
qualidade, procurando sempre garantir a continuidade do fornecimento. Para cumprir
esse objetivo, é conveniente que, os estudos de avaliação do desempenho dos
sistemas, passem também a incorporar e aprimorar critérios de planejamento,
projeto, construção, operação e manutenção das redes de distribuição, bem como se
preocupem com a melhoria da qualidade dos materiais e equipamentos utilizados.
O fato do setor de distribuição ser um monopólio natural e, portanto, com
características de poder de mercado, implica na necessidade de regulação dos
parâmetros de qualidade no serviço público de fornecimento de energia elétrica.
Além do mais, na atual regulação econômica adotada no Brasil, a remuneração das
distribuidoras é baseada no serviço pelo preço, o que possibilita à concessionária a
apropriação do ganho com minimização do custo. Assim, a regulação deve
contemplar a implantação de padrões mínimos de desempenho, estabelecendo
parâmetros básicos para garantir o fornecimento adequado dos serviços.
Para se estabelecer padrões de qualidade adequados é necessário definir a
real expectativa dos consumidores, isto é, identificar o quanto a sociedade está
disposta a pagar pelos mesmos, pois a melhoria do nível de qualidade implica em
aumento dos custos. A qualidade do serviço prestado pelas empresas do setor
elétrico de distribuição de energia pode ser avaliada nos seguintes grandes
aspectos: a qualidade do atendimento ao consumidor, a qualidade do produto
energia elétrica e a continuidade do fornecimento.
Esses aspectos são pontos básicos para a definição dos diversos critérios de
localização e arranjo das subestações, localização das equipes de serviços, critérios
38
de escolha dos materiais e equipamentos de controle e proteção, regulação de
tensão, e configuração da rede de distribuição.
A qualidade do atendimento abrange a relação comercial existente entre a
concessionária e o consumidor, considerando-se a cortesia, o tempo de atendimento
às solicitações de serviços, o grau de presteza, o respeito aos direitos do
consumidor, entre outros.
A qualidade do produto está relacionada com os fenômenos associados à
forma de onda de tensão, tais como: flutuações de tensão, distorções harmônicas,
variações momentâneas de tensão, entre outros.
A continuidade do fornecimento corresponde à disponibilidade da energia
elétrica ao consumidor e é caracterizada por dois parâmetros: a duração e a
freqüência das interrupções. Vale ressaltar que o termo interrupção é definido como
a descontinuidade do neutro ou da tensão disponível em qualquer uma das fases de
um circuito elétrico que atende a unidade consumidora [15].
O ideal é que não haja interrupção, ou, se houver que seja a mínima possível
e informada ao consumidor em tempo hábil, a fim de prevenir maiores prejuízos
decorrentes da sua falta. Dentre os aspectos de qualidade do serviço prestado,
destaca-se a continuidade do fornecimento de energia, pois ela afeta diretamente os
processos produtivos e acarreta a insatisfação dos consumidores de todas as
classes. Além disso, não se pode falar em melhoria da qualidade do produto, se o
produto nem mesmo foi entregue.
No Brasil, compete à Agência Nacional de Energia Elétrica – ANEEL, regular
os serviços de eletricidade, expedindo os atos necessários ao cumprimento das
normas estabelecidas, promovendo e estimulando dessa forma a crescente melhoria
dos padrões de qualidade a serem cumpridos pelas empresas concessionárias de
distribuição de energia elétrica.
Como parte dos esforços para atingir esse objetivo, foi editada a Resolução
024/2000-ANEEL de 27 de janeiro de 2000 (aprimorada pela Resolução 177/2005ANEEL de 28 de novembro de 2005) [15], que introduziu novos avanços e
reformulou os procedimentos até então existentes de controle da qualidade
39
relacionados às interrupções no fornecimento da energia elétrica com duração a
partir de 3 minutos. As metas dos indicadores de continuidade coletivos, que
expressam os valores vinculados a conjuntos de unidades consumidoras, foram
reduzidas. Também foram fixadas metas mais apertadas para os indicadores
individuais, que são associados a cada unidade consumidora individualmente
considerada, tendo sido inclusive criado mais um indicador para melhor avaliar a
qualidade do fornecimento sob o ponto de vista do consumidor. Para cada indicador
estabelecido
associou-se
um
limite
considerado
adequado
e
prevêem-se
penalidades pela sua violação.
Os indicadores coletivos são particularmente úteis à agência reguladora para
atender suas necessidades de avaliação das concessionárias, enquanto os
individuais servem mais, em especial, ao interesse dos consumidores, para avaliar
especificamente o seu atendimento pela distribuidora.
Vale
ressaltar
que
os
indicadores
são
apurados
pelas
próprias
concessionárias e enviados posteriormente à ANEEL, a qual se encarrega de
auditagens periódicas a fim de verificar a confiabilidade dessas informações.
As organizações almejam continuamente a redução e eliminação das falhas
que estão inerentes aos seus produtos e serviços. Com as empresas de distribuição
de energia elétrica não poderia ser diferente. No entanto, no caso de tais empresas,
a eliminação de falhas além de estar ligada com a busca da vantagem competitiva,
envolve também o atendimento de padrões estabelecidos pelo órgão regulador
ANEEL e a necessidade de se evitar algumas falhas cuja peculiaridade não é
comum a outras empresas. Devido à necessidade de se garantir a disponibilidade de
energia de forma contínua, as empresas deste setor têm ampliado o uso de novas
tecnologias.
Qualquer tipo de serviço, incluindo a distribuição de energia elétrica, pode
conter falhas durante sua prestação. No entanto, falhas mais graves como a
interrupção, podem gerar grandes prejuízos, cuja peculiaridade não é comum a
outros tipos de prestações de serviços. O prejuízo aqui mencionado não significa
apenas a quantidade de dinheiro que a distribuidora deixa de receber quando a
carga é interrompida. A falha pode atingir grandes proporções se afetar indústrias
40
que tenham sua produção comprometida e que possam mover processos judiciais,
implicando em penalidades financeiras contra a concessionária. Piores ainda são os
casos em que as interrupções no fornecimento de energia possam afetar a vida
humana, por exemplo, se a energia for interrompida para um hospital. Logo, a
análise das falhas em empresas do setor elétrico é fundamental, principalmente pelo
aspecto de se evitar a reincidência das mesmas e para garantir a confiabilidade do
sistema, garantindo à população um serviço essencial à qualidade de vida.
Para minimizar os efeitos causados por falhas nos sistemas elétricos de
distribuição, fazem-se necessários estudos sobre: origem, causas, duração, tipo e
principalmente uma quantificação das falhas. Dentro deste contexto, os principais
objetivos a serem alcançados na empresa, com estes estudos são:
• Possibilitar adequada atuação gerencial através do estudo das causas, pois
quanto maior o conhecimento das falhas, menor a chance de haver reincidência das
mesmas. Ou seja, através de conhecimentos mais precisos é possível administrar
adequadamente os recursos da empresa, tanto técnicos quanto materiais.
• Minimizar perdas financeiras devido à carga interrompida: a perda financeira
mencionada aqui não significa apenas o que a empresa deixa de ganhar quando a
carga é interrompida para determinada região. Apesar de esta perda ser enorme, ela
é ínfima quando comparada com processos judiciais que podem ser movidos contra
a concessionária devido a essa descontinuidade e descumprimento de cláusulas
contratuais.
• Aumentar a satisfação do consumidor uma vez que a ANEEL tem um índice
especial para avaliar a satisfação dos consumidores em relação aos serviços
prestados pela sua concessionária. Este índice é denominado IASC (Índice ANEEL
de Satisfação do Consumidor).
• Atendimento mais eficaz às normas do agente regulador uma vez que a
ANEEL estabelece alguns indicadores que as empresas devem respeitar e
continuamente melhorar seus valores. Dentre estes indicadores os mais conhecidos
são o DEC (Duração Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora) e o FEC
(Freqüência Equivalente por Unidade Consumidora) [15]. Com o estudo das falhas
que afetam o sistema de distribuição, a concessionária consegue reduzir os valores
41
do tempo médio de interrupção e da quantidade de interrupções em determinado
período e este fato auxilia na melhoria de tais indicadores.
3.2
Conceituação
Falha em sistemas de distribuição é todo evento que produz a perda de
capacidade de um componente ou sistema desempenhar sua função, levando-os à
condição de operação inadmissível [13]. Dentre as falhas a interrupção do
fornecimento de energia apresenta alta gravidade e influencia negativamente os
índices de continuidade[16].
O termo operação normal assume que não há falhas de equipamento,
nenhum erro de pessoal, ou “acasos fortuitos” [16]. Isto envolve as exigências
mínimas para alimentar a carga existente e certa quantia de carga futura antecipada.
É importante citar, que, em estudos de falhas nos sistemas de distribuição,
onde se devem tomar providências para minimizar danos a equipamentos e
interrupções do serviço quando falhas acontecerem, dois fatores são considerados:
•
Incorporar características de projeto para prevenir e evitar falhas; e
•
Incluir providências para diminuir os efeitos de falhas quando elas ocorrerem.
É impossível ou até mesmo inviável economicamente tentar prevenir
completamente todas as falhas. É muito mais lucrativo, então, deixar algumas falhas
acontecerem e providenciar medidas para diminuir os seus efeitos, e tentar melhorar
o desempenho do sistema de distribuição quando sujeito a falhas.
Deve-se tomar cuidado ao se utilizar o termo “desempenho” ao analisar os
sistemas elétricos de distribuição e seus diversos componentes. Pode-se considerar
o significado da palavra desempenho sob dois aspectos:
1) No sentido restrito, caracterizado pelo comportamento frente aos ensaios
típicos de recepção, ou seja, a constatação de que o desempenho de um
determinado item esteja de acordo com os valores garantidos e especificados
pelo fabricante e pela norma específica;
42
2) No sentido amplo, que é caracterizado não só pelo seu comportamento
perante os ensaios de recepção, mas também pelo seu comportamento no
campo, como parte integrante de um sistema, tendo em vista que, neste caso,
o item pode estar sujeito a outras solicitações que não as especificadas.
Neste trabalho, é sempre considerado o segundo sentido, pois a rede é
analisada como um todo, e o seu comportamento frente às falhas existentes no
sistema.
3.3
Caracterização das Falhas
Para uma melhor operação dos sistemas de distribuição de energia elétrica,
bem como para uma melhor gestão interna dos problemas que podem ocasionar
interrupções no fornecimento de energia, é muito importante que se faça uma
classificação das falhas, pois baseado nesta classificação é que se dimensiona e se
aperfeiçoa a operação das equipes de manutenção em campo.
Os responsáveis envolvidos com a gestão de falhas têm basicamente três
conjuntos de atividades relacionadas: compreensão de quais falhas estão ocorrendo
e por quê? (etapa de detecção); análise das formas de reduzir a probabilidade de
falhas ou minimizar as conseqüências das mesmas (etapa de análise de falhas);
elaboração de procedimentos que auxiliem na recuperação das falhas quando elas
ocorrem. As falhas
são classificadas como: momentâneas, transitórias
e
permanentes. Na Tabela 3 são apresentadas as distribuições percentuais das faltas
que ocorrem nos sistemas de distribuição, onde se pode ver que a maioria dos
defeitos que ocorrem nos sistemas aéreos de distribuição é do tipo que envolve a
terra (fase-terra) na forma de defeitos transitórios.
Tabela 3 - Composição Probabilística das Falhas
no Sistema de Distribuição Copel.
Trifásicos
Total
Permanentes
Transitórias
2%
95%
5%
43
Bifásicos
11%
70%
30%
Fase/terra
79%
20%
80%
Outros
8%
-
-
Os dados da Tabela 3 foram retirados de relatórios estatísticos da Copel [17].
3.3.1 Falha momentânea
É aquela que ocorre num curto espaço de tempo, em geral um décimo de um
semi-ciclo da freqüência da rede, aonde o religador de uma subestação não chega a
ser acionado [13]. Neste caso, nem sempre é feito uma manutenção corretiva por
não haverem dados que confirmem o evento, a não ser por relatos de consumidores,
ou por não haver necessidade da mesma. Este tipo de falha é a causadora do maior
número de defeitos em equipamentos comerciais, industriais e domésticos, pois
resulta nos chamados impulsos na rede, que chegam a valores em torno de 800 V,
na baixa tensão, e são conhecidos como “spikes” [18].
3.3.2 Falha transitória
Uma falha transitória por sua vez, também ocorre em um curto intervalo de
tempo, porém com um maior período de duração. Neste caso, o religador na
subestação controla para que não haja maiores efeitos sobre a linha de distribuição.
Segundo o Comitê de Distribuição - Eletrobrás (1982) [1], uma falha transitória é
aquela que causa uma interrupção com tempo máximo de duração de 3 minutos. Já
de acordo com a resolução Nº 024 [15] da Agencia Nacional de Energia Elétrica
(ANEEL), este tipo de falha (com mesmo tempo de duração máxima), é definida
como interrupção de curta duração, que não é computada para os cálculos dos
índices de continuidade. Porém o senso prático, e a experiência obtida com estudos
[20], permite concluir que uma falha transitória pode ser definida como:
“Falha transitória é uma falha onde as condições de operação normal do
sistema podem ser restituídas, ou seja, o defeito em algum componente do sistema
que originou a falha pode ser eliminado”.
Nestes casos, tem-se como exemplos um galho batendo no cabo da rede, ou
o choque de dois cabos. É importante ressaltar que a possibilidade de haver uma
reversão da falha não implica que haja uma restituição das condições operativas do
44
sistema, pois em muitos casos uma falha transitória pode evoluir para uma falha
permanente, onde há necessidade de desligamento do sistema pelos dispositivos de
proteção.
3.3.3 Falha permanente
Uma falta permanente é aquela onde o defeito permanece sem a
possibilidade do sistema restituir a condição de operação normal. O sistema afetado
por ela deve ser desligado, ou seja, deve-se desconectar o ramal ou equipamento
do restante do sistema para evitar danos maiores devido à permanência do defeito.
Neste caso ocorre um defeito que o religador na subestação detecta o curto-circuito
franco e impede que o circuito seja religado.
Quando acontece esse tipo de falha, grupos de manutenção são acionados e
se deslocam até o local o mais rápido possível para realizarem a manutenção do
sistema e a remoção da falha, fazendo com que o sistema esteja apto novamente
para operação normal, evitando assim que consumidores deixem de serem
atendidos.
Segundo o Comitê de Distribuição - Eletrobrás (1982) [1], uma falha
permanente é aquela que causa uma interrupção com tempo de duração maior ou
igual a 3 minutos. Já de acordo com nova resolução Nº 024 [15] da Agencia
Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), este tipo de falha (com as mesmas
características), é definida como interrupção de longa duração, que é computada
para os cálculos dos índices de continuidade.
3.4
Causas de Falhas
Para uma correta mensuração dos níveis de confiabilidade dos sistemas de
distribuição, se torna necessária a compreensão das causas das interrupções de
energia e suas conseqüências para o sistema de distribuição. Deste modo, através
de conhecimentos mais precisos torna-se possível administrar adequadamente os
recursos da empresa, tanto técnicos quanto materiais.
No Brasil, os sistemas de distribuição de energia elétrica são compostos em
sua grande maioria por redes aéreas, devido a esse fato, eles estão sujeitos a uma
variedade muito grande de fatores que podem ocasionar falhas.
45
Na Tabela 4 é apresentada a distribuição percentual dos fatores que originam
as faltas nos sistemas de distribuição, onde se pode verificar que a maioria dos
defeitos, para o caso de sistemas aéreos de distribuição, é originária de fenômenos
naturais (ventos e descargas atmosféricas),
Tabela 4 - Porcentagem dos Fatores que Geram Falhas no Sistema de
Distribuição.
Causas
Percentual
Árvores e Ventos
Descargas Atmosféricas
Falhas de Equipamentos
Erros Humanos
Falhas de Isoladores
Objetos Estranhos
46%
19%
11%
9%
6%
2%
6%
Outras Causas
Os valores da Tabela 4 foram retirados dos relatórios estatísticos gerados na
Copel [17] e do Livro: Curto Circuito de Geraldo Kindermann [22].
Tendo como base [20], onde se fez um estudo em vários ramais da rede de
uma Concessionária de distribuição de energia elétrica para se levantar o número de
falhas e principalmente as causas associadas às mesmas em certo período,
procurou-se definir duas classes de defeitos: Defeitos Primários e Defeitos
Secundários.
São considerados Defeitos Primários aqueles cujas causas são as seguintes:
- Chuva;
- Descarga atmosférica;
- Contaminação;
- Surto de tensão;
- Surto de manobra;
- Surto de tensão não identificado;
- Falha de materiais;
46
São considerados Defeitos Secundários aqueles cujas causas são as
seguintes:
- Inundação;
- Queda / Crescimento de árvores;
- Animais;
- Terceiros;
- Furtos de material da empresa;
- Choque de veículos;
- Papagaio;
- Balões;
- Falha de equipamento da concessionária;
- Aplicação incorreta de equipamento;
- Deterioração de equipamento por envelhecimento / excesso de uso;
- Causas não classificadas;
- Manobras por serviço programado com aviso.
A Tabela 5 mostra os resultados da análise das falhas, no período de 2004 a
2005, associadas às causas primárias, secundárias e totais para diversos ramais da
concessionária de distribuição de energia.
47
Tabela 5 - Análise de Falhas em Concessionária de Energia Elétrica
Circuito
CAUSAS PRIMÁRIAS
CAUSAS SECUNDÁRIAS
CAUSAS TOTAIS
COT-106
4.00 FALHAS
34.00 FALHAS
38.00 FALHAS
PAR-106
1.00 FALHA
29.00 FALHAS
30.00 FALHAS
AUT-114
NENHUMA FALHA
3.00 FALHAS
3.00 FALHAS
VGR-2302
2.00 FALHAS
13.00FALHAS
15.00FALHAS
BSI-110
NENHUMA FALHA
10.00 FALHA
10.00 FALHAS
PSD-106
4.00 FALHAS
21.00 FALHAS
25.00 FALHAS
MAT-104
NENHUMA FALHA
3.00 FALHAS
3.00 FALHAS
CAT-107
1.00 FALHA
5.00 FALHA
6.00 FALHA
GNA-111
3.00 FALHAS
13.00 FALHAS
16.00 FALHAS
COT-111
2.00 FALHAS
7.00 FALHAS
9.00 FALHAS
JOR-102
9.00 FALHAS
38.00 FALHAS
47.00 FALHAS
NAC-102
1.00 FALHA
12.00 FALHAS
13.00 FALHAS
CUP-105
NENHUMA FALHA
11.00 FALHAS
11.00 FALHAS
VGR-2301
34.00 FALHAS
152.00 FALHAS
186.00 FALHAS
IVI-102
10.00 FALHAS
23.00 FALHAS
33.00 FALHAS
JUQ-106
17.00 FALHAS
98.00 FALHAS
115.00 FALHAS
PAR-104
10.00 FALHAS
24.00 FALHAS
34.00 FALHAS
PAR-105
1.00 FALHAS
4.00 FALHAS
5.00 FALHAS
Os valores da Tabela 5 foram retirados de [20].
3.5
Estatísticas das Falhas
Para se ter um conhecimento mais profundo a respeito das falhas e sua
implicação no sistema de distribuição, empregam-se com freqüência técnicas e
ferramentas estatísticas para auxiliar nos estudos das falhas. A necessidade cada
vez maior em melhorar a qualidade do serviço e a satisfação dos clientes tem
popularizado esses métodos e técnicas. Estas ferramentas têm como objetivo
melhorar a confiabilidade de produtos ou processos, ou seja, aumentar a
probabilidade de um item desempenhar sua função sem falhar.
Os estudos e dados estatísticos são de extrema importância para as
concessionárias de energia elétrica, pois ajudam a responder e avaliar questões
como: o que esta acontecendo no sistema? Onde e porque estão ocorrendo
problemas?
48
Essas respostas devem ser obtidas para subsidiar os mais diversos setores
das concessionárias (gerencial, de operação, de planejamento, de construção, etc.)
no sentido de, entre outros pontos:
• Avaliar continuamente a confiabilidade histórica dos sistemas;
• Comparar a confiabilidade do serviço atual com aquela inerente a
qualquer mudança na filosofia geral do projeto, operação, manutenção e
administração;
• Prever aumento ou redução da confiabilidade que pode resultar do fato
de se investir ou não na melhoria do sistema;
• Aumentar a solidez das comparações de alternativas de fornecimento
tais como: traçado do alimentador, seccionalização, chaveamento automático,
configurações radias ou malha, etc.
• Melhorar os projetos de sistemas, através de identificação e modificação
de parâmetros e componentes que tem efeito marcante na confiabilidade do serviço;
• Identificar programas de manutenção que resultem em melhorias na
confiabilidade do serviço;
• Estabelecer metas administrativas e informações objetivas referentes à
confiabilidade do serviço.
Os objetivos da otimização da confiabilidade estão relacionados com a
redução do tempo de restabelecimento de energia, considerando o seu impacto na
quantidade de “clientes horas” sem energia, no valor de energia não faturada e nos
índices de continuidade da ANEEL. Neste estudo não se considera os prejuízos com
ações judiciais e outras, devido à dificuldade de mensuração das mesmas.
Uma característica muito importante em análises com auxilio estatístico é a
possibilidade de prever o comportamento do sistema de acordo com épocas do ano,
apesar da quantidade de falhas variarem, é possivel retirar conclusões muito
importantes a respeito da evolução das falhas. Ao se analisar o Gráfico 3, pode-se
observar um comportamento semelhante ao longo dos anos do histórico, sendo que,
o número de eventos se acentua a partir do mês de setembro até dezembro (para
região estudada). Os dados do Gráfico 3 foram retirados de [21], onde foram
analisados os registros de interrupções de uma das distribuidoras de energia elétrica
49
do Estado do Rio Grande do Sul. Foram consideradas as interrupções na forma de
emergências nas redes de distribuição de média tensão (15 e 25 kV) ocorridas nos
anos de 2002, 2003, 2004 e 2005. A distribuidora em análise apresenta uma média
mensal de 2000 interrupções de origem emergencial na média tensão.
Gráfico 3 - Número de Ocorrências por Mês [21].
Nos sistemas de distribuição de energia elétrica aéreos existem diversas
interferências externas que influenciam em seu desempenho, as quais são de difícil
mensuração, tais como vandalismos, furtos de rede, vegetal, isoladores, postes
podres, ligações clandestinas, entre outros. Estas anomalias variam de região para
região, assim, em muitas análises costuma-se subdividir o sistema em blocos,
utilizando os dados estatísticos referentes a cada bloco. Esta abordagem possibilita
uma mensuração mais precisa da estimativa de energia não fornecida e dos
consumidores interrompidos.
Em estudos para otimização dos processos, com intuito de auxiliar a
concessionária na gestão das falhas, para melhor utilização e despacho das equipes
de manutenção, os dados estatísticos mais importantes na análise de confiabilidade
são as taxas de falhas e os tempos médios de despacho, deslocamento e
manutenção, agregados ao número de consumidores e a energia não fornecida.
50
3.5.1 Taxa de Falhas (w0)
Um dos fatores mais importantes para análises de confiabilidade é a
freqüência de falhas em que o sistema em estudo está submetido. Esta freqüência
de defeitos pode ser quantificada através de um indicador denominado de Taxa de
Falhas, que pode ser definido como sendo o número de falhas na rede (primária) em
um determinado período, pela quilometragem total de rede primária do determinado
sistema.
ωo =
∑F ,
l∑
Onde:
ω o ; Taxa de Falhas;
∑F ;
Somatório das falhas emergenciais da rede primária durante
determinado período (geralmente um ano);
l ∑ ; Comprimento total do circuito de estudo em quilômetros.
Os sistemas de distribuição podem ser divididos em dois grandes grupos,
sendo eles: Redes de Distribuição Urbana, ouseja, a parte de um sistema de
distribuição destinada ao fornecimento de energia elétrica a consumidores situados
em zona urbana e Redes de Distribuição Rural, ou seja, a parte de um sistema de
distribuição destinada ao fornecimento de energia elétrica a consumidores situados
no meio rural, isto é, locais afastados dos centros urbanos, com baixa densidade
demográfica, baixa demanda de energia elétrica e predominância de propriedades
rurais.
Se observarmos o Gráfico 4 é possivel verificar o grande número de
ocorrências emergenciais nos sistemas de distribuição Rural em comparação aos
sistemas de distribuição urbano.
51
Ocorrências Médias x Mês - 2005
30.00
25.00
20.00
Rural
Urbano
15.00
10.00
5.00
0.00
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Mês
Gráfico 4 - Número de Ocorrências Emergenciais em 2005 [21].
Em contrapartida, devido ao fato das redes rurais apresentarem uma
extensão de rede muito superior as redes urbanas, a sua taxa de falhas é menor,
conforme se pode verificar pelo Gráfico 5.
Taxa de Falhas Média x Mês - 2005
0.40
0.35
0.30
0.25
Rural
Urbano
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Mês
Gráfico 5 - Taxa de Falhas Emergências em 2005 [21].
3.5.2 Tempo Médio de Despacho ( τdesp)
O Tempo Médio de Despacho é definido como sendo o intervalo entre o
registro da reclamação de falta de energia pelo cliente ao “Call Center” até o
momento em que o operador do Centro de Operações da Distribuição - COD realiza
a solicitação de deslocamento da equipe de eletricistas.
52
O tempo de despacho está relacionado diretamente à capacidade operacional
de cada empresa, pois depende do número de equipes disponíveis para
atendimento. Existem outros fatores que também influenciam no tempo de
despacho, tais como, o número de eventos coincidentes, condições climáticas, local
do evento e até mesmo o tipo de intervenção necessária.
Através do Gráfico 6 é possível ver a clara relação entre o tempo médio de
despacho e o número de ocorrências no sistema.
Gráfico 6 - Número de Ocorrências x Tempo de Despacho [21].
Além da relação direta com o número de ocorrência, através do Gráfico 7 é
possível verificar a diferença entre os tempos de despacho para os eventos na
região urbana em relação aos eventos da região rural.
53
Gráfico 7 - Tempos Médios de Despacho por Região [21].
Esta diferença ocorre devido à priorização definida pela distribuidora, na qual,
os eventos nas regiões urbanas apresentam uma prioridade de atendimento maior
em relação as regiões rurais, visto o elevado número de consumidores e a maior
densidade de carga em relação as regiões rurais.
3.5.3
Tempo Médio de Deslocamento (ττdesl)
O Tempo Médio de Deslocamento é definido como sendo o intervalo entre o
momento em que o operador do COD realizou a solicitação de deslocamento até o
momento da localização do defeito pela equipe de eletricistas. O tempo de
deslocamento depende muito das características do defeito, ou seja, se é de fácil
localização do tipo condutor rompido, ou se é de difícil localização do tipo isolador
perfurado.
Pode-se observar pelo Gráfico 8, que o tempo médio de deslocamento não
varia muito ao longo do ano, salientando que o mesmo independe do número de
ocorrências e sim da quilometragem a ser percorrida em busca da localização do
defeito.
54
Tempo Médio de Deslocamento x Mês
1:04:48
0:57:36
0:50:24
Horas
0:43:12
2002
0:36:00
2003
0:28:48
2004
2005
0:21:36
0:14:24
0:07:12
0:00:00
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Mês
Gráfico 8 - Tempo Médio de Deslocamento [21].
A análise dos tempos de deslocamento primeiramente foi realizada para as
regiões consideradas como Rurais e Urbanas. Esta distinção é necessária devido às
características próprias de cada região, tais como vias de acesso e condições das
rodovias, como mostra o Gráfico 9, esses tempos são maiores para as regiões
rurais, devido principalmente a maior extensão das redes rurais.
Pode-se observar que não houve alterações significativas durante os meses
do ano no tempo médio de deslocamento para as regiões urbanas, evidencializando
assim que as condições climáticas não interferem na localização dos defeitos em
regiões urbanas. Já para as regiões rurais, pode-se observar um pequeno acréscimo
no tempo médio de deslocamento, justamente devido às condições das vias de
acesso, as quais geralmente não apresentam calçamento adequado, reduzindo a
velocidade média dos veículos em condições climáticas adversas.
55
Gráfico 9 - Tempo de Deslocamento por Região [21].
Já a causa do defeito se torna importante na análise do tempo médio
de deslocamento, pois existem causas de difícil identificação e visualização, tipo
isolador perfurado, vegetal em pequena quantidade, pára-raios danificado, entre
outros.
Ao se observar o Gráfico 10 percebe-se que uma das causas que deveria ter
um menor tempo de despacho devido a fácil localização do defeito, apresenta o
maior tempo médio (por exemplo um poste danificado). Isso ocorre devido ao fato de
que as equipes de eletricistas desta concessionária são na maioria caracterizadas
como equipes leves (com caminhonetes). Quando a equipe localiza o defeito com
causa estrutural, é necessário direcionar a ocorrência para uma equipe de
emergência pesada (com caminhão), desta forma o tempo de despacho é
contabilizado até o inicio da manutenção por este tipo de equipe, sendo o tempo
total de mobilização dos dois tipos de equipe computado.
56
Gráfico 10 - Tempo de Deslocamento x Causa da Ocorrência [21].
3.5.4
Tempo Médio de Manutenção
O Tempo Médio de Manutenção é definido como sendo o intervalo entre o
momento da localização do defeito até a sua correção e o restabelecimento do
fornecimento de energia. No momento da localização do defeito a equipe de
eletricistas informa ao COD a causa do defeito e os procedimentos necessários para
a sua correção. O tempo médio de manutenção apresenta uma relação direta com a
causa da ocorrência, pois cada tipo de defeito apresenta uma ação de correção
específica, assim ele sofre pouca influência da sazonalidade.
As redes de distribuição no Brasil, por apresentarem características
construtivas predominantemente aéreas e com cabos descobertos, estão sujeitas a
proximidade de vegetação e descargas atmosféricas diretas e induzidas. Estas
particularidades submetem as redes de distribuição a diversas falhas de
característica transitórias. Os sistemas atuais de cadastro das concessionárias do
estado do Rio Grande do Sul, não registram as ocorrências as quais foram
restabelecidos de forma automática pelas proteções com religamento, desta forma a
quantidade de defeitos de origem transitória é muito maior do que o apresentado.
Alguns autores [13] [16] [17] afirmam que os defeitos transitórios podem representar
até 90% dos defeitos nas redes aéreas de distribuição.
57
3.6
Análise da Qualidade da Energia Relacionada às Falhas
nos Sistemas de Distribuição.
Devido ao fato da energia ser um recurso básico ao desenvolvimento, a
distribuição de energia elétrica tornou-se um dos serviços de grande importância
para a população. Esta enorme importância exige muita responsabilidade e
monitoramento de todos os tipos de detalhes, para que a qualidade do serviço não
seja afetada.
A qualidade do setor elétrico de distribuição esta relacionada ao desempenho
das concessionárias no fornecimento de energia elétrica; seus principais parâmetros
são: a conformidade, o atendimento ao consumidor e a continuidade.
Esses parâmetros são pontos básicos para a definição dos diversos critérios
de localização e arranjo das subestações, critérios de escolha dos materiais e
equipamentos de controle e proteção, regulação de tensão, e configuração da rede
de distribuição. A conformidade está relacionada com os fenômenos associados à
forma de onda de tensão, tais como: flutuações de tensão, distorções harmônicas e
variações momentâneas de tensão.
O atendimento abrange a relação comercial existente entre a concessionária
e o consumidor, considera a cortesia, o tempo de atendimento às solicitações de
serviços, o grau de presteza e o respeito aos direitos do consumidor. A continuidade
corresponde ao grau de disponibilidade de energia elétrica ao consumidor. O ideal é
que não haja interrupção no fornecimento de energia elétrica, ou se houver que seja
a mínima possível e informada ao consumidor em tempo hábil, a fim de prevenir
possíveis prejuízos decorrentes da falta de energia. Dentre os parâmetros de
qualidade pode-se considerar a continuidade o de maior relevância, porque afeta o
cotidiano das pessoas e causa grandes transtornos por comprometer serviços
essenciais.
Basicamente todos os tipos de clientes consideram que a confiabilidade no
fornecimento da energia elétrica é de importância fundamental, afetando em todos
os aspectos de funcionamento da sua vida, os domésticos e os sociais. Apesar de
que todos os clientes gostariam de ter a confiabilidade total, e de nunca perder o seu
58
fornecimento, nem mesmo por um período breve, as autoridades estão cientes que,
tecnicamente e financeiramente este seria um alvo impossível. Hoje em dia, o cliente
é conscientizado sobre toda a perda ou inconveniência financeira que ele ou pode
sofrer em conseqüência de uma interrupção no fornecimento de energia. Os efeitos
da perda no fornecimento variam com o grupo dos clientes. Em estudos realizados
[16], há uma indicação em escala dos valores que os clientes estariam sujeitos na
perda do fornecimento de energia elétrica, como é possíve observar no Gráfico 11:
Gráfico 11 - Custo de interrupção por classe de clientes [24].
A ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica) tem como finalidade regular
a prestação dos serviços de energia elétrica no Brasil, expedindo os atos
necessários ao cumprimento das normas estabelecidas pela legislação em vigor,
estimulando a melhoria dos serviços, zelando pela sua boa qualidade e observando
os princípios de proteção e defesa do consumidor. Para monitorar a qualidade da
distribuição de energia elétrica, vinculada ao princípio da continuidade, foram
estabelecidos os indicadores citados na resolução n° 24, de 27 de janeiro de 2000
da ANEEL. Os indicadores de continuidade estão divididos em indicadores de
59
continuidade de conjunto (DEC e FEC) e indicadores de continuidade individuais
(DIC, FIC, DMIC), que estão explicados à seguir, segundo a Resolução n° 24 (2000):
• Duração Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora (DEC):
Intervalo de tempo que, em média, no período de observação, em cada unidade
consumidora do conjunto considerado ocorreu descontinuidade da distribuição de
energia elétrica.
• Freqüência Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora
(FEC): Número de interrupções ocorridas, em média, no período de observação, em
cada unidade consumidora do conjunto considerado.
•
Duração de Interrupção Individual por Unidade Consumidora (DIC):
Intervalo de tempo que, no período de observação, em cada unidade consumidora
ocorreu descontinuidade da distribuição de energia elétrica.
•
Duração Máxima de Interrupção Contínua por Unidade Consumidora
(DMIC): Tempo máximo de interrupção contínua, da distribuição de energia elétrica,
para uma unidade consumidora qualquer.
•
Freqüência de Interrupção Individual por Unidade Consumidora (FIC):
Número de interrupções ocorridas, no período de observação, em cada unidade
consumidora.
Além dos índices de continuidade existem também outros, como os citados na
Resolução n° 505 [23], de 26 de novembro de 2001, que têm por finalidade
monitorar a conformidade dos níveis de tensão de energia elétrica em regime
permanente. Estes indicadores também se dividem em indicadores individuais (DRC
e DRP) e indicador coletivo (ICC), explicados cada um a seguir, de acordo com a
Resolução n° 505 (2001):
• Duração Relativa da Transgressão de Tensão Crítica (DRC): indicador
referente à duração relativa das leituras de tensão, nas faixas de tensões críticas, no
período de observação definido, expresso em percentual.
•
Duração Relativa da Transgressão de Tensão Precária (DRP):
indicador referente à duração relativa das leituras de tensão, nas faixas de tensões
precárias, no período de observação definido, também expresso em percentual.
60
•
Índice de Unidades Consumidoras com Tensão Crítica (ICC):
percentual da amostra com transgressão de tensão crítica.
Como pode ser percebido através dos índices apresentados, a ANEEL exerce
um controle extremamente rigoroso sobre as concessionárias, que pode acarretar
em sérias multas para as mesmas. Este controle tem por objetivo garantir a
qualidade da energia, ou seja, incentiva as distribuidoras de energia a evitarem ao
máximo a ocorrência de falhas.
É importante se ter em mente, que, com a grande variedade das atividades
industriais e com o avanço tecnológico da indústria, os sistemas estão ficando cada
vez mais integrados, assim se um dispositivo proporciona algum problema, as
conseqüências serão mais relevantes [24]. Os sistemas industriais utilizam uma
grande quantidade de equipamentos eletrônicos sensíveis a afundamentos de
tensão. Esses afundamentos na maioria das vezes são causados por falhas remotas
[25], que não chegam a interromper o fornecimento de energia, mas podem ser tão
danosos à industria quanto as interrupções, e ocorrem com maior freqüência. Assim
o impacto total é mais expressivo. Um consumidor pode estar até nove vezes mais
suscetível a experimentar um afundamento de tensão do que uma interrupção
momentânea [25]. Logo, as concessionárias devem se preocupar cada vez mais
com a seguridade do sistema.
Uma vez que os consumidores tornam-se cada vez mais exigentes quanto ao
fornecimento de energia elétrica devido à utilização de equipamentos vulneráveis às
interrupções e às suas necessidades de conforto. Isto leva as concessionárias a se
preocupar com a prestação de um serviço de boa qualidade, procurando sempre dar
continuidade ao fornecimento. Para cumprir este objetivo, é conveniente que não só
passem a avaliar o desempenho do sistema, como também a atuar no sentido de
aprimorar os critérios de planejamento, projeto, construção e manutenção das redes
de distribuição, como também se preocupar com a melhoria da qualidade dos
materiais e equipamentos utilizados.
61
Capítulo 4 ATERRAMENTO DE
REDES
4.1
Conceituação
O termo aterramento se refere a terra propriamente dita ou a uma grande
massa que se utiliza em seu lugar. Quando se fala que algo está “aterrado”, quer-se
dizer que, pelo menos, um de seus elementos está ligado a terra.
O aterramento do sistema de distribuição é muito importante, particularmente
porque a maioria das grandes falhas envolve a terra. Assim, o aterramento tem um
efeito significativo na proteção de todos os componentes do sistema. O aterramento
está presente nos diferentes níveis do sistema, como é possível ver na Figura 14.
Segundo definição do NEC [26], o aterramento de sistema é uma conexão
para a terra de um dos condutores de corrente de um sistema de distribuição. O
62
aterramento do neutro do sistema é a conexão para a terra do ponto neutro ou dos
pontos neutros de um circuito, transformador, máquinas rotativas, ou sistema.
Figura 14 - Sistemas Aterrados [30].
Com o aumento crescente da malha de atendimento ao consumidor em nível
de
distribuição,
o
manutenção/operação
aterramento
vem
do
Isto
sistema.
se
tornando
ocorre
devido
prioritário
à
para
a
maior incidência
probabilística de descargas atmosféricas nos condutores de energia elétrica,
principalmente na malha rural. Pode-se citar como finalidades do aterramento:
•
A segurança do pessoal e de terceiros;
63
•
Minimizar os esforços térmicos e de tensão nos equipamentos;
•
Limitar os gradientes de potencial, como os potenciais de passo1 e de
toque2, durante as faltas para terra, para proteção pessoal e de
equipamentos elétricos;
•
Estabilizar os circuitos de potencial em relação à terra;
•
Proteção dos equipamentos da rede;
•
Sensibilização dos equipamentos de proteção (curtos-circuitos fase
terra, sobretensão, etc.);
•
Estabilizar a tensão durante transitórios no sistema elétrico provocado
por faltas a terra, chaveamentos, etc.;
•
Funcionamento em regime permanente dos equipamentos elétricos que
possuem
o
neutro
como
retorno
de
corrente
(equipamentos
monofásicos), etc.
Durante a operação normal de um sistema elétrico o método de aterramento
do neutro não tem influência relevante. No entanto, na ocorrência de faltas á terra,
as conseqüências para o sistema elétrico dependem fundamentalmente da forma
escolhida para se aterrar o neutro, que afeta duas das características essenciais da
operação do sistema elétrico que são:
A severidade das sobretensões e a intensidade das correntes que
circulam em caso da falta a terra.
As sobretensões naturalmente afetam a vida da isolação. Quanto maior for a
quantidade de sobretensões existentes em um sistema, seja por manobras
(chaveamentos),
descargas
atmosféricas
diretas
e
indiretas,
sobretensões
produzidas durante a ocorrência e eliminação de faltas á terra, descargas entre
1
Potencial de passo: É a diferença de potencial que aparece, no momento de uma falta para
terra, entre dois pontos, situados no chão, distantes de um metro [31].
2
Potencial de toque: É a diferença de potencial, no instante de uma falta à estrutura, entre o
ponto tocado por um homem e seus pés, considerados a um metro da estrutura [31].
64
enrolamentos primário e secundário dos transformadores e outras, menor é a vida
da isolação do sistema como um todo, e, portanto, maior número de falhas e
desligamentos.
Aterrar o neutro solidamente auxilia na redução das sobretensões temporárias
e transitórias que ocorrem durante as falhas à terra que são mais comuns. Estas
sobretensões são particularmente elevadas nos sistemas com o neutro não
conectado a terra (neutro não aterrado ou flutuante). Por outro lado, o neutro
solidamente aterrado, permite a circulação de correntes de falta á terra elevadas,
que podem causar efeitos drásticos, tais como elevadas tensões de passo/toque e
transferida (perigosas para pessoas e animais), com danos irreversíveis em
equipamentos e acessórios, provocando incêndios, perturbações nos circuitos
telefônicos [32] e equipamentos eletrônicos sensíveis.
Para reduzir estes riscos é necessário desligar o sistema com defeito o mais
rápido possível. Neste caso os consumidores finais são afetados, principalmente
aqueles que possuem processos produtivos automatizados. Isto implica na
existência de um conflito entre os objetivos. Quando se utilizam sistemas
solidamente aterrados controla-se de certa forma as sobretensões, mas ocasiona-se
correntes elevadas, que necessariamente devem provocar o desligamento do
sistema. Ao se isolar o neutro, tem-se baixas correntes de curto circuito fase terra e
elevadas sobretensões.
Dentro desse dilema, muitos projetistas buscam o meio termo, introduzindo
resistores ou reatores no neutro. No entanto a escolha da forma de aterrar o neutro
deve atender também características particulares do sistema a ser aterrado. Dentro
desta ótica, os sistemas de distribuição aéreos são candidatos a uma análise mais
detalhada e criteriosa.
4.2
Tipos de Aterramento para Sistemas de Média Tensão
da Distribuição
Quanto ao aterramento do neutro, as normas brasileiras [33] e internacionais
[30], classificam os sistemas elétricos de uma forma geral como de dois tipos: neutro
solidamente aterrado (TT) e neutro isolado (IT). O neutro é considerado isolado
65
quando existe uma impedância (ZN) intencionalmente instalada entre o mesmo e a
terra, ou quando não se realiza nenhuma conexão dele para a terra. Neste último
caso o neutro é chamado de “flutuante” ou simplesmente “não aterrado”, sendo um
caso particular de se considerar a instalação de uma impedância infinita do neutro
para terra.
A maioria dos sistemas emprega algum método para aterrar o neutro do
sistema em um ou mais ponto. Estes métodos podem ser divididos em duas
categorias gerais: Aterramento sólido e aterramento atravez de impedância que
pode ser dividido em diversas subcategorias: Aterramento por resistência, por
reatância e por um sistema ressonante (ground-fault-neutralizer). Exemplos destes
métodos de aterramento são mostrados na Figura 15.
À medida que se varia ZN quanto ao tipo (resistor, reatância, etc) e quanto ao
seu valor, obtem-se muitas maneiras de se aterrar o neutro. No entanto, a prática
mundial estabeleceu nos sistemas de distribuição 5 (cinco) formas usuais que são:
•
Neutro não aterrado (flutuante);
•
Neutro solidamente (diretamente) aterrado;
•
Neutro aterrado por resistência;
•
Neutro aterrado por reatância;
•
Neutro aterrado por “bobina de Petersen”;
66
Figura 15 - Circuito do sistema de neutro e diagramas equivalentes para sistemas não
aterrados e vários tipos de aterramento do neutro [30].
Sendo que para Neutro solidamente aterrado, existem dois tipos diferentes de
se aterrar as redes de distribuição: Neutro multiaterrado3 e Neutro aterrado em um
único ponto (contínuo)4.
3
Neutro multiaterrado: As conexões para a terra são feitas em pontos definidos e na
subestação, de modo que seja conseguida uma rede contínua e de baixa impedância ao longo do
sistema.
4
Neutro contínuo: Entende-se como neutro contínuo aquele em que o neutro da interliga todos
os transformadores de distribuição, formando assim um neutro contínuo e aterrado.
67
Os principais objetivos do aterramento do sistema são: minimizar as
solicitações térmicas e de tensão nos equipamentos, propiciar segurança para as
equipes de trabalho, reduzir as interferências nos sistemas de comunicação e
contribuir para a detecção e eliminação rápidas de faltas à terra.
Com exceção das solictações de tensão, a operação de um sistema do tipo
não aterrado, aterrado através de alta impedância ou com aterramento ressonante
restringe as magnitudes das correntes de falta à terra e permite atingir a maioria dos
objetivos relacionados acima. O inconveniente desses métodos de aterramento é
que eles também geram problemas na sensibilidade de detecção de faltas
(proteção).
É possível criar um aterramento do sistema que reduza as solicitações de
tensão ao custo de magnitudes elevadas da corrente de falta. Portanto, em tal
sistema o circuito defeituoso tem de ser desenergizado imediatamente para evitar as
solicitações térmicas, a interferência nos canais de comunicação e os riscos para a
segurança humana. A desvantagem desse sistema é que o serviço precisa ser
interrompido mesmo para faltas temporárias.
A seguir apresenta-se uma descrição sucinta dos métodos de aterramento
normalmente usados nos circuitos de média tensão da distribuição.
4.2.1 Sistema Não Aterrado ou com Neutro Isolado
São sistemas que operam sem uma conexão intencional entre os condutores
do sistema e a terra [34]. Porém, em todo sistema prático, existe uma conexão
através da capacitância de acoplamento, que é distribuída ao longo do sistema.
Considerando-se que existem capacitâncias de cada fase para a terra, bem como
das fases entre si, um sistema isolado pode ser representado pela Figura 16.
68
Figura 16 - Sistema com Neutro Isolado.
A maior influência no comportamento do sistema é exercida pelas
capacitâncias das fases em relação à terra. Se as fases forem perfeitamente
transpostas, as tensões fase-terra para as três fases têm valores iguais e
deslocadas entre si de 120°. Consequentemente, não existe diferença de potencial
entre o ponto neutro do transformador da subestação alimentadora e o ponto neutro
das capacitâncias do sistema. Desde que o neutro das capacitâncias esteja no
potencial de terra, o ponto neutro do transformador também está no potencial de
terra. Se, no entanto, uma das fases for colocada em contato com a terra, ocorre um
deslocamento das outras duas fases em relação a ela, ocasionando, nestas fases,
tensões iguais ou maiores que as tensões fase-fase, como mostrado na Figura 17.
Nestes casos, o nível da corrente de falha é muito baixo, logo os danos aos
equipamentos são mínimos; e não é necessariamente essencial que a área afetada
seja isolada rapidamente. Esta é uma vantagem deste sistema, que às vezes é
utilizado em plantas industriais, onde uma continuidade elevada do serviço é muito
importante, pois pode minimizar interrupções nos caros processos de produção.
69
Figura 17 - Deslocamento da tensão para uma falha fase-terra em um sistema isolado.
É possível visualizar as correntes para terra nas condições de operação
normal e de contingência na Figura 18. Pode-se observar que a corrente no ponto
de defeito é soma das correntes Ib + Ic , sendo que essas correntes sofrem um
acréscimo de √3.
Figura 18 – Correntes Capacitivas em Sistema Isolado.
70
Duas vantagens principais são atribuídas aos sistemas isolados:
- A primeira é operacional, pois a primeira falta à terra em um sistema faz
com que flua somente uma corrente pequena à terra, devido as capacitâncias, assim
o sistema pode ser operado com a presença desta falta à terra, o que melhora sua
continuidade.
- O segundo é econômico, pois nenhuma despesa é requerida com
aterramento dos equipamentos ou condutores de aterramento do sistema.
Entretanto, os sistemas isolados são sujeitos as sobretensões transitórias elevadas,
destrutivas e, conseqüentemente, apresentam sempre perigo ao equipamento e ao
pessoal. Assim, geralmente não são recomendados.
Para estes sistemas os dois fatores principais que limitam a magnitude da
corrente de falta à terra são a resistência de falta e a capacitância fase-terra de
seqüência-zero. Uma vez que o triângulo de tensões não é, relativamente, afetado,
esses sistemas podem permanecer operacionais durante faltas sustentadas de baixa
magnitude.
É importante citar que apesar deste sistema apresentar a possibilidade de
operar mesmo na presença de uma falta à terra, ele pode ocasionar a evolução do
defeitos, devido a ocorrência de sobretensão nas outras fases. Quando se adota
este tipo de aterramento visando a operação sustentada com uma falta à terra, devese redimensionar toda a isolação e equipamentos da rede, tais como isoladores,
pára-raios, transformador,etc.
A auto-extinção de faltas à terra nas linhas aéreas não aterradas é possível
para valores baixos da corrente de falta à terra. Para magnitudes maiores da
corrente de falta, as faltas têm uma menor probabilidade de se auto-extinguirem na
passagem pelo zero natural da corrente de falta devido à interação entre os valores
de ionização do meio e a tensão transitória de restabelecimento. Posteriormente, é
discutido como um sistema com aterramento ressonante amortece a elevação da
tensão de restabelecimento, aumentando, dessa forma, a probabilidade de provocar
a auto-extinção da falta à terra.
71
A corrente que flui através do ponto de falta para uma falta à terra é devida as
capacitâncias distribuídas do sistema, que em condições normais de operação se
equilibram e se anulam. Já quando há um defeito para à terra, há a criação de um
novo caminho para as correntes que são agora desequilibradas e circulam pelo
ponto de falta. A magnitude dessas correntes influencia diretamente a capacidade
de auto-extinção da corrente de defeito. A capacitância do sistema depende de
diversos fatores, sendo os mais preponderantes o nível de tensão do sistema e o
comprimento dos ramais. Deste modo, a corrente capacitiva pode alcançar altas
magnitudes, sendo praticamente impossível sua extinção. Mesmo para baixos níveis
de correntes, a extinção dos arcos de correntes não é fácil, pois devido a
característica predominantemente capacitiva da corrente no momento de sua
passagem pelo zero, que é o momento em que normalmente os arcos se extinguem,
a tensão se encontra em seu maior valor (pico da tensão). Assim o arco tende a reiniciar, como é possível ver na Figura 19.
Figura 19 – Re-ignição do Arco Voltaico.
Esse fenômeno é agravado no caso de faltas intermitentes, ou seja, onde há a
extinção e re-ignição da corrente de arco. Devido às características capacitivas da
corrente, a cada meio ciclo, no pico da tensão o arco re-inicia. Tal fenômeno pode
gerar tensões transitórias de altas magnitudes, pois esse efeito é semelhante ao que
ocorre em chaveamento de capacitores, podendo ocorrer uma multiplicação da
72
tensão devido à incapacidade do sistema em descarregar sua tensão através das
capacitâncias. As Figura 20 e Figura 21 mostram esse fenômeno.
Figura 20 – Decaimento da Tensão nas Capacitâncias do Sistema.
Figura 21 – Fenômeno de Sobretensões Transitórias em Faltas Intermitentes
Uma simulação realizada ilustra bem esse fenômeno, como mostrado na
Figura 22.
73
Figura 22 – Múltiplas Reignições do Arco.
Um ponto a salientar, é que na ocorrência de uma fase entrar em contato com
a terra, a corrente para terra no ponto de contato não é expressiva, em
conseqüência disso, o esquema tradicional de proteção contra defeitos fase-terra
com atuação baseada em correntes torna-se ineficaz. Assim, faz-se necessário a
aplicação de outros métodos de detecção de falta para terra.
Os relés de tensão de seqüência-zero [19], ou trifásica, podem detectar faltas
à terra nos sistemas não aterrados. Este método de detecção de faltas não é
seletivo e requer isolação ou desligamento seqüencial dos alimentadores para
determinar o alimentador sob defeito. Um elemento direcional de terra sensível é a
alternativa típica [19]. Esses elementos respondem à componente em quadratura da
corrente de seqüência-zero em relação à tensão de seqüência-zero.
4.2.2 Aterramento sólido ou efetivo
O aterramento efetivo, ou sólido, é popular em muitos países. Um sistema é
dito efetivamente aterrado quando, para todos os pontos do mesmo, a relação entre
a reatância de seqüência zero e a reatância de seqüência positiva é inferior ou igual
X

a três  0 ≤ 3  e a relação entre a resistência de seqüência zero e a reatância de
 X1

R

seqüência positiva é inferior ou igual á unidade  0 ≤ 1 para qualquer configuração
 X1

74
do sistema, onde X0 e R0 são a reatância e a resistência de seqüência-zero, e X1 é a
reatância de seqüência-positiva do sistema de potência [31]. Na prática, os sistemas
solidamente aterrados possuem todos os neutros do sistema de potência
conectados à terra, sem qualquer impedância intencional entre o neutro e a terra. É
importante ressaltar que quando se diz que não há nenhuma impedância intencional
entre o ponto de neutro e de terra, quer-se afirmar que não há nenhuma impedância
além da impedância de aterramento, que em alguns casos pode alcançar valores
consideráveis.
Devido à reatância do gerador, transformador ou sistema em série com o
neutro do circuito, o aterramento sólido não pode ser considerado como um circuito
de impedância zero. Para assegurar os benefícios e as características do
aterramento sólido, é necessário determinar o grau do aterramento fornecido ao
sistema. Um bom guia para determinar o grau do aterramento é o valor da corrente
de falta à terra em comparação à corrente de falta trifásica do sistema. Os sistemas
eficazmente aterrados geralmente apresentam uma corrente do curto-circuito de
falta à terra de pelo menos 60% da corrente de falta trifásica, porém em alguns
casos as correntes de curto-circuito fase para a terra podem apresentar valores
maiores que para um curto-circuito trifásico.
Considerando-se as relações existentes entre as impedâncias de seqüência
zero e positiva, é evidente que, no caso de falta à terra, esse tipo de sistema admite
fluxos de corrente de valor apreciável e não apresentam grandes elevações de
tensão nas fases sãs. Em conseqüência, nestes sistemas, os transformadores e
pára-raios e o restante do sistema de isolação podem ser especificados para as
tensões fase-terra.
O aterramento sólido reduz o risco de sobretensões durante faltas à terra.
Essas faltas não deslocam o neutro do sistema, como mostra a Figura 23. Logo, o
sistema não requer um nível de isolação de tensão tão elevado quanto requer um
sistema com neutro isolado. Em geral, os sistemas de transmissão são solidamente
aterrados ao redor do mundo, pois para elevados níveis de tensão o custo com o
sistema de isolação torna-se muito oneroso, inviabilizando qualquer outro tipo de
aterramento. Outra questão relevante nos sistemas de transmissão é a eliminação e
isolação do defeito em um período de tempo mais curto o possível e para tanto um
75
nível de corrente mais alto ajuda na sensibilização dos relés de proteção, que
normalmente apresentam a característica de funcionamento baseada em uma curva
inversa de tempo por corrente, assim quanto maior a corrente menor é o tempo para
sensibilização da proteção.
Já os sistemas de distribuição admitem outros tipos de soluções para o
aterramento do neutro do sistema, pois o custo com a isolação não tem grande
variação para as variações do nível de isolação.
Figura 23 - Diagramas Fasoriais (a) Operação Normal,
(b) Operação para uma Falta à Terra.
Nos sistemas efetivamente aterrados, qualquer tipo de falta deve ser
eliminada pela abertura de disjuntores e subseqüente interrupção da corrente. Os
valores de corrente de curto-circuito fase-terra próximos aos pontos de aterramento
podem atingir valores superiores às correntes de curto-circuito trifásico, sendo
necessário especificar a capacidade de interrupção do dispositivo de abertura,
levando-se esta possibilidade em consideração. Entretanto, a inclusão de
resistências ou reatâncias entre o neutro e a terra torna possível diminuir a corrente
de curto-circuito fase-terra sem alterar a condição de efetivamente aterrado do
sistema, desde que este continue preenchendo as condições estabelecidas pela
definição [31].
76
A proteção típica contra faltas à terra nos sistemas solidamente aterrados
consiste de relés de sobrecorrente direcionais e não direcionais com conexão
residual (ou uma soma matemática equivalente).
Existem duas implementações práticas diferentes do aterramento sólido nos
sistemas de média tensão de distribuição: uniaterrados e multiaterrados. Os
sistemas da distribuição são normalmente uniaterrados na Grã-Bretanha e
multiaterrados na América do Norte, Austrália e alguns países da América Latina.
Nos sistemas uniaterrados, somente podem existir três fios com todas as
cargas conectadas entre fases, Figura 24, ou podem existir quatro fios com um
neutro isolado e todas as cargas conectadas fase-neutro, Figura 25. Nesta última
aplicação, a corrente de desbalanço de carga retorna através do neutro enquanto a
corrente de falta à terra retorna através da terra para o neutro da subestação.
Figura 24 - Sistema Uniaterrado a Três – Fios.
77
Figura 25 - Sistema Uniaterrado a Quatro - Fios.
Nos sistemas multiaterrados com quatro fios, e cargas fase-neutro, Figura 26,
o sistema é aterrado na subestação e em cada localização dos transformadores ao
longo do circuito. Em alguns exemplos, cargas monofásicas em derivação são
conectadas de uma fase para a terra, sem a existência do condutor no neutro.
Nesses sistemas, ambas as correntes de desbalanço de carga e de falta à terra são
divididas entre o condutor do neutro e a terra. A detecção de faltas à terra de alta
resistência nesses sistemas é difícil, pois o relé de proteção mede a corrente de falta
à terra com alta resistência combinada com a corrente de desbalanço.
Figura 26- Sistema Multiaterrado a Quatro – Fios.
78
Faltas à terra nesses sistemas podem produzir correntes de alta magnitude
que requerem a abertura de todo o circuito e interrupção da carga para muitos
consumidores. Aproximadamente 80% das faltas à terra que ocorrem nas linhas
aéreas da distribuição são transitórias. O religamento automático com várias
tentativas
é
amplamente usado
nesses
sistemas.
O
ciclo
resultante de
interrupção/restabelecimento pode representar um problema para os consumidores
com cargas rotativas elevadas ou aqueles com cargas que sejam intolerantes aos
afundamentos de tensão. Assim é recomendável, sempre que possível estudar a
adoção de outro tipo de aterramento, sempre levando em consideração as
características específicas de cada sistema.
4.2.3 Aterramento por Resistência
Em sistemas aterrados por resistência, o neutro é conectado à terra através
de um ou mais resistores, como mostra Figura 27. Neste método, com exceção das
sobretensões transitórias, as tensões fase-terra que aparecem durante a falta faseterra são muito próximas das que apareceriam para um sistema isolado.
Um sistema aterrado por resistência não esta sujeito a tensões transitórias
destrutivas ou muito danosas ao sistema. Para sistemas de até 15 kV aterrados por
resistência, estas sobretensões não são um problema sério desde que o valor do
resistor esteja entre os seguintes limites: R0 ≤ X C 0 , R0 ≥ 2X 0 [34]; este é o critério
aterramento para alta resistência, onde a corrente de falta é muito menor do que a
correspondente para sistemas aterrados por resistores de baixo valor ôhmico.
79
Figura 27 - Aterramento Por Resistência.
As razões para se limitar a corrente por uma resistência de aterramento
podem ser uma ou mais das seguintes:
•
Para reduzir os efeitos de queima e fusão de condutores e contatos em
equipamentos elétricos sob falta a terra, como disjuntores, transformadores,
cabos e máquinas rotativas.
•
Para reduzir as solicitações mecânicas em circuitos e equipamentos sob falta
a terra.
•
Para reduzir o risco de choque elétrico para as pessoas, causados pela fuga
de corrente no caminho de retorno para terra.
•
Para reduzir o risco de “flash” e explosão a arco para o pessoal que se
encontrar próximo ao circuito no momento da falta.
•
Para controlar com segurança sobretensões transitórias, evitando-se que o
sistema evolua de uma falta à terra para faltas que envolvam outras fases
(aterramento por resistência de alto valor).
O aterramento por resistência pode ser dividido em duas classes: aterramento
por resistência de alto valor e aterramento por resistência de baixo valor, que se
diferem pelo valor da corrente durante a falta à terra que permitem fluir. Ambos os
tipos são projetados para limitar as sobretensões a níveis seguros (até 250% da
80
tensão normal). É importante observar que a inserção de uma impedância entre o
neutro do transformador e a terra da origem a uma sobretensão de no mínimo 250%,
como é possível observar na Figura 28 Isto se deve ao fato de que a impedância de
terra (ou de retorno pela terra) ser muito pequena comparada com qualquer
impedância inserida entre o ponto de neutro e a terra.
Figura 28 - Sobretensões Versus Relação Xc / RT [35].
O sistema de aterramento através de resistência tem vantagem de evitar
transitórios de tensão elevados, originados no fenômeno de arcos intermitentes,
como mencionado anteriormente. Outra simulação mostra o efeito da aplicação de
um resistor entre o ponto de neutro e a terra, com impedância igual a impedância
capacitiva do sistema. Podemos observar pela Figura 29 que tensão não fica
acumulada na capacitância do sistema.
81
Figura 29 – Efeito do Resistor Conectado ao Neutro em uma Falta Intermitente.
4.2.3.1 Aterramento por resistência de baixo valor
Neste tipo de aterramento, o sistema é aterrado através de um resistor de
baixa impedância com o objetivo de limitar a corrente de falta à terra. Ao limitar as
magnitudes das correntes de faltas à terra em dezenas ou centenas de amperes, as
solicitações térmicas nos equipamentos são reduzidas, permitindo que cubículos de
menor custo possam ser adquiridos e ao mesmo tempo evita-se altas sobretensões
que podem danificar a isolação do sistema. Este método é, sob vários outros
aspectos, equivalente ao aterramento sólido, incluindo os métodos de proteção
contra faltas à terra.
Na França, muitos dos sistemas de distribuição são aterrados através de
baixa resistência. Nas redes de distribuição rurais, a corrente de falta à terra é
limitada em 150-300 Amperes primários, e nas redes urbanas, que têm correntes
capacitivas maiores, o resistor é selecionado para limitar a corrente de falta à terra
em um valor máximo de 1.000 A. A Figura 30 mostra um sistema aterrado por
resistência de baixo valor.
82
Figura 30 – Aterramento por Resistor de Baixo Valor.
O aterramento por resistor de baixo valor tem a vantagem da imediata e
seletiva retirada da falta, mas requer que a corrente de falta seja grande o bastante
para sensibilizar a proteção de falta a terra. Este tipo de aterramento é muito
utilizado na indústria, principalmente em algumas aplicações em áreas classificadas
[46].
4.2.3.2 Aterramento por resistência de alto valor
Neste método, o sistema é aterrado através de um resistor de alto valor, cujo
valor é igual ou ligeiramente menor do que o da reatância para terra capacitiva total
do sistema. Este sistema assemelha-se muito ao sistema com neutro isolado, a
diferença esta no fato da existência de uma corrente que flui através do resistor, de
valor pequeno, porém de magnitude maior ou igual à magnitude da componente
capacitiva da corrente de falta. Este critério Rg ≤ Xc ou IR ≥ 3Ic0 deve ser obedecido
para que não ocorram sobretensões muito elevadas, bem como arcos intermitentes,
pois a componente resistiva modifica a fase da corrente falta, de modo que o
momento em que a corrente passe por zero não coincida com o momento de pico da
tensão. É possível observar essa característica na Figura 31. O método do
aterramento através de alta impedância limita a corrente de falta à terra em 25 A ou
menos. O aterramento através de alta resistência limita as sobretensões transitórias
83
em valores seguros durante faltas à terra. O resistor de aterramento pode ser
conectado no neutro de um transformador de potência ou aterramento, gerador ou
barra de aterramento do gerador, ou através de uma conexão em delta aberto
(“broken delta”) dos transformadores da distribuição [34].
Figura 31 – Correntes num sistema aterrado por resistência de alto valor.
Da mesma forma que nos sistemas com neutro isolado, faltas à terra nos
sistemas aterrados por resistências deslocam a tensão do neutro do sistema sem
modificar o triângulo de tensões entre fases. Novamente, este método de
aterramento permite que a concessionária de energia elétrica continue operando o
sistema durante faltas à terra sustentadas.
Em sistemas aterrados por alta resistência a tensão fase-terra nas fases sãs
aproxima-se de
3 vezes durante a falta fase-terra, dependendo do valor da
resistência. É necessário que o sistema seja projetado considerando esta condição.
A detecção não seletiva de faltas à terra é possível efetuando-se a medição
da magnitude da tensão de seqüência-zero e comparando o valor encontrado com o
valor limite de sobretensão, ou medindo todas as três tensões fase-terra e
comparando cada magnitude de tensão com um valor limite de subtensão. Para
encontrar o alimentador sob defeito, é necessário utilizar elementos direcionais de
84
seqüência-zero sensíveis ou desconectar alimentadores para determinar quando a
tensão de seqüência-zero cai a um nível normal.
O esquema de proteção associado com o aterramento por alta resistência
geralmente é composto por detecção e alarme em vez de desligar o circuito.
Para os sistemas aterrados por alta resistência a conexão do resistor pode se
dar diretamente no neutro do sistema como mostra Figura 32 ou através de
transformador monofásico de aterramento com o resistor conectado no secundário
do transformador, como mostra Figura 33. Neste caso, quando referido ao primário,
o resistor deve ter o mesmo valor do resistor diretamente conectado. O critério para
seleção de um ou outro método é econômico.
Figura 32 – Aterramento do Neutro por Resistor de Alto Valor.
85
Figura 33 - Aterramento do Neutro por Resistor de Alto Valor Através de Transformador de
Aterramento.
4.2.4 Aterramento por Reatância
Nos aterramentos por reatância um reator é conectado entre o neutro do
sistema e a terra, como mostra a Figura 34. Em um sistema de aterramento por
reatância a corrente de falta deve ser pelo menos 25% e preferencialmente 60% da
corrente de falta trifásica para se prevenirem sérias sobretensões transitórias [34].
Estes níveis de corrente de falta são muito altos quando comparados com um
sistema aterrado por resistência, portanto este não é um sistema considerado como
alternativa para o aterramento por resistência.
Figura 34 - Aterramento por Reatância.
86
4.2.5 Neutro Aterrado por “Bobina de Petersen”
Neste método de aterramento, o sistema é aterrado através de um reator de
alta impedância, perfeitamente sintonizado com a capacitância fase-terra total do
sistema, conforme mostra Figura 35.
Nestes casos a reatância do reator é sintonizada para a reatância capacitiva
das linhas, de maneira que a corrente resultante de falta à terra seja puramente
resistiva e de baixa magnitude. Deste modo, caso uma falta à terra ocorra no ar, a
corrente pode ser auto-extinguida. Neste caso, a componente reativa da impedância
equivalente do circuito ou sistema é anulada. Ou seja, ωL = 1 / ωC .
Em caso de falta à terra, a tensão fase-neutro do sistema é aplicada ao
neutralizador de corrente. A corrente de defeito percorre este iindutor que quando
sintonizado com o sistema tem um valor igual a corrente de curto-circuito capacitiva
fornecida pelas capacitâncias das fases sãs defasada de 180°. Neste caso, as
componentes
indutivas
e
capacitivas
cancelam-se
ficando
somente
uma
componente resistiva de baixo valor (corrente de fuga em isoladores e corona) em
fase com a tensão fase-neutro. Esta corrente ao passar pelo zero possibilita a
extinção da corrente de falta por arco sem reignição e sem o desligamento do
sistema. Este assunto é melhor abordado e discutido no próximo capítulo deste
trabalho.
Figura 35 – Sistema Compensado ou Neutro Ressonante.
87
4.3
Critérios de Escolha do Regime do Neutro em Sistemas
Elétricos
Todas as considerações anteriormente abordadas permitem concluir que no
estagio atual de tecnologia não existe um tipo único de aterramento do neutro que
satisfaça perfeitamente todas as exigências e requisitos para instalação e operação
dos sistemas elétricos de uma forma geral.
Definir como um dado sistema deve ser aterrado é uma arte, na qual o
projetista escolhe entre diversas possibilidades e seleciona aquela que representa o
melhor compromisso, levando em conta a legislação vigente, particularidades do
sistema elétrico tais como a presença de linhas aéreas, máquinas rotativas de média
tensão, cabos isolados de alto custo, etc.
Também fatores como: risco de incêndio, segurança pessoal, exigências de
continuidade de serviço, existência de pessoal de manutenção qualificada, podem
ser fundamentais, tornando a escolha uma decisão complexa.
Ficou claro que o esquema de aterramento atua sobre dois aspectos
essenciais na operação dos sistemas elétricos, ou seja, na severidade das
sobretensões e na intensidade das correntes de falta à terra.
Uma vez definida uma classe de isolamento, a probabilidade de que ocorram
incidentes é tanto maior quanto forem as sobretensões (principalmente as
transitórias) produzidas durante manobras, descargas atmosféricas, interrupção de
faltas à terra, ruptura do isolamento entre primário e secundário de transformadores,
etc.
Conforme demonstrado o aterramento do neutro auxilia no controle das
sobretensões, se executado de maneira propícia. Por outro lado, a intensidade da
falta à terra tem a ver com tensões perigosas de contato (gradiente de tensão no
solo), danificação de equipamentos, risco de explosões e incêndios, perturbações
em sistemas telefônicos e de comando, e, principalmente paralisação do sistema,
com todas as suas conseqüências indesejáveis.
88
Estas questões aconselham a trabalhar com níveis reduzidos de corrente de
falta à terra, introduzindo uma impedância no neutro.
A impedância introduzida no neutro pode ser pequena suficiente para
controlar sobretensões transitórias, permitindo, por exemplo, circulação de corrente
da ordem de 25% da corrente de defeito trifásica.
Pode por outro lado, pode-se aplicar uma impedância elevada caso se queira
reduzir a corrente de falta á terra a valores suficientemente pequenos, de forma a
manter a instalação em serviço durante a falta à terra.
Infelizmente, como visto, existe uma incompatibilidade irreconciliável entre os
dois critérios. Reduzindo-se as correntes de falta à terra aumentam-se as
sobretensões. Não se conhece ainda solução que concilie inteiramente estas duas
situações conflitantes. Resta ao projetista definir à luz das circunstâncias específicas
de sua instalação, qual solução deve ser privilegiada, adotando o valor de
impedância que represente o melhor compromisso para o caso considerado.
Um critério que tem se tornado extremamente significativo na atualidade, é o
de continuidade de serviço. A necessidade de modernização das indústrias, ditadas
por uma forte competição nos mercados interno e externo, gerou os programas de
qualidade total, enfatizando conceito como “Alta Performance”, “ continuidade de
serviço”, “Redução de Paradas”, “Confiabilidade”, “segurança” entre outros.
Especificamente no setor elétrico o conceito de “qualidade da energia” vem
adquirindo grande destaque.
Conforme verificado, o aterramento do neutro das instalações elétricas se
reveste atualmente de grande importância, sendo que sob este prisma, as referidas
instalações podem ser divididas em duas categorias:
• Instalações elétricas cujo aterramento do neutro permite manter o
sistema funcionando durante a primeira falta à terra;
• Instalações elétricas cujo aterramento do neutro obriga o desligamento
na ocorrência de uma falta à terra.
89
Na primeira categoria, situam-se os sistemas isolados, os aterrados com
impedância (resistência ou reatância) de alto valor e os ressonantes (com bobina de
Petersen).
Na segunda categoria enquadram-se os sistemas solidamente aterrados ou
aterrados com impedância (reatância ou resistência) de baixo valor.
Embora algumas características destes sistemas tenham sido abordados nos
itens iniciais, a Tabela 6 fornece um quadro geral das características básicas de
cada um deles. A intenção é agrupar informações essenciais de maneira que a
tomada de decisão quanto a forma de se aterrar o neutro de um sistema elétrico
particular seja facilitada.
90
Tabela 6 – Características básicas dos diversos tipos de aterramento
Método de Aterramento
Tópicos
Aterramento Aterramento Aterramento Aterramento
Sólido
Sólido
Através de
Através de Aterramento
(Aterramento (Aterramento
BaixaAltaRessonante
Único)
Múltiplo)
Impedância Impedância
Itália,
Estados
Japão,
Unidos,
Norte e
Irlanda,
Canadá,
França,
Leste
Grã-Bretanha
Rússia,
Austrália,
Espanha
da Europa,
Peru,
América
China, Israel
Espanha
Latina
Fase-fase (3
Fasefios) e faseFase-fase e
Fase-fase
Fase-fase
Fase-fase
fase
neutro
fase-terra
(4 fios)
Neutro
Isolado
Alguns Países
com
Aplicação
Conexão de
Cargas
Permissível
Nível de
Isolação
Requerido
Limitação de
Sobretensões
Transitórias
Operação
Possível com
uma Falta à
Terra
Auto-Extinção
de Faltas à
Terra
Segurança
Humana
Stress
Térmico dos
Equipamentos
Interferência
nas Linhas de
Comunicação
Sensibilidade
da Proteção
para Faltas à
Terra
Fasefase
Fase-neutro
Fase-neutro
Fase-neutro
Fase-fase
Fase-fase
Ruim
Boa
Boa
Boa
Média
Média
Nem
sempre
Não
Não
Não
Nem sempre
Quase
sempre
Nem
sempre
Não
Não
Não
Nem sempre
Quase
sempre
Média
Boa
Ruim
Boa
Média
Boa
Baixo
Alto
Alto
Alto
Baixo
Muito Baixo
Média
Alta
Alta
Alta
Baixa
Muito Baixa
Média
Boa
Ruim
Boa
Média
Média
Finalmente, é importante acrescentar alguns comentários às informações
constantes na Tabela 6:
• No sistema com neutro solidamente aterrado e neutro distribuído e
multiaterrado, as correntes de falta fase-terra podem apresentar
91
elevada amplitude, pois são limitadas apenas pela impedância da linha,
pela
resistência
neutro/terra
e
a
resistência
de
defeito.
O
multiaterramento favorece sensivelmente a distribuição de tensões de
fase à terra no momento do defeito, de forma que, ao longo de todo o
sistema, as tensões de fase para terra ficam próximas do valor nominal
fase-neutro. Para faltas com alto valor de resistência que podem
ocorrer no caso da queda da fase sobre o solo seco ou rochoso, por
exemplo, a detecção exige equipamentos especiais. Nestes casos, a
qualidade do fornecimento de energia é considerada também como
pobre.
• Os principais aspectos do sistema de distribuição com neutro isolado
estão relacionados com a possibilidade de sobretensões transitória e a
dificuldade de detecção do local do defeito fase-terra, que muitas vezes
exige o desligamento seqüencial de alimentadores. No estagio atual de
desenvolvimento, os sistemas de distribuição com neutro isolado são
recomendados apenas para redes curtas, predominantemente aéreas.
Onde existem cabos isolados com comprimento significativo a corrente
capacitiva resultante durante o defeito fase-terra pode assumir valores
relevantes.
• Nos sistemas de distribuição com neutro aterrado com resistência de
baixo valor, a corrente durante uma falta à terra deve ser suficiente
para permitir a detecção segura e rápida, mantendo entretanto as
sobretensões dentro de limites admissíveis. Quando a corrente
capacitiva é pequena (sistemas aéreos não muito longos) a corrente de
falta é definida praticamente pela relação UFN / RN. Quando a rede é
formada essencialmente por cabos subterrâneos de comprimento
significativo, a corrente é elevada e a amplitude da corrente de defeito
deve ser superior à da corrente capacitiva e permitir a proteção
seletiva, que é realizada por relés de sobrecorrente de terra normais,
do tipo tempo definido ou normalmente inverso.
92
• Nos sistemas de aterramento por meio de reator sintonizado, este é
escolhido de tal forma que durante a falta à terra circule uma corrente
de módulo igual a corrente capacitiva. Neste caso, com IN puramente
indutiva, a corrente total de falta é igual a zero. Em geral resta uma
pequena componente ativa fornecida pela resistência não nula da
bobina e pelas perdas (fugas) na isolação. Entretanto, esta
componente é pequena, não influenciando no desempenho final do
sistema de aterramento. A reatância capacitiva XC sofre alterações com
mudanças de topologias da rede (manobras, desligamentos setoriais,
etc.), exigindo modificação simultânea e automática no reator do
neutro, a fim de se manter a sintonia. Mantendo-se a sintonia, as
sobretensões transitórias são muito bem controladas durante a
ocorrência de uma falta fase à terra. A grande vantagem da bobina de
Petersen consiste no fato de que ela, pela sua concepção, favorece a
auto-extinção do arco no ponto de ocorrência da falta fase-terra. Desta
forma o desempenho das redes aéreas de distribuição de energia,
principalmente frente às descargas atmosféricas é extraordinariamente
melhorado. Existem outras vantagens significativas do seu emprego
que são detalhadas em item específico. No entanto, ela apresenta
desvantagens
que
somente
recentemente
começaram
a
ser
superadas. Estas desvantagens são ligadas a detecção do defeito
fase-terra permanente na rede, principalmente os defeitos de alta
resistência, e à dificuldade de obter seletividade. Mesmo com esses
inconvenientes, praticamente todos os países do Norte e do Leste
Europeu já utilizam a bobina de Petersen a longo tempo, possuindo
grande experiência na sua aplicação. Em alguns países como
Dinamarca, Alemanha a operação é mantida com uma falta à terra até
que o local do defeito seja determinado. No computo geral, a aplicação
do sistema de aterramento por meio de reator sintonizado leva a uma
excelente qualidade de fornecimento de energia nos sistemas de
distribuição.
93
Capítulo 5 NEUTRO
RESSSONANTE
5.1
Introdução e Histórico de Utilização
A “Bobina de Petersen”, ou “Bobina Ressonante”, ou “Bobina supressora de arco” foi
criada por W. Petersen em 1916 [36], resultado de um trabalho pioneiro na
investigação de fenômenos de falta à terra nas linhas de distribuição e transmissão
de energia elétrica. É um trabalho sem similar, onde obteve sucesso na análise dos
fatos fundamentais, na proposição de uma solução criativa e simples, ao mesmo
tempo em que apresentou uma exposição teórica completa e lúcida de sua
invenção. Suas pesquisas foram relatadas nas revistas alemãs E.T.Z e E.U.M em
1918 e 1919, respectivamente.
94
5.2
Motivação para Mudança do Método de Aterramento
dos Sistemas de Distribuição e Utilização da “Bobina de Petersen”.
Conforme visto anteriormente, todos os países que utilizam sistemas de
distribuição onde as descargas atmosféricas causam sérios inconvenientes voltaram
as pesquisas para a melhoria do desempenho de suas linhas de distribuição e
transmissão, principalmente no sentido de introduzir modificações físicas nas
estruturas suporte das redes a fim de garantir a inexistência de disrupção nas
mesmas, tanto para descargas diretas quanto para indiretas. As conclusões,
inevitavelmente, foram as de adotar medidas para aumentar a T.S.I. (tensão
suportável sob impulso) das estruturas.
No entanto, uma observação importante do ponto de vista dos efeitos das
descargas atmosféricas, é que não é propriamente o escoamento das correntes
impulsivas (correntes de surto) que estas descargas originam que provocam a
maioria dos inconvenientes nas redes de distribuição, pois estas correntes apesar de
estatisticamente poderem alcançar valores elevados, são de curtíssima duração (da
ordem de alguns microssegundos).
A maioria dos inconvenientes são provocados pela corrente subseqüente de
freqüência fundamental (60 Hz) que segue o caminho inicial aberto pela sobretensão
atmosférica.
Esta afirmativa pode ser justificada considerando os seguintes aspectos:
•
Quando as sobretensões, devidas a descargas atmosféricas diretas ou
indiretas provocam disrrupções nos isoladores das estruturas (fenômeno
mais comum), existe uma corrente subseqüente de 60 Hz que se
estabelece no circuito impedindo a extinção do arco inicialmente formado.
Esta corrente caracteriza uma falta à terra, e é responsável pela abertura
dos disjuntores ou religadores da rede, através da operação e atuação dos
relés de terra.
• A corrente subseqüente existe também na operação dos pára-raios de
resistores não linear com “centelhadores” (modelo ainda muito encontrado
nas redes de distribuição). Esta corrente, que é uma falta à terra de curta
95
duração, impõe aos pára-raios um nível de energia (i2t) muito superior ao
imposto pela própria descarga, já que a corrente de falta à terra é elevada,
quando o neutro é solidamente aterrado. A corrente subseqüente nos páraraios dura até a recuperação de sua resistência e a passagem da corrente
por zero. Teoricamente o tempo máximo de interrupção é de meio ciclo. No
entanto, os pára-raios podem não desempenhar adequadamente suas
funções e demorar alguns ciclos para interromper a corrente subseqüente,
o que pode ocasionar:
o Danificação dos pára-raios ou redução de sua vida útil;
o Operação
desnecessária
de
dispositivos
de
religamento
automático;
o Queima excessiva e desnecessária de elos fusíveis.
•
À parte da operação dos pára-raios, a corrente subseqüente a
disrupção nos isoladores com neutro aterrado, provoca a queima de elos
fusíveis, principalmente daqueles de menor corrente nominal. Para evitar
sua queima, devem-se utilizar elos com tempos de atuação retardados, a
fim de permitir a operação dos religadores antes de sua queima. No
entanto, esta medida, além de não evitar o desligamento, ainda prejudica a
proteção dos equipamentos, introduzindo retardos desnecessários.
•
A corrente subseqüente quase que inviabiliza a utilização dos
descarregadores
aéreos
(centelhadores
de
chifre),
dispositivos
de
construção simples e robusta que poderiam ser utilizados na coordenação
de isolamento das linhas de distribuição, principalmente as rurais.
Conforma já afirmado o inconveniente destes dispositivos é que após sua
operação, segue-se uma corrente subseqüente de 60 Hz, que, com o
neutro solidamente e multi-aterrado, pode atingir valores muito elevados,
não sendo, portanto, auto-extinta. Para eliminação da corrente, ou
queimam-se os fusíveis ou operam os disjuntores. Portanto, onde se
aplicam os descarregadores de chifre é obrigatória a utilização de
religadores automáticos.
96
•
A corrente subseqüente de 60 Hz contribui notavelmente para trincas e
rupturas de isoladores, cruzetas e postes de madeira e mesmo concreto.
Isto justifica a afirmativa já feita de que muitas paradas de manutenção
programadas têm sua origem nas descargas atmosféricas.
•
Como já foi também afirmado recentemente tem-se utilizado cabos
cobertos (mas não isolados pra tensão plena) nas redes aéreas de
distribuição de regiões urbanas arborizadas. Tais cabos permitem que as
podas sejam realizadas com menor freqüência (embora ainda persistam,
por não ser recomendável o contato continuo destes cabos encapados com
os troncos e ramos de árvores). Verificou-se que nas redes aéreas onde se
empregam condutores cobertos, o número de falhas por ruptura dos cabos
é proporcionalmente maior que nos casos em que são utilizados cabos
aéreos nus [37]. Este fato constitui um perigo adicional, de vez que, quando
um condutor coberto se rompe, seu contato com o solo é pobre,
dificultando a operação da proteção, e aumentando-se os riscos de
acidentes envolvendo pessoas. As pesquisas efetuadas indicam que as
causas estão ligadas as sobretensões de origem atmosférica, que perfuram
a capa do cabo em um ponto localizado do condutor. Após o escoamento
da energia do surto de tensão, a corrente subseqüente de 60 Hz funde o
condutor provocando o seu rompimento. Embora em menor número, o
rompimento de condutores nus pode estar associado também à corrente
subseqüente de freqüência fundamental. A redução da possibilidade de
rompimento, esta ligada à possibilidade do arco de 60 Hz se deslocar ao
longo da linha no sentido fonte-carga quando os condutores são nus.
•
Quanto às interferências no sistema de telefonia, a referência [37]
analisa de forma clara, que os principais inconvenientes causados pelas
descargas atmosféricas estão associados também à corrente subseqüente
de 60 Hz que podem provocar:
o Interferências eletromagnéticas durante a circulação de corrente
fase-terra;
97
o Circulação de corrente fase-terra pelo cabo mensageiro, com sua
conseqüente elevação de temperatura, e a possibilidade de
danificar a capa do cabo telefônico;
o Em casos extremos existe a possibilidade de fusão e ruptura do
cabo mensageiro;
o Desenvolvimento de diferença de potencial entre a blindagem e o
cabo mensageiro ou do cabo mensageiro e a blindagem para os
pares condutores, o que pode provocar a danificação do cabo, além
da possibilidade de atingir equipamentos da central através da
condução de corrente de 60 Hz pelos pares, mensageiro e
blindagem.
Além dos inconvenientes já apontados as correntes subseqüentes (curto faseterra) que escoam pelo sistema de aterramento podem tornar essas redes perigosas
para as pessoas, através do desenvolvimento de tensão de passo, toque e
transferência.
De um ponto de vista geral, é possível afirmar que o elevado nível de curto
circuito fase-terra, vigente no regime de neutro solidamente aterrado, provoca vários
inconvenientes, mesmo quando ocorre devido à falhas normais ou acidentais do
isolamento, ao invés de ser provocado por descargas atmosféricas. É que, os efeitos
são devidos aos elevados valores de corrente fase-terra e não à descargas
atmosféricas, já que estas simplesmente iniciam um processo ao qual permite que
as primeiras circulem.
Outro aspecto importante diz respeito à utilização de religadores nas linhas de
distribuição. Estes dispositivos apresentam um desempenho bem satisfatório no que
diz respeito à interrupção da corrente subseqüente, no entanto, o sistema quando da
atuação do religador automático não deixa de passar por uma interrupção
momentânea, o que em muitos processos pode acarretar sérios danos. Portanto,
qualquer interrupção no fornecimento de energia é totalmente indesejável. Por
exemplo, uma paralisação momentânea da rede pela ação dos religadores, obriga o
desligamento de todos os motores do processo produtivo, já que os contatores dos
mesmos desatracam. Mesmo se os contatores forem retidos por algum processo,
98
seria necessário o desligamento, já que, caso contrário, haveria fenômenos
indesejáveis como sobrecorrentes devidas a reaceleração simultânea de motores e
conjugados transitórios nos eixos dos mesmos.
Em alguns casos o retorno do processo produtivo ao normal requer horas,
sendo que estas horas de parada de produção podem acarretar em prejuízos
incalculáveis para a empresa. Verifica-se, pelo exposto, que os religadores já não
estão atendendo as exigências dos consumidores modernos, sendo necessário
incorporar outros métodos de melhoria do desempenho nos sistemas de distribuição.
Uma observação importante de ordem geral, referente aos sistemas de
distribuição aéreos, é que, devido à classe de tensão dos mesmos, as sobretensões
temporárias não são significativas e, portanto, determinantes no grau de isolamento
a ser utilizado. As sobretensões transitórias, (principalmente aquelas provocados por
descargas atmosféricas) é que definem o isolamento mínimo utilizado. Para observar
este fato, basta verificar na Tabela 7 as características básicas de um isolador típico
de pino para linha aérea de 13,8 kV.
Tabela 7 - Características De Ensaio De Isolador Pino [38]
Tensão Nominal
Tensão Crítica
13 kV
Positiva
100 kV
x 50 µs) a seco
Negativa
130 kV
Tensão
Seco
65 kV
Sob Chuva
35 kV
de Impulso (1,2
Disruptiva à
Freqüência
Industrial
Conforme é possíevl observar o isolador em questão suporta continuamente
sob chuva (durante 1 minuto) uma tensão de freqüência industrial igual a 35 kV.
99
Portanto, ele pode trabalhar solicitado pela tensão fase-fase do sistema por algum
período.
Deste modo, caso o aterramento do neutro dos sistemas de distribuição
aéreos for executado de tal forma que elimine a possibilidade de sobretensão
transitória durante uma falta a terra, ele opera, em primeira instância, de modo
satisfatório. É neste contexto que a bobina de Petersen pode auxiliar alterando o
comportamento dos sistemas de distribuição face aos curto-circuitos fase-terra e
descargas atmosféricas, que são as causas principais das paralisações na
atualidade.
5.3
Princípios de Funcionamento
Neste método de aterramento, o sistema é aterrado através de um reator de
alta impedância, perfeitamente sintonizado com a capacitância fase-terra total do
sistema. O reator de impedância variável é denominado Bobina de Petersen em
homenagem ao seu inventor, que introduziu o conceito em 1917. Ele é também
conhecido como bobina de supressão de arco ou neutralizador de faltas à terra. A
bobina é normalmente conectada ao neutro do transformador da subestaçao ou a
um transformador de aterramento “zigzag”. Os sistemas com este tipo de
aterramento são freqüentemente referidos como sistemas compensados ou com
aterramento ressonante.
A principal característica deste método de aterramento está no fato do reator
sintonizado fornecer uma corrente indutiva de magnitude igual à corrente capacitiva
do sistema, porém 180 ° defasada, fazendo com que a corrente que circula pela falta
seja aproximadamente nula, a menos de uma componente resistiva da corrente
correspondente as perdas na isolação do sistema e a componente resistiva do reator
de aterramento, uma vez que não se consegue uma reatância pura. Assim a
corrente residual presente no ponto de falta, de característica predominantemente
resistiva, é facilmente extinta, eliminando assim o defeito. Mais adiante trata-se do
fenômeno de extinção de arco. A Figura 36 exemplifica o caso de um sistema com
neutro aterrado através da Bobina Ressonante, na presença de uma falta fase-terra,
indicando as correntes de falta. Percebe-se que a magnitude da corrente indutiva é a
mesma da soma das correntes que circulam pelas fases sãs.
100
Figura 36 – Sistema com Neutro Ressonante.
As equações a seguir demostram analiticamente a o fenômeno da Figura 36:
IN =
VFN VFN
=
X N ωL N
A corrente total capacitiva vale:
I CT =
VFN
= VFN ΣωCT
ΣX CT
Para que a corrente de falta à terra IF no ponto do defeito seja nula, a
condição a ser preenchida é que IF = ICT ou:
ωL N =
1
Σ ωC T
O que pode ser traduzida por:
LN =
1
ω ΣCT
2
Ou então:
101
L N ω 2 ΣCT = 1
Verificamos das equações anteriores que, a menos das componentes
resistivas (perdas no reator e nas capacitâncias) e dos harmônicos de ordem mais
alta, é possível tornar a corrente de curto fase-terra igual a zero no ponto de defeito.
Este método de aterramento do neutro do sistema tem um comportamento
muito semelhante ao sistema com o ponto de neutro isolado. A impedância
equivalente entre o ponto de neutro do sistema e a terra tem um valor muito alto,
sendo que o ideal seria um valor tendendo ao infinito. Como citado no capítulo 4, a
única corrente que circularia pelo ponto de falta seria a corrente capacitiva do
sistema, portanto um reator de impedância igual a impedância capacitiva do sistema
seria suficiente para anular a corrente que flui pelo ponto de falta.
É importante notar que na operação normal do sistema, a corrente capacitiva
que circula pelo sistema é nula, pois o sistema encontra-se equilibrado, não
propiciando um caminho de circulação para essas correntes. Convém ressaltar que
em sistemas de distribuição de energia que utilizam redes aéreas, onde não há uma
transposição dos condutores, naturalmente aparece um desequilíbrio devido às
indutâncias mutuas, originando uma corrente de circulação pelo ponto de neutro do
sistema e, esta corrente apesar de pequena, pode originar tensões relativamente
elevadas no ponto de neutro devido à alta impedância que ai se encontra devido ao
reator de aterramento ligado entre o ponto neutro e a terra. Este caso merece
especial cuidado e será tratado mais detalhadamente no capítulo seguinte.
Podemos notar também pela Figura 37 que no caso de uma falta à terra o
triângulo das tensões não se altera, o que acontece neste caso é uma elevação da
tensão do ponto neutro para um nível de tensão fase-neutro, assim o potencial de
neutro não é mais igual ao potencial de terra, como acontecia na operação normal
do sistema. Já as tensões das fases sãs (sem defeito) sofrem um elevação do seu
nível de tensão de √3 vezes. Quando o princípio de funcionamento adotado for a
operação contínua mesmo sob falta, o isolamento do sistema deve ser tal que
suporte continuamente o nível de tensão entre fases. Porém quando opção de
funcionamento não for a operação contínua, e sim o desligamento do sistema
102
quando de uma falta permanente, não há necessidade de um isolamento para
tensão fase-fase, apenas para tensão fase-neutro é suficiente.
Figura 37 – Comportamento do Sistema com Neutro Ressonante
em Condição Normal e sob Defeito.
Uma observação importante a respeito dos sistemas de distribuição que
utilizam esse método de aterramento (bobina ressonante) ou neutro isolado é sobre
a corrente de falta, pois a princípio ela praticamente não varia sua intensidade com a
posição da falta, ou seja, independentemente do ponto onde ocorre o defeito, a
magnitude da corrente será a mesma. Isto se deve ao fato do valor da impedância
de seqüência positiva e negativa ser infinitamente menor que a impedância de
seqüência zero do sistema. Como a impedância de seqüência zero é determinada
praticamente pela capacitância do sistema e pela impedância conectada entre o
ponto neutro do transformador e a terra, que neste método de aterramento é
praticamente infinita, tem que a impedância equivalente do sistema é composta na
sua quase totalidade pela impedância de seqüência zero. A variação do ponto de
defeito tem influência apenas nas impedâncias de seqüência positiva e negativa do
sistema, sendo essas desprezíveis frente à impedância de seqüência zero.
103
Podemos considerar então que o ponto onde ocorre a falta fase-terra também não
tem nenhuma influência no valor da corrente de defeito. O circuito equivalente deste
sistema é mostrado na Figura 38 a seguir, exemplificando tal fato:
Figura 38 – Circuito Equivalente de um Sistema com Neutro Aterrado por Bobina Ressonante.
Quando a reatância capacitiva do sistema for igualada pela reatância indutiva
da bobina, o sistema está totalmente compensado, ou a uma sintonia de 100%. Se a
indutância do reator não se igualar à capacitância do sistema, o sistema está fora de
sintonia. Ele pode estar sobrecompensado ou subcompensado, dependendo da
relação entre a indutância e a capacitância. De fato, na prática, taps no reator
permitem realizar essa sintonia, assim a corrente de falta à terra é muito pequena e
o arco não irá se manter. O circuito é um circuito de ressonância paralelo, e as
correntes de baixas amplitudes irão causar danos mínimos ao circuito e
equipamentos.
Quando este sistema é utilizado em redes de distribuição, torna-se difícil
apresentar uma boa sintonização quando há mudanças na topologia do sistema ou
comutação de ramais.
Um circuito de componentes simétricas é apresentado a seguir na Figura 39
com intuito de representar um sistema de distribuição, indicando na sequência as
principais características deste sistema. Com base neste circuito de componentes
104
simétricas e na representação do sistema feita na Figura 37, o seguinte
equacionamento foi realizado:
Em condições normais de operação, o sistema encontra-se balanceado, ou
seja, VAN = VAT, VBN = VBT e VCN = VCT. Quando uma falta à terra ocorre, a tensão
fase-neutro e a tensão fase-terra não são iguais.
Pelo triângulo das tensões da Figura 37, temos:
Vbt − Vbn − Vnt = 0
5.1
Vct − Vcn − Vnt = 0
5.2
Vnt + Van = 0
5.3
Vat − Vbt − Vct = 3V0
5.4
Assim;
5.5
Van + Vbn + Vcn = 0
Combinando as últimas equações:
Vat − Van + Vbt − Vbn + Vct − Vcn = 3V0
5.6
Vnt + Vnt + Vnt = 3V0
5.7
Finalmente temos:
5.8
Vnt = V0
Onde
Van , Vbn , Vcn → Tensões entre fase e o ponto neutro;
Vat , Vbt , Vct → Tensões entre fase e o ponto de terra;
Vnt → Tensão entre o ponto neutro e a terra;
V0 → Tensão de sequencia zero.
105
Figura 39 – Circuito de Componentes Simétricas para Sistema com Neutro Aterrado por
Bobina Ressonante.
Percebemos pela equação 5.8 que a tensão entre o ponto neutro e a terra
corresponde exatamente a tensão de sequência zero do sistema.
5.4
Extinção de Arco em Faltas à Terra
A maioria das falhas a terra causam um arco quando na sua ocorrência. A
corrente de falta é interrompida, quer através dos dispositivos de seccionamento ou
através de sua auto–extinção no momento em que a corrente passa por zero. Os
fatores que afetam a extinção do arco ao ar livre são a magnitude da corrente, a taxa
de recuperação de tensão, o tempo do arco existente, comprimento da centelha e a
velocidade do vento, sendo que a magnitude da corrente e a taxa de recuperação da
106
tensão são as mais importantes [39]. Isto provoca uma tensão transitória
freqüentemente chamada de tensão de re-estabelecimento. A capacidade de
extinção do arco depende da velocidade da taxa de recuperação da tensão no ponto
de falta, e esta é intimamente ligada a parâmetros como: indutância e capacitância
do sistema. A menor inclinação da recuperação de tensão é a principal razão pela
qual a possibilidade de extinção de arcos com o maior magnitude de corrente é
muito maior em sistemas compensados do que em sistemas isolados.
Em redes compensadas, a extinção do arco é muito sensível à sintonização
da bobina supressora de arco (bobina de Petersen). Em ensaios realizados em
campo [40], verificou-se que o grau de compensação (sintonização da bobina) não
deve ser inferior a 75 % e nem superior a 125 %, pois a chance de extinção do arco
fica consideravelmente menor de acontecer. Em redes parcialmente compensadas
com baixo grau de sintonização, a utilização de um resistor, corretamente
dimensionado, em paralelo com a bobina supressora de arco diminui a inclinação e a
amplitude da tensão de recuperação transitória.
Figura 40 – Limites de corrente para extinção de arco em sistema Isolado (1) e em sistema
ressonante (2) [41].
107
De acordo com a Figura 40, para o nível de tensão de 13,8 kV, os limites de
corrente de falta à terra para que seja possível a extinção do arco são de
aproximadamente 60 A e 35 A em redes compensadas e com neutro isolado
respectivamente,. Esse valor pode ser menor ainda para o sistema com neutro
isolado, pois esse sistema esta muito sujeito sobretensões transitórias de alta
magnitude. Em redes de distribuição rurais, normalmente utilizam-se os chamados
“descarregadores de chifre” para proteção dos transformadores de pequeno porte
contra os elevados níveis de sobretensões. Neste caso o arco não é tão livre para se
deslocar, como no caso de uma descarga através de isoladores de cadeia por
exemplo. Devido a este fato, os limites de corrente mencionados acima são
consideravelmente mais baixos, 20 A e 5A, respectivamente [42].
Nas Tabela 8 e
Tabela 9 são apresentados valores de correntes capacitivas para diversos
níveis de tensão para redes aéreas e cabos isolados.
Tabela 8 – Corrente Capacitiva Resultante de um Defeito Fase-terra em mA.
kV da Rede
mA / km
13,8
90
23,0
90
34,5
124
46,0
162
69,0
242
Os dados da Tabela 8 foram retirados de WESTINGHOUSE ELECTRIC
CORPORATION; “Electrical Transmission and Distribution Reference Book” [51].
Percebe-se claramente que a intensidade da corrente capacitiva está
diretamente relacionada com o comprimento e com o nível de tensão da rede.
108
Portanto redes com nível de tensão muito elevado ou com grande extensão
encontram maior dificuldade de aplicação do conceito de “neutro ressonante”, pois
os critérios de extinção de arco se tornam mais difíceis de serem alcançados.
Tabela 9 – Corrente Capacitiva Resultante de um Defeito Fase-terra em cabos
Isolados em A / km.
Seção
Tensão (kV) 4/0 AWG (120 mm2) 500 MCM (240 mm2)
A / km
A / km
0,48
0,33 a 0,46
0,43 a 0,59
2,4
0,85 a 1,05
1,18 a 1,51
4,16
1,44 a 1,77
2,10 a 2,62
6,9
2,10 a 2,43
2,62 a 2,95
13,8
2,95 a 3,61
3,94 a 4,92
110,0
18, 0
20, 0
Tabela 9 foram retirados de BURKE, J. J., LAWRENCE, D. J.;”Caracteristic of
Fault Current on Distribution Systems” [50].
As correntes capacitivas nos cabos isolados apresentam valores mais
elevados quando comparadas com redes aéreas de distribuição, tal fato prejudica a
aplicação do conceito de “neutro ressonante”, porém não o torna impeditivo.
Ressalta-se que a aplicação deste conceito em cabos isolados é bem mais
complexa e possui algumas particularidades.
109
5.5
Formas e Possibilidades de Aplicação da Bobina de
Petersen
A Bobina de Petersen pode ser empregada com maior ou menor grau de
sofisticação dependendo da aplicação.
Em sistemas aéreos a sua aplicação é extremamente vantajosa, pela
eliminação do arco de freqüência fundamental, em torno dos isoladores, como já
discutido. No entanto, devem ser considerados os casos de redes aéreas fixas e
redes aéreas que sofrem modificações freqüentes na sua topologia.
Em redes aéreas fixas (por exemplo, linhas de usinas geradoras, linhas de
consumidores fixos, etc.), o emprego é simples, pois a Bobina não sofre alteração no
seu valor de indutância. Uma bobina com derivações alteradas manualmente (que
são utilizados eventualmente, por exemplo, na ocasião do “start up”) é suficiente.
Já quando a topologia da rede é freqüentemente variada, a bobina requer
também alterações freqüentes no valor de sua indutância. Até recentemente este
era um dos grandes inconvenientes, pois os recursos técnicos disponíveis eram
poucos, resumindo-se a ajustes finos nos tapes ou alterações do entreferro da
bobina (execução tipo êmbolo móvel). Além disto, os recursos de medição e
controle, para verificação da rede e posterior modificação da bobina eram escassos.
Apesar disto, muitos progressos foram feitos, dando origem a esquemas
sofisticados, porém caros.
Atualmente existem diversas maneiras de se aplicar a “Bobina de Petersen”,
principalmente devido à grande evolução da eletrônica de potência, porém o
princípio de funcionamento sempre é o mesmo, ou seja, ela deve fornecer uma
corrente indutiva que anula a componente capacitiva da corrente de defeito fase à
terra. A evolução de sua aplicação consiste basicamente em técnicas que melhorem
a sintonização de sua corrente indutiva com a corrente capacitiva do sistema. Sua
aplicação pode ser planejada para duas formas de operação principais:
•
Planejada para eliminar apenas fenômenos de curta duração,
provocados principalmente, por descargas atmosféricas e outros fenômenos
transitórios e (animais, árvores, etc);
110
•
Planejada para operar sem desligamento durante uma falta a terra
sustentada, mantendo o sistema operante mesmo em condição de falta à terra.
No primeiro caso combina-se a bobina no neutro com um dispositivo de
chaveamento mecânico (disjuntor, contator, chave de aterramento rápido) ou
tiristorizado, que aterra o sistema na sua forma original após 3 a 5 segundos de
ocorrência da falta.
Esta faixa de tempo é suficiente para comprovação de que uma falta é ou não
de curta duração e que foi eliminada ou não pela bobina. Assim, após o retorno do
sistema a sua forma de aterramento original, as proteções de falta a terra operam
seletivamente isolando apenas o ramal defeituoso. De acordo com [53] esta técnica
evita a operação dos religadores rápidos em até 90% contribuindo de forma notável
para a qualidade de energia do sistema, principalmente no tocante aos
consumidores com equipamentos eletrônicos sensíveis. Com a introdução dos relés
digitais que empregam a técnica de detecção de faltas a terra com alta impedância,
associados a sistemas de distribuição automatizados, não é necessário o
chaveamento do neutro, simplificando o sistema.
No segundo caso, o sistema não é desligado durante a falta a terra até que a
mesma seja removida pela equipe de manutenção. A remoção da falta em geral é
realizada paralizando-se programadamente uma pequena parte do sistema, ou
mesmo em linha viva, dependendo das circunstancias e dos ganhos que se deseja
obter junto ao consumidor final.
Já a aplicação da Bobina de Petersen em sistemas com cabos isolados não
obtem resultados satisfatórios, tornando-se alguns casos um inconveniente ao invés
de uma solução. Em cabos isolados, o rompimento da isolação é definitivo. Mesmo
que a descarga inicial seja extinta, não existe recuperação da isolação devido as
pequenas distancias entre o condutor de fase e a blindagem dos cabos (média
tensão). Desta forma, o arco no ponto de defeito reascende após o retorno da
tensão normal, podendo voltar a se extinguir na passagem da corrente por zero.
Este processo de extinção e reignição periódica terminam por afetar a isolação
adjacente, sendo que em geral o curto evolui de monofásico para polifásico. Outro
inconveniente é que, durante o processo de extinções e reignições sucessivas são
111
geradas sobretensões transitórias das fases sãs para a terra. Qualquer ponto fraco
na isolação destas fases dá origem a um duplo curto à terra (falta fase-fase-terra),
que provoca, com grande possibilidade, a abertura do disjuntor e a introdução de
riscos para as pessoas e equipamentos.
Deve-se observar que a reignição do arco, em sistemas com cabos isolados
se deve a forte componente residual (resistiva) não compensada pela bobina. Esta
componente resistiva é uma característica inerente dos cabos isolados, sendo
devidas as perdas dielétricas nos mesmos.
Na concepção moderna da Bobina de Petersen estes inconvenientes podem
ser eliminados, conforme mostrado a seguir.
5.6
Vantagens da Aplicação da Bobina de Petersen
O aumento da T.S.I (Tensão Suportável sob Impulso) das estruturas das
linhas de distribuição além de torná-las mais caras, pode trazer outros
inconvenientes como por exemplo:
• Já que a tensão disruptiva crítica dos isoladores foi aumentada, uma
tensão maior atinge os equipamentos de distribuição, localizados ao
longo da linha. Desta forma é possível que ocorra uma elevação das
taxas de falhas dos mesmos.
• De forma especial os pára-raios de resistor não linear são mais
solicitados, e certamente devem ter seu número de falhas aumentado.
A aplicação da Bobina de Petersen ao invés de prever o aumento da
T.S.I das estruturas, trabalha no sentido de controlar as correntes de curto
fase-terra, atuando apenas na forma de aterrar o neutro do transformador que
alimenta a rede aérea, situado na subestação principal de distribuição. É,
portanto uma solução localizada.
Pelo principio de funcionamento da Bobina de Petersen, durante a
ocorrência de um curto à terra, a corrente, no ponto do curto, se aproxima do
valor nulo.
112
Como aproximadamente de 60 à 90 % dos defeito em uma rede de
distribuição são fase-terra (considerando fase-neutro como fase-terra), o
controle deste curto pode evitar um grande número de desligamentos
principalmente devido a descargas atmosféricas.
Deste modo, é possível antever as seguintes vantagens na aplicação
da Bobina de Petersen:
• Possibilidade de trabalhar com a T.S.I das estruturas no níveis
atuais (dependendo da filosofia de aplicação da Bobina de
Petersen),
com
melhor
proteção
dos
equipamentos,
principalmente transformadores, e menor custo das estruturas.
• Redução drástica na operação dos religadores, pela eliminação
da corrente subseqüente de 60 Hz, que ocorre durante a
disrupção
dos
isoladores
nos
períodos
de
descargas
atmosféricas.
• Eliminação da corrente subseqüente nos pára-raios a resistores
não linear com centelhadores, aumentando-se a confiabilidade e
a vida útil destes dispositivos, além de eliminar as operações de
fusíveis e religadores causadas pelas correntes subseqüentes
destes dispositivos.
• Eliminação da queima de elos fusíveis devido à corrente
subseqüente associadas com a disrupção de isoladores, durante
períodos de descargas atmosféricas.
• Redução do número de trincas e rupturas dos isoladores de pino
e cruzetas, com a redução conseqüente das paradas de
manutenção programadas.
•
Redução drástica das interferências nas redes telefônicas ao
eliminar a corrente de defeito fase-terra.
113
• Melhoria fundamental no aspecto de segurança nas redes de
distribuição, pela eliminação das tensões de toque, passo e
transferida, provocadas por curtos fase-terra.
5.7
Dificuldades de Aplicação da Bobina de Petersen
Como qualquer tecnologia, a “Bobina de Petersen” possui algumas dificuldades
quanto a sua aplicação, que podem ser em maior ou menor grau, dependendo das
características do sistema onde se deseja emprega-la. A primeira dificuldade diz
respeito ao aspecto cultural, que implica em desconforto ao se abandonar uma
tecnologia dominada em favor de outra ainda desconhecida. As outras, de caráter
técnico, são as seguintes:
•
Em sistemas que utilizam a tecnologia de proteção tradicional, a deteção e
localização do ponto de ocorrência da falta são dificultadas, na operação
sustentada.
•
Durante a falta a terra, a tensão nas fases sãs sobe de √3 (sobretensão
temporária). Para operação de curta duração, a isolação do sistema de
distribuição
suporta
sem
restrições
(basta
lembrar
a
capacidade
normalizada de 1 minuto dos equipamentos. Para 13,8 kV é de 35 kV). Para
operação sustentada durante várias horas pode haver restrições na
suportabilidade de cabos isolados e equipamentos. A isolação da linha em
si não constitui impedimento, pois em geral ela é sobredimensionada para
suportar surtos atmosféricos e de chaveamentos. Os pára-raios de resistor
não linear a óxido metálico sem centelhadores necessitam ser substituídos
obrigatoriamente quando da possibilidade de operação sustentada, e
quando isto não for previsto estudado o seu T.O.V (“Temporary
Overvoltage”) para operação de curta duração. De uma forma geral,
vencida as restrições quanto a isolação, pode-se empregar a “Bobina de
Petersen” economicamente até o nível de tensão de 220 kV, como, por
exemplo, na Alemanha e paises Nórticos.
•
Uma última restrição técnica diz respeito ao domínio completo da
tecnologia. O emprego da bobina exige que em qualquer curto fase-terra,
114
seja mantida a sintonia, isto é, corrente indutiva igual à capacitiva. Em
linhas de comprimento fixo, esta condição não representa nenhuma
dificuldade. A bobina é projetada com algumas derivações para ajuste de
sintonia somente no momento de posta em marcha. Já nas linhas cuja
topologia pode mudar ocasionalmente (linhas de distribuição com vários
ramais e sistemas industriais) é necessário que a bobina disponha de
método de variação continuo (ou ajuste fino) associado a uma medição
também continua da corrente capacitiva (esta restrição impediu o uso
disseminado da bobina na maioria dos paises do mundo).
5.8
Análise
do
Funcionamento
dos
Sistemas
de
Distribuição e Equipamentos Associados
Como é possível verificar pelo exposto até agora, os sistemas que utilizam o
ponto de neutro aterrado através de bobina ressonante apresentam comportamento
em condições de falha à terra, que permite reduzir as altas correntes de defeito
minimizando em muito os desligamentos ocorridos no sistema. Porém, como citado
anteriormente, não se consegue conciliar ou minimizar altas correntes e ao mesmo
tempo eliminar ou minimizar as sobretensões no sistema na ocorrência de uma
falha. Portanto, deve-se realizar uma análise criteriosa dos efeitos das sobretensões,
principalmente quando se adota a utilização deste método para manter o sistema
operando mesmo sob condições de falha.
Quando a opção de aplicação da Bobina de Petersen é concebida apenas
para eliminar defeitos transitórios, ou seja, aterrando-se o sistema solidamente após
alguns segundos, o tempo que o sistema fica sujeito a sobretensão é muito
reduzido, diminuindo os efeitos que essa sobretensão pode causar no sistema e
seus equipamentos. Já quando se utiliza a Bobina de Pertersen procurando obter
uma operação contínua sob falha, o sistema elétrico fica sujeito à sobretensões por
um grande período de tempo, o que pode acarretar em sérios defeitos. Como
discutido anteriormente, quando se adota esta ultima opção de aplicação deve-se
obrigatóriamente alterar toda a coordenação de isolamento e elevar o nível de
isolação de cada fase para a tensão entre fases, assim como modificar a
especificação de diversos outros equipamentos como os pára-raios, isoladores, etc.
115
5.8.1 Sobretensões nos sistemas de distribuição
Em primeira instância as sobretensões são classificadas, simplesmente
segundo sua origem e segundo sua duração. Segundo sua origem, são
denominadas como de origem externa e origem interna. Segundo sua duração,
respectivamente em sobretensões temporárias e sobretensões transitórias.
As sobretensões de origem externa são aquelas devidas à descargas
atmosféricas diretamente incidentes sobre o sistema ou causadas por indução
devidas a descargas próximas. Também contatos acidentais com redes de tensões
mais elevadas devido, por exemplo, a ruptura ou queda de uma linha de transmissão
ou falha da isolação do lado de alta tensão para o lado de média ou baixa tensão,
podem ser classificadas como sobretensões de origem externa.
As sobretensões de origem interna ocorrem devido a uma modificação brusca
da topologia da rede devida, por exemplo, ao ato de ligar ou desligar uma linha ou
uma carga, ou na ocorrência de curto-circuitos locais.
5.8.1.1 Sobretensões temporárias
São aquelas que ocorrem entre fase e terra ou entre fases sendo de natureza
oscilatória, e de duração relativamente longa (desde frações de segundos até horas
dependendo da filosofia de proteção empregada). São também de natureza
fracamente amortecidas ou mesmo não amortecidas.
Pelo exposto verifica-se que este tipo de sobretensão é de fundamental
importância na determinação da classe de isolação do sistema, na especificação de
pára-raios e dispositivos de proteção de surtos, e, portanto, de forma geral, na
coordenação de isolamento. Esta importância se faz presente ainda que os valores
deste tipo de sobretensão sejam inferiores aos valores alcançados por outros tipos
de sobretensões. As sobretensões temporárias se caracterizam por:
• Duração sempre superior a dezenas de milissegundos;
• Geralmente de valor inferior a 1,5 vezes o valor de pico da tensão
nominal;
116
• De freqüência menor ou no máximo igual à freqüência fundamental da
rede.
Podem ser causadas por:
• Curto circuito, em geral de fase para a terra;
• Manobras como rejeição de carga;
• Fenômenos não lineares (ferro ressonância);
• Efeito ferrante (elevação da tensão em determinado ponto do sistema
devido à corrente capacitiva).
5.8.1.2
Sobretensões transitórias
Estas sobretensões podem ser separadas didaticamente em sobretensões de
manobra e de descargas atmosféricas. Podem ocorrer entre fase e terra ou entre
fases, sendo caracterizadas por uma onda transiente caracterizada por um tempo
até o valor de pico (tempo de frente), e o tempo para sua redução à metade do valor
de pico (tempo de cauda).
A Tabela 10 compara as características das sobretensões de manobra e
atmosférica.
Tabela 10 – Caracteristicas das Sobretesões de Manobra [54]
Características
Sobretensão de
Manobra
Sobretensão
Atmosférica
Tempo de Frente
Entre 100 e 500 µs
Até 20 µs
Tempo de Cauda
Até 2500 µs
Até 50 µs
Freqüência
Entre 10 KHz e 20 KHz
Maiores que 50 Khz
Valores
Valores Máximos em
Torno de 4 P.U.
Valores Máximos
Próximos ou uperiores
A 6 P.U.
Causas
- Energização e
Desligamento de Linhas
de Transmissão;
- Interrupção de Faltas.
Descargas
Atmosféricas
117
Da Tabela 10 verifica-se que as sobretensões de origem atmosféricas são de
duração muito curta (pequeno tempo de frente de onda, ou seja, crescimento
rápido).
Este tipo de sobretensão solicita mais a isolação de enrolamentos
(transformadores, reatores, geradores e maquinas girantes no geral) do que outras
sobretensões. Especificamente em maquinas girantes e outros equipamentos que
utilizam isolação sólida, é necessário utilizar capacitores de surto associados à páraraios na proteção destes equipamentos, isto porque este tipo de isolação (sólida) é
mais sensível à ondas com crescimento rápido do que outros tipos de isolação.
Também suportam proporcionalmente menores valores de tensão. O capacitor de
surto reduz a taxa de crescimento da tensão, enquanto que os pára-raios limitam os
valores de pico.
Até cerca de 230 kV a isolação é definida pelas sobretensões de descargas
atmosféricas. A partir de 345 kV a isolação passa a ser definida pelos surtos de
manobra.
118
Figura 41 – Valores e Tempos Característicos de Diversos Tipos de Sobretensões [54].
119
Capítulo 6 SIMULAÇÃO DE CASO
6.1
Importância e Validade das Simulações
Um método de estudo e análise da viabilidade da aplicação de um novo
método de aterramento do ponto neutro dos sistemas de distribuição pode ser obtido
através de simulações que retratem com o máximo de fidelidade as condições reais
deste sistema. Através de simulações é possível prever, com algumas ressalvas, o
comportamento do sistema para esta nova condição de aterramento do ponto
neutro. As simulações realizadas visam modelar uma rede de distribuição de energia
elétrica semelhante às encontradas em muitos estados do Brasil.
As redes de distribuição de energia elétrica encontradas no Brasil, como
descrito no capítulo 2, são muito complexas e diversificadas. Porém algumas
características são comuns a grande maioria delas. São predominantemente aéreas,
compostas por cabos nus sustentados por isoladores de vidro ou porcelana fixados
120
em estruturas (cruzetas) de madeira. Apresentam também grande ramificação para
atenderem as cargas em grande espaço geográfico. No Brasil existem na área rural
alguns ramais monofásicos, que apesar de cobrirem uma grande extensão, possuem
uma carga muito pequena.
Existem diversos tipos de cargas ligadas a essa rede de distribuição, cargas
trifásicas, monofásicas e cargas ligadas entre fases. Para simular tal rede é
conveniente representar todas essas cargas do sistema.
Um ponto a destacar em qualquer simulação que se queira realizar é definir
bem que tipo de estudo de pretende fazer e quais resultados são esperados. Em
muitos casos não é necessário representar todos os elementos existentes em uma
rede de distribuição, mas sim aqueles principais, de grande relevância para o
resultado das simulações.
Na simulação realizada foi dada maior atenção ao comportamento do sistema
em relação às sobretensões e as correntes de defeito para uma falha fase-terra. A
Figura 42 mostra de maneira simplificada o desenho da rede simulada. Procurou-se
representar uma rede ramificada alimentando diferentes tipos de cargas. Maiores
detalhes são fornecidos mais adiante.
Figura 42 – Desenho Simplicado da Rede de Distribuição para Simulação.
121
6.2
Simulação de uma Rede de Distribuição de Energia
A rede simulada foi montada no software ATP Draw, sendo que a Figura 43
ilustra a rede utilizada para as simulações.
122
Figura 43 – Rede para Simulação no Software ATP.
123
Uma rede de distribuição de energia elétrica real apresenta vários ramais,
alimentando diversos tipos de cargas, assim a rede simulada tenta representar todas
as características de um sistema real. Na rede simulada, foram representados três
ramais principais saindo de uma subestação, e cada um desses ramais apresenta
ainda outras ramificações de diversos comprimentos. Foi utilizada também uma
fonte trifásica de energia, devendo-se ressaltar que o modelo utilizado representa
uma fonte simétrica, ou seja, que forneça uma tensão sem presença de distorções.
Apesar de um sistema real apresentar uma tensão que na maioria dos casos contem
alguma distorção, ficaria muito difícil simular uma fonte que representasse fielmente
as distorções existentes no sistema, pois cada rede pode apresentar um nível
diferente de distorção. Assim um modelo com uma fonte simétrica se adéqua bem
ao estudo e fornece resultados satisfatórios.
A simulação deve contemplar os diversos tipos de cargas existentes e a
implicação que essas cargas trazem para os resultados do estudo, assim diferentes
modelos de cargas foram representados. Buscou-se também realizar uma análise da
rede de distribuição quanto a sua simetria, ou seja, deve-se analisar o caso de uma
rede transposta e não transposta, o que pode acarretar em uma variação das
impedâncias do sistema, causando um desequilíbrio neste.
6.2.1 Cargas do sistema
Existem muitas representações possíveis para as cargas, e também diversos
tipos de cargas que devem ser representadas para simulação do sistema. Uma
representação que apresenta bons resultados em uma simulação é o modelo de
carga tipo RLC, ou seja, uma composição entre as componentes resistivas, indutivas
e capacitivas da carga. Deste modo, variando-se os parâmetros R, L e C é possível
representar uma grande variedade de cargas.
O software ATP possibilita o ajuste destes parâmetros, bem como o tipo de
ligação das cargas, “estrela” ou “triângulo”, apresenta também representação de
cargas com ligação trifásicas, monofásicas ou entre duas fases.
124
6.2.1.1 Cargas trifásicas
As cargas trifásicas representam a grande maioria das cargas existentes no
sistema, e são responsáveis por grande parte do consumo de energia. Elas podem
ser equilibradas ou desequilibradas, ou seja, suas impedâncias por fase podem
diferir em módulo e ângulo. A Figura 44 apresenta o caso de uma carga com ligação
trifásica em “estrela”, com diferentes impedâncias por fase, tanto em móludo quanto
em ângulo.
Figura 44 – Modelo de Carga Trifásica Desequilibrada Ligada em “Estrela”.
6.2.1.2
Cargas monofásicas
As cargas monofásicas são menos utilizadas nos sistemas de distribuição, no
Brasil a sua maior aplicação encontra-se em estabelecimentos residenciais,
principalmente na área rural. As redes de distribuição de energia nas áreas rurais
geralmente apresentam grande extensão, porém possuem uma pequena densidade
de carga, por isso em muitos casos, vizando uma economia de recursos, muitas
linhas rurais são monofásicas. A Figura 45 mostra a representação de tal carga no
software ATP.
125
Figura 45 – Modelo de Carga com Ligação Monofásica.
6.2.1.3
Cargas entre fases
As cargas com ligação entre fases, assim com as cargas monofásicas,
apresentam menor aplicação nos sistemas elétricos, e são responsáveis por uma
pequena parcela do consumo de energia elétrica. A Figura 46 a seguir exemplifica a
representação de uma carga com ligação entre fases no software ATP.
Figura 46 – Modelo de Carga com Ligação entre Fases.
6.2.2
Rede simétrica e não simétrica
Um efeito que tem grande relevância no funcionamento das redes de
distribuição de energia é o acoplamento eletromagnético entre as fases da rede.
Devido a distribuição espacial dos condutores das fases ser paralela, o circuito da
fase do meio é submentido a um maior acoplamento eletromagnético. Tal fato
126
acarreta em diferentes valores de impedâncias para cada fase, o que gera um
desequilíbrio natural no sistema. Esse desequilíbrio se reflete nas correntes do
sistema, e provoca a circulação de uma pequena corrente residual pelo ponto de
neutro retornando pela terra. Um método de mitigação desse problema seria a
transposição dos condutores em certos intervalos de trechos. Esse tipo de solução é
bastante empregado em sistemas elétricos de transmissão de energia elétrica.
Porém na grande maioria das redes de distribuição de energia elétrica
utilizadas no Brasil, não há a transposição dos cabos condutores, acarretando o
desequilíbrio das correntes do sistema. Desta maneira é necessário representar
esse fenômeno nas simulações. Uma questão importante é avaliar o efeito desse
desequilíbrio no sistema, e também quais seriam os prejuízos ocorridos em uma
simulação que não considerasse esse fenômeno. Assim, simulou-se a rede de
distribuição considerando as duas abordagens: uma com a rede de distribuição
simétrica e outra considerando a assimetria causada pelo fenômeno de indução
eletromagnética. É interessante ressaltar que o software ATP apresenta essa
possibilidade de simulação, basta apenas selecionar o campo transposição na
entrada de dados do modelo da rede.
6.2.2.1
Sistema perfeitamente equilibrado
Para que haja uma sintonia ou ressonância no momento de falta, é
necessário que a corrente fornecida pela Bobina de Petersen tenha amplitude igual
a da corrente de defeito capacitiva do sistema. Dessa forma, baseado nas
simulações, procurou-se, no exemplo em questão, encontrar um valor de corrente
fornecido pela Bobina de Petersen, ou seja, um valor ôhmico que satisfaça essa
sintonia. A partir da variação de valores de corrente fornecidos pela bobina nas
simulações, obteve-se o Gráfico 12 que apresenta uma boa indicação do melhor
valor de corrente que deve ser fornecido pela bobina. Já o Gráfico 13 fornece esta
mesma informação, porém com valores ôhmicos da bobina.
Deve-se ressaltar que para uma aplicação real, a Bobina de Petersen deve
ser provida de derivações que permtam um ajuste no seu valor ôhmico. Essas
derivações são necessárias para permitir alguma mudança futura na topologia da
rede, desde que não seja muito drástica. Uma alternativa é a utilização de um
127
sistema de comutação sob carga ou ainda um banco auxiliar de capacitores
chaveados. É importante lembrar que qualquer mudança na topologia da rede deve
ser acompanhada de uma mudança na compensão fornecida pela bobina para que
ocorra ressonância. Um ponto de operação que não esteja em perfeita ressonância
é admissível também, porem os pontos limites de trabalho devem ser estudados
com cautela. A literautra sobre o assunto [53] informa que o limite de até 20 % acima
ou abaixo da sintonia ainda possibilita a operação com razoável qualidade.
0.001
UN/UFT
0.0001
1E-005
1E-006
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Corrente Reator [A]
Gráfico 13 – Valor Ótimo da Corrente para Ressonância.
128
90
0.001
UN/UFT
0.0001
1E-005
1E-006
200
600
1000
1400
1800
2200
2600
Reator Neutro [Ω]
Gráfico 13 - Valor Ôhmico Ótimo para Ressonância.
6.2.2.2
Corrente de desbalanço permanente
Na simulação da rede de distribuição de energia elétrica onde foi considerado
o efeito da indução eletromagnética sem a transposição dos condutores,
observando-se que existe a presença uma corrente de desbalanco permanente no
sistema. Essa corrente de desbalanco já era esperada como foi citado item anterior.
A questão que realmente interessa é o efeito que essa corrente de desbalanço pode
provocar no sistema.
Como dito anteriormente, essa corrente de desbalanço apresenta uma
amplitude muito pequena quando comparada a corrente de carga do sistema,
ficando por volta de algumas dezenas ou centenas de mili-amperes. Para avaliar o
efeito dessa corrente não basta olhar apenas sua amplitude, mas sim qual o
caminho que ela percorre, bem como qual o valor da impedância desse caminho. A
Figura 47 mostra valores obtidos da rede simulada, comprovando que essa corrente
de desbalanço possui uma pequena amplitude.
129
Figura 47 – Corrente de Desbalanço Permanente.
Nos sistemas de distribuição de energia elétrica tradicionamente utilizados no
Brasil, onde o ponto de neutro do sistema é aterrado solidamente, essa corrente de
desbalanço não acarreta grandes problemas. Isso se deve ao fato da corrente de
desbalanço percorrer um caminho de “baixa impedância” associado como o fato do
ponto de neutro ser solidamente aterrado. Assim nenhuma tensão com elevada
amplitude é associada com a circulação dessa corrente.
Já um sistema com o ponto neutro aterrado através de uma impedância de
alto valor, como no caso do aterramento através da Bobina de Petersen, a corrente
de desbalanço encontra um caminho para circulação de “alta impedância”. Essa
corrente de desbalanço apesar de apresentar pequenas amplitudes, ao passar por
um caminho de “alta impedância” associado com o modo de aterramento do ponto
de neutro do sistema ressulta em tensões de valores elevados que se concentram
praticamente no ponto neutro do sistema, pois aí se encontra a maior parte da
impedância vista pela corrente de desbalanço, uma vez que a impedâncias dos
cabos condutores são praticamente desprezíveis. Na Figura 48 encontram-se
130
valores obtidos da simulação que chegam próximos a 1800 V, que podem ser
considerados como muito elevados.
Figura 48 – Tensão no Neutro Devido Corrente de Desbalanço.
Caso nenhuma medida mitigadora seja tomada, a tensão elevada, de carácter
permanente devido a constante circulação da corrente de desbalanço, que aparece
no ponto neutro do sistema pode acarretar diversos danos ao sistema, como a
fadiga da isolação dos equipamentos, a perda de equipamentos e sérios riscos a
segurança pessoal e patrimonial.
6.2.2.3
Mitigação
das
sobretensões
através
de
resistor
de
amortecimento
A convivência com elevados níveis de tensão no ponto neutro do sistema
torna-se impraticável devido a diversos problemas citados anteriormente. Portanto,
medidas que contornem esse problema devem ser tomadas. Uma solução que foi
analisada e proposta é a utilização de um resistor de amortecimento conectado em
série com a Bobina de Petersen, esse resistor é normalmente conectado ao
131
secundário de um transformador e este ligado em série com a bobina. Desta
maneira acrescenta-se uma resistência de amortecimento elevada em série com a
impedância da Bobina de Petersen, criando um divisor de correntes. Este conceito
pode ser entendido pela transformação da impedância série em paralela, sendo que
deste modo, é criado um caminho de baixa impedância com o circuito ressonante
formado pela Bobina de Pertersen e as capacitâncias para a terra da rede. A Figura
49 a seguir mostra a aplicação deste resistor de aterramento, conectado através de
um transformador, nas simulações.
Figura 49 – Utilização de um Resistor de Amortecimento.
A Figura 53 ilustra a transformação realizada:
132
Figura 53 – Transformação de parâmetros no processo de amortecimento por meio da
inserção de resistências em série com uma Bobina de Petersen.
Varias simulações foram realizadas para diversos valores de resistência,
buscando um melhor amortecimento do valor da tensão de neutro. O Gráfico 14 foi
obtido a partir dessas simulações. Nota-se que a partir de certo valor de resistência
do resistor de amortecimento a divisão das tensões permanece aproximadamente a
mesma, ou seja, um acréscimo no valor da resistência não implica em uma melhor
amortização da tensão de neutro.
133
UN /UFT
1
0.1
0.01
0
1000
2000
3000
4000
5000
Resistência de Amortecimento Referida [Ω]
Gráfico 14 – Divisão da Tensão x Valor Resistor de Amortecimento.
6.2.3 Cálculo das capacitâncias distribuídas do sistema
A capacitância distribuída do sistema não é um parâmetro simples de se
estimar, pois depende de muitos fatores, dentre os principais o comprimento da rede
de distribuição, a geometria das estruturas da rede, a disposição espacial dos
condutores, altura das torres e postes, os tipos de condutores, cabos nus ou
isolados, entre outros. Percebe-se então que esta não é uma tarefa fácil de realizar.
O fator de grande relevância para determinação da capacitância dos sistemas
elétricos de distribuição de energia diz respeito às manobras e chaveamento de
trecho das redes. Em alguns circuitos que alimentam cargas críticas existe a
possibilidade de fornecimento de energia através de dois ou mais caminhos. Assim
quando um circuito é desligado por defeito ou retirado para manutenção, a
concessionária de energia manobra os circuitos de forma que a energia elétrica
possa ser fornecida por outro circuito, que anteriormente poderia estar energizado
ou até desenergizado. Assim, para a determinação dos parâmetros para o cálculo da
capacitância do circuito deve-se sempre tomar o cuidado de analizar as disposições
das redes e as suas conexões.
Desta forma, para uma aplicação real onde se necessita de valores mais
exatos da capacitância do sistema, recomenda-se a medição em campo, porém em
134
muitos casos um cálculo prévio, baseado em alguns parâmetros da rede, pode
atender devidamente as necessidades.
O Software ATP possui uma rotina de cálculo de capacitância baseada em
algumas características físicas da rede. Deste modo, é de vital importância que a
rede seja modelada buscando-se representar fielmente seu aspecto físico ou os
modelos e normas de construção de redes aéreas de distribuição de energia que se
procura estudar.
Deste modo, diversos dados baseados em modelos e normas construtivas de
redes de distribuição de energia elétrica utilizadas por concessionárias de
distribuição de energia elétrica do Brasil foram utilizados. Utilizou-se um modelo de
representação da rede através de módulos com pequenos comprimentos que
somados representam toda a extensão da rede, obtendo-se melhores resultados nas
simulações. A Figura 54 exemplifica este tipo de representação.
Figura 50 – Representação Rede de Distribuição no Software ATP.
Para cada bloco representado na rede devem ser fornecidos dados que
caracterizem a rede física, como altura das torres, distancia entre os condutores,
impedância dos condutores, entre outros. Um exemplo da entrada desses dados no
software ATP pode ser visto na Figura 55.
135
Figura 51 – Entrada de Dados no Software ATP para Representação de Rede.
6.2.4 Aplicação de curto-circuitos fase-terra em diferentes
pontos do sistema
O objetivo principal das simulações é verificar o critério de extinção da
corrente de falta no ponto de defeito, determinando através das simulações qual o
melhor nível de corrente para que ocorra a extinção da corrente de falta,
reestabelecendo assim as condições normais de operação do sistema.
Para avaliar o comportamento do sistema quando submetido a uma falta faseterra, deve-se aplicar defeitos em diversos pontos, e analisar o comportamento do
mesmo. Como demonstrado no Capitulo 5, espera-se que o ponto de aplicação do
defeito não interfira na intensidade corrente de falta. Outra questão que deve ser
analisada e simulada é a influência da impedância de falta, ou seja, caso o defeito
136
não seja uma falta sólida e apresente uma resistência de contato com a terra, qual a
implicação deste fato na intensidade da corrente.
Para aplicação do defeito na rede simulada, utilizou-se uma chave de
aterramento, onde os parâmetros tempo de fechamento e abertura podem ser
ajustados. Quando se necessita simular a aplicação de um defeito com resistência
de falta utiliza-se uma resistência em série com a chave de aterramento. A Figura 52
a seguir exemplica o que foi escrito.
Figura 52 – Chave de aplicação de Curto-Circuito.
O conjunto figuras apresentado na Figura 53 mostra a corrente de curtocircuito para defeitos aplicados em diversos pontos da rede. Verifica-se que a
corrente inicialmente apresenta um valor alto e depois decai para valores muito
baixos, como era esperado de ocorrer. Nota-se que independentemente do ponto de
defeito, a corrente de curto converge para um valor muito próximo, de baixa
amplitude, possibilitando a extinção do arco da falta.
137
Figura 53 – Corrente de Defeito em Diversos Pontos da Rede.
O próximo conjunto de formas apresentadas na Figura 54 representa a
corrente residual medida em cada ramal da rede. As três correntes IA-1, IA-2 e IA-3,
identificadas pelas cores vermelho, verde e azul respectivamente, somadas
compõem a corrente de falta. A amplitude das correntes decai para um valor comum
em todos os pontos de aplicação de defeito, como pode ser visto na Figura 55.
138
Figura 54 – Correntes dos Ramais para Defeitos em Diversos Pontos da Rede.
Figura 55 – Corrente de Defeito Final.
A corrente que percorre a Bobina de Petersen mantém-se sempre a mesma
para todos os defeitos, uma vez que ela depende apenas da impedância da bobina,
que é uma característica construtiva. A Figura 56 abaixo mostra essa corrente.
139
Figura 56 – Corrente Fornecida Pela Bobina de Petersen.
Novamente um conjunto de defeitos foi aplicado à rede simulada, porém
agora se acrescentou uma resistência de falta ao defeito. Trabalhou-se com duas
resistências de faltas diferentes, uma de 20000 Ω e outra de 5000 Ω. Percebeu-se
novamente que o ponto de aplicação do defeito não influencia na corrente de falta.
Outra questão também levantada foi se a inclusão de uma resistência de falta tem
influência no valor da amplitude da corrente de falta?
Percebeu-se que a inclusão de uma resistência de falta não influencia no
valor final da corrente de falta, porém tem grande influência no valor inicial da
corrente de falta, ou seja, essa resistência de falta ajuda a diminuir o transitório
inicial da corrente, diminuindo em muito a amplitude inicial da corrente. A Figura 57
mostra claramente que o valor final da corrente falta é praticamente a mesma para
os dois casos, com resistência de falta e sem resistência. Já a Figura 58 mostra que,
valores diferentes de resistência de falta também não modificam o valor final da
corrente de falta.
140
Figura 57 – Corrente de Falta Final.
141
Figura 58 – Correntes de Falta para Diferentes Resistências de Contato à Terra.
Outro ponto interessante notado foi a diminuição da tensão aplicada ao ponto
neutro do sistema, ou seja, à Bobina de Petersen. Como a resistência de falta
utilizada para simulação apresenta um alto valor ôhmico, ela funcionou como um
divisor de tensão. Tal fato pode ser observado na Figura 59.
142
Figura 59 – Tensão no Ponto Neutro para Diferentes Resistências de Contato à Terra.
6.3
Consolidação dos Resultados
Os resultados obtidos com as simulações vêem comprovar o estudo
desenvolvido nos capítulos anteriores. Como citado, para que uma simulação possa
fornecer resultados satisfatórios e confiáveis é necessário que o levantamento de
dados para essa simulação seja feito de forma muito criteriosa tentando reproduzir
com o máximo de veracidade o objeto que se deseja simular. A rede simulada neste
estudo foi baseada em critérios de projeto de rede e exemplos de redes utilizadas
por várias concessionárias de distribuição de energia elétrica do Brasil, desta
maneira os resultados obtidos são considerados confiáveis e reproduzem bem a
realidade.
143
Apesar das simplificações realizadas na modelagem da rede de distribuição
de energia, obtiveram-se resultados consistentes com a teoria desenvolvida e que
exemplificam diversas peculariedades dos sistemas que utilizam o conceito de
“neutro ressonante”. Esses resultados obtidos fornecem uma boa base para a
implementação de um sistema com essa filosofia de aterramento do ponto neutro do
sistema.
Deve-se ressaltar que para uma aplicação real, outros estudos devem ser
realizados com intuito de garantir a segurança operacional da instalação e uma
correta aplicação da técnica. Para aplicação desta técnica de aterramento em redes
que utilizam cabos isolados devem-se realizar estudos mais específicos de acordo
com o tipo de instalação.
6.4
Recomendações para Trabalhos Futuros
Uma questão de grande relevância para o desenvolvimento da aplicação da
Bobina de Petersen é a utilização da eletrônica de potência. Ela pode ser aplicada a
bobina ajudando na sintonização da mesma com as capacitâncias do sistema
elétrico. Pode-se contruir uma bobina com diversas derivações e a partir de
medições de parâmetros do sistema elétrico enviar sinais para realização de
comutações nas derivações da bobina com um curto intervalo de tempo,
possibilitando uma perfeita sintonia da bobina com as capacitâncias do sistema
independentemente das mudanças de topologias do sistema. Assim um estudo mais
aprofundado neste assunto pode ser desenvolvido, com boas perspectivas de
obtenção de bons resultados.
Outro assunto que merece um estudo dedicado é a aplicação da Bobina de
Petersen a sistemas desbalanceados, ou seja, onde as capacitâncias do sistema
não são idênticas devido, por exemplo, a utilização de derivações nas redes que
utilizam duas fases do sistema somente. Neste caso propõem-se a utilização de
reatores “Shunt” em cada fase do sistema com intuito de corrigir o desbalanço das
capacitâncias do sistema, evitando assim a circulação de corrente pelo neutro em
condições normais de operação. Cabe ainda um estudo relacionado a aplicação da
eletrônica de potência neste caso.
144
Capítulo 7 CONCLUSÕES
Este trabalho procurou levantar as principais características dos sistemas
elétricos de distribuição utilizados no mundo e principalmente os utilizados no Brasil.
Apesar do Brasil ser um país de grandes dimensões e apresentar uma grande
diversidade geográfica, as características físicas dos sistemas elétricos de
distribuição de energia utilizados pelo país apresentam grande semelhança, portanto
o estudo de um sistema elétrico típico pode fornecer resultados que caracterizam a
grande maioria dos sistemas elétricos de distribuição de energia do Brasil. Analizouse as principais características construtivas e operacionais desses sistemas,
procurando identificar seus principais componentes, falhas associadas e possíveis
soluções. Para se entender um sistema, qualquer que seja, é muito importante
identificar a sua principal função e como esse sistema opera. Assim inicia-se
descrevendo as principais características físicas de um sistema de distribuição de
145
energia elétrica e a importância do seu funcionamento para os diversos tipos de
consumidores de energia elétrica.
Os sistemas elétricos apresentam diversos tipos de falhas, porém algumas
têm maior relevância devido a grande freqüência que acontecem. Através de
pesquisas a outros trabalhos, verificou-se que muitas soluções propostas para
melhoria do desempenho da rede elétrica de distriuição e diminuição das falhas e
desligamentos estavam ligadas ao aumento da T.S.I. (tensão suportável sob
impulso) conhecida também como N.B.I (nível básico de isolação) das estruturas e
equipamentos utilizados. Porém muito já foi desenvolvido nesta área e um grande
avanço sem grande dispêndio de capital torna-se pouco provável. Desta maneira
partiu-se para outro tipo de solução para diminuir o número de desligamentos do
sistema elétrico, minimizando os danos ao consumidor final. Ao invés tentar evitar a
ocorrência de uma descarga através das estruturas ou equipamentos associados,
procurou-se uma solução que minimizasse ao máximo os efeitos causados por essa
descarga, buscando eliminá-la o mais rápido possível evitando sua evolução.
Constatou-se que a grande maioria dos defeitos ocorridos nas redes de
distribuição de energia, entre 60 e 90%, envolvia a terra, ou seja, falhas monofásicas
onde o caminho de retorno da corrente de defeito se faz pela terra. Como essa
corrente de defeito envolve obrigatóriamente a terra e o ponto neutro do sistema,
realizou-se um estudo detalhado dos diversos tipos de aterramento utilizados em
diversas partes do mundo, mostrando suas carateristicas e comportamento para o
caso de uma falha à terra. Observou-se que a escolha do tipo de aterramento leva
em consideração diversas variáveis, sendo que a tradição, ou seja, o costume
histórco em muitos casos é um forte componente na determinação da escolha.
Porém observou-se também que há uma tendência mundial de modificação do tipo
de aterramento utilizado, desde solidamente aterrado até neutro isolado, para um
aterramento do ponto neutro através de bobina ressonante. Muitos países já fizeram
essa mudança e vem obtendo bons resultados. Percebeu-se então que o tipo de
aterramento utilizado tem grande relevância para melhoria do desempenho das edes
de distribuição frente às falhas que ocorrem com maior freqüência no sistema.
A proposta principal desta dissertação foi, além de analizar os diversos tipos
de aterramentos do ponto neutro utilizados pelo mundo, avaliar o método de
146
aterramento utilizado pela maioria das concessionárias de distribuição de energia
elétrica do Brasil e propor uma mudança neste método de aterramento, buscando
diminuir os efeitos das falhas que ocorrem nas redes de distribuição, sempre tendo
em mente uma melhoria do fornecimento de energia elétrica ao consumidor final.
Chegou-se a conclusão que existem diversas maneiras de aplicar o conceito
de aterramento ressonante a um sistema de distribuição. Percebeu-se também que
algumas aplicações acarretam uma grande mudança do comportamento do sistema
e a necessidade de alteração substancial da rede. Resumidamente existem dois
tipos diferentes de aplicação do conceito de neutro ressonante, um onde o sistema é
mantido em operação mesmo no caso de uma falta sustentada, ou seja, não se
desliga o sistema para uma falha permanente. O outro tipo de aplicação considerada
o desligamento do sistema caso a falha não seja extinta rapidamente. No primeiro
caso deve-se fazer alterações no sistema e equipamentos associados, devido a
sobretensão a que ficam submetidos. Esse tipo de aplicação naturalmente encontra
maior resistência no caso de uma aplicação real devido a necessidade grandes
mudanças. Já o segundo tipo de aplicação pode ser utilizado sem a necessidade de
grandes mudanças, pois, como estudado na dissertação, as estruturas e
equipamentos associados das redes de distribuição de energia suportam
sobretensões transitórias. Outra grande vantagem desse tipo de utilização do
conceito de aterramento ressonante é a não necessecidade de mudança dos
equipamentos e principalmente da filosofia e ajustes de proteção utilizados pelas
concessionárias. Com o auxílio de chave de aterramento rápido conectada em
paralelo com a bobina ressonante, pode-se a qualquer momento mudar o
aterramento do neutro das redes de distribuição de ressonante para o aterramento
original, ou seja, no caso do Brasil, solidamente aterrado. Assim caso não ocorra a
extinção da falta à terra em um tempo pré-determinado, pode-se passar o
aterramento do neutro para solidamente aterrado, fazendo com que a proteção
originalmente utilizada enxergue a falta e desligue o sistema. Esse tipo de utilização
do conceito de aterramento ressonante é mais recomendado para uma aplicação
inicial, e posteriormente, com maior conhecimento do sistema e experiência
adquirida, pode-se evoluir para aplicação com operação continua mesmo para uma
falta sustentada.
147
Para uma aplicação real do conceito de “neutro ressonante” devem-se levar
em consideração as particularidades da rede a qual se pretende aplicar esse
conceito. A escolha da forma mais adequada deve levar em consideração critérios
de segurança operacional, qualidade de fornecimento da energia elétrica, critérios
econômicos, qualificação profissional, entre outros.
As simulações realizadas visando estudar o comportamento de uma rede de
distribuição real apresentaram resultados que demostram a viabilidade da utilização
do método de aterramento ressonante. Percebeu-se que para uma falta à terra,
independentemente do ponto de falta ou da resistência de falta, a corrente de defeito
apresenta valores muito baixos, com real possibilidade de extinção da corrente de
defeito. Foi possível visualizar também a elevação da tensão no ponto neutro do
sistema, como previsto no capítulo quatro. Esse fato merece especial consideração
pois esta relacionado com a segurança humana e operacional da rede de
distribuição. A medida mitigadora para esse problema, com a utilização de um
resistor em série com a bobina ressonante apresentou resultados satisfatórios,
porém deve-se ressaltar que um cuidado especial deve ser tomado na escolha e
aplicação desse resistor bem como a potencialidade da utilização de eletrônica de
potência.
Por fim considerou-se que a aplicação deste método de aterramento do
neutro dos sistemas de distribuição de energia elétrica pode trazer bons resultados
para as concessionárias do Brasil, devido principalmente aos tipos de falhas a que
estão sujeitas as redes de distribuição no país. Um estudo mais aprofundado deve
ser realizado para cada aplicação que se pretende fazer, apesar dos sistemas de
distribuição brasileiros apresentarem grande semelhança, sempre existem diversas
variáveis que devam ser analizadas e consideradas para que a aplicação deste
método de aterramento possa trazer realmente bons resultados e melhorar a
desempenho das redes de distribuição.
148
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