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1 Title Otimização da Proteção Sobrecorrente Face à Diversidade dos Aterramentos Registration Nº: (Abstract) 194 Company Bandeirante Energia Universidade Presbiteriana Mackenzie Authors of the paper Name Country Hirofumi Takayanagi Brasil Lucca Zamboni Brasil Alessio Bento Borelli Brasil Ivanilda Matile Brasil Claudia Ferreira Brasil José Adolfo Cipoli Brasil Eduardo D. B. Nogueira Brasil Marco Aurélio Marco Brasil Levi Pereira Páscoa Brasil André Luiz Guedes Brasil Key words Proteção contra Sobrecorrente, Aterramento, Faltas de Alta Impedância, Roubo de Condutor Neutro, Rede Rural Monofásica. Resumo Este artigo resume os estudos e pesquisas desenvolvidos no Projeto de P&D Otimização da Proteção Sobrecorrente Face à Diversidade dos Aterramentos de Sistemas de Distribuição, realizado pela Universidade Mackenzie e EDP Bandeirante. O estudo contou com o desenvolvimento da metodologia para a otimização da proteção contra sobrecorrente, bem como dos aterramentos que dissipem rápida e eficientemente as correntes de falta, e controlem adequadamente a tensão de toque e de passo que surgem ao redor das estruturas, inclusive nos casos onde o condutor neutro foi furtado. Foram estabelecidos critérios para a medição da resistividade do solo, estratificação do solo e cálculos das resistências de aterramento para a determinação dos ajustes dos equipamentos de proteção bem como para a redução dos custos de implantação dos aterramentos e definidos então dois tipos de modelos de aterramento mais adequados às regiões da Bandeirante, a serem utilizados na rede rural e na rede urbana com neutro contínuo e multiaterrado, para o controle das tensões de toque e de passo. Por fim, foram indicadas ações que permitem a redução dos ajustes das correntes de disparo de terra dos equipamentos de proteção e mudanças na configuração da ligação dos bancos de capacitores.

2 1 INTRODUÇÃO A necessidade de se alterar os esquemas de proteção adotados para as redes de distribuição é função de alterações de suas configurações e características projetadas. O furto do condutor neutro e dos cabos de descida dos aterramentos em partes do sistema é uma ocorrência que têm sido frequente em diversas concessionárias de distribuição de energia no Brasil. Neste caso, a queda de condutores fase, vazamento em isoladores, etc., podem não sensibilizar a proteção aumentando a possibilidade de acidentes. As medidas corretivas para a melhoria dos aterramentos, das condições operacionais do condutor neutro da rede de distribuição e a localização/ajustes adequados dos equipamentos de proteção contra sobrecorrente, promovem um significativo aumento da segurança das pessoas, eletricistas e usuários além da redução da queima de equipamentos de consumidores. Estes fatores decorrem da redução das tensões no neutro, originárias dos sistemas primários e secundários em condições normais ou em condições de falta, bem como da operação mais rápida e efetiva dos equipamentos de proteção. até os consumidores rurais considerados como críticos, escolhidos para os estudos. A escolha dos alimentadores BCU 1307 e JCE 1312 para a pesquisa, foi fundamentada na motivação do projeto e nos índices DEC/FEC apresentados no Gráfico 1 e no Gráfico 2 a seguir: Gráfico 1 - FEC - Vinte piores circuitos da região do Vale do Paraíba 1.1 OBJETIVOS A proposta do projeto foi pesquisar e desenvolver uma filosofia de proteção adequada para três situações distintas: 1ª. Para curtos de alta impedância, investigar soluções baseadas no desequilíbrio da tensão para alertar o Centro de Operação da Distribuição sobre ocorrências anormais no sistema elétrico, além de pesquisar soluções no âmbito de relés baseados na sobrecorrente; 2ª. Pesquisar e desenvolver soluções otimizadas para a proteção de sobrecorrente (associada a sensores de desequilíbrio de tensão) e para os aterramentos nos seguintes casos: a) Condutor neutro furtado no sistema elétrico urbano onde existe S/E (cidades de maior porte); b) No sistema elétrico urbano onde não existe S/E (cidades de médio e de pequeno porte) e, c) No Sistema elétrico rural com ênfase para pesquisa em sistemas monofásicos. 3ª. Pesquisar e estabelecer critérios de religamento visando ao aumento da segurança e a redução da queima de equipamentos, considerando as situações anteriores. 1.2 METODOLOGIA Foram feitas medições da resistividade do solo associados aos aterramentos típicos existentes bem como das medições das tensões de toque e de passo nestes sistemas de aterramento. Também foram feitas medições de tensão e de corrente em pontos estratégicos do sistema de distribuição, desde a S/E Gráfico 2 - FEC Vinte piores circuitos da região de Mogi das Cruzes Foi desenvolvida a metodologia para avaliar os pontos mais adequados para a instalação dos equipamentos de proteção na rede de distribuição urbana e rural, estabelecendo critérios e práticas a serem observados na escolha, dimensionamento e ajustes para a obtenção do máximo desempenho na detecção de faltas para a terra e na coordenação da proteção. Neste contexto, foram desenvolvidos estudos para projetar sistemas de aterramento mais adequados em função da resistividade do solo, do controle das tensões de toque e de passo e da detecção das faltas pelos equipamentos de proteção, principalmente nos casos onde o condutor neutro foi furtado. A seguir são apresentados alguns resultados das medições das resistências e da estratificação do solo. 2 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL E ANÁLISE DOS RESULTADOS Inicialmente foram efetuadas as medições de resistência e resistividade do solo (Tabela 1) e em seguida foram feitas medições das correntes de fase e de neutro nos mesmos alimentadores escolhidos. Tabela 1 - Medições de Resistência de Aterramento, Resistividade do Solo e Resistências ALIMENTADOR BCU 1307 Eq. Rat. Resistividade R Toque R Passo 1

3 (Ω) do solo (Ωm) (Ω) [+] (Ω) [+] ρ1 ρ2 ρ RE , ,2 ET , ,7 0,88 1,5 ALIMENTADOR JCE 1312 RE ,8 8,8 1,6 ET ,3 10,2 2,4 (+) Medição feita no eixo da rede do lado da carga. Com base nos resultados das medições e no valor da corrente de curto circuito fase terra do ponto, foi determinada a tensão de toque e de passo que surge na direção da medição, na existência ou não do condutor neutro contínuo e multiaterrado, conforme exemplos apresentados na Tabela 2 e na Tabela 3. Os limites de tensão de toque e de passo toleráveis são determinadas na Norma IEEE -80. Tabela 2 - Tensão de Toque e de Passo na existência do neutro Eq. V VPasso T I CCΦT. I PRO- V IEE-80 3 Toque (V) TEÇÃO (V) (V) (seg.) V T V P RE ,6 17, , ET , ET , Tabela 3 - Tensão de Toque e de Passo sem neutro Eq. V VPasso T I PRO- V IEE-80 CCΦT. Toque (V) TEÇÃO (V) (V) (seg.) V T V P RE 90,6 Ñ ATUA - - ET , ET Ñ ATUA - - O Esquema 1 apresenta o local das medições e a circulação da corrente na estrutura em análise, onde: IccΦterra representa o valor máximo de curto circuito fase terra no ponto; I1 e I2 representam as correntes calculadas com impedância equivalente do sistema contínuo e multiaterrado igual a 0,5 Ohms e I3 é a corrente calculada com base no valor da resistência de aterramento medida. Na inexistência do neutro, a soma de I1com I2 é zero e IccΦterra é igual a I3. garante que a tensão de toque e de passo que surge no local, esteja abaixo da máxima tolerável; b) Na falta do neutro contínuo e multiaterrado, a corrente de curto circuito fase terra, na maioria dos casos, é inferior ao disparo de terra do equipamento de proteção de retaguarda e a elevação da tensão no local é perigosa (em evidência na tabela 3), podendo causar acidentes fatais. As medições das correntes de fase e de neutro tiveram por objetivo conhecer o desequilíbrio da corrente dos alimentadores em condições normais de operação. A análise dos resultados está apresentada a seguir. 2.1 RESULTADOS DO ALIMENTADOR BCU 1307 Diagrama 1 - Diagrama unifilar BCU 1307 No disjuntor do BCU 1307 e nos religadores RE e RE foram registrados desequilíbrios entre a fase mais carregada e a menos carregada da ordem de 30%. Nos demais equipamentos o desequilíbrio é menor, contudo superior a 10%. Esquema 1 - Aterramento padronizado atual Local da medição da resistência de toque e passo e distribuição da corrente de falta à terra na estrutura Durante energizações acidentais fase terra nos pontos pesquisados dos dois alimentadores, pode-se constatar que: a) Na existência do neutro contínuo e multiaterrado, ocorre a rápida atuação do equipamento de proteção de retaguarda e Gráfico 3 Perfil das correntes medidas no disjuntor da ETD BCU

4 TABELA IV corrente de neutro vs corrente de disparo de terra Equipamento Disparo de terra Máxima corrente de neutro BCU JCE RE AÇÕES PROPOSTAS 3.1 BALANCEAMENTO DAS CARGAS MONOFÁSICAS Gráfico 4 Perfil das correntes medidas no religador RE No disjuntor do JCE 1312 e no religador RE 6903 foram registrados desequilíbrios da ordem de 35% Independentemente do carregamento dos alimentadores a corrente de neutro nunca tende a zero, indicando a presença de carga monofásica de valor constante. Com base nos resultados apresentados, as seguintes ações foram necessárias: 1 - Balanceamento das cargas ligadas no trecho de rede à jusante do RE 70929; 2 - Balanceamento das cargas ligadas na rede protegida pelo JCE 1312, RE s 6903, 2178, , e ALTERAÇÃO DA LIGAÇÃO DO BANCO DE CAPACITORES Quando o sistema apresenta tensões desbalanceadas, capacitâncias diferentes por fase e o fluxo de correntes harmônicas, certa corrente fluirá do centro estrela do banco para a terra. Isto normalmente causa problemas quando se utiliza relés de terra de alta sensibilidade. Este efeito é eliminado quando a ligação do banco é estrela não aterrada. Na falha de uma unidade do banco ligado em estrela aterrada, após a queima do fusível o resultado é a circulação da corrente nominal do banco pelo neutro. Gráfico 5 Perfil das correntes medidas no disjuntor da ETD JCE 1312 Gráfico 6 Perfil das correntes medidas no religador RE 6903 A pesquisa indicou que a causa da corrente desequilibrada reside no seguinte: a) Os transformadores monofásicos, em sua grande maioria, são ligados em uma única fase do alimentador; b) Os bancos de capacitores e reguladores de tensão são ligados em estrela aterrada, que pela sua própria natureza e desbalanceamento da rede, contribuem para o aparecimento de corrente de neutro; Outra constatação é que a máxima corrente de neutro registrada na estrutura de todos os equipamentos é muito menor que o disparo de terra. Estão citados alguns exemplos na seguir. Figura 4 - (a) Corrente no capacitor defeituoso e tensão nos capacitores das outras fases. (b) kvar fornecido pelos capacitores remanescentes Se o curto circuito fase terra na estrutura do banco é maior que 1500 A, há a probabilidade de ruptura do tanque, exigindo a escolha adequada da capacidade nominal das unidades que comporão o banco e a utilização de proteção melhor que a chave fusível, conforme apresentado no gráfico 7. Gráfico 7 Ruptura do tanque x curva de elos fusíveis tipo k 3

5 Na falha de uma unidade do banco ligado em estrela isolada, o sistema se comporta conforme apresentado na figura a seguir. Figura 5 - (a) Corrente no capacitor defeituoso e tensão nos capacitores das outras fases. (b) kvar fornecido pelos capacitores remanescentes A probabilidade de danos nessas unidades é reduzida, pois a tensão máxima dos bancos de capacitores especificada pela Norma Técnica da Bandeirante Capacitores de Potência E-F é maior que a tensão entre fases do sistema. O gráfico 8 mostra que o tempo de atuação do fusível recomendado na Tabela 4 protege o banco contra ruptura do tanque. instalados no poste imediatamente anterior (lado da fonte) e imediatamente posterior (lado da carga) ao poste em que o banco de capacitores está instalado. O registrador de tensão foi instalado em um transformador situado próximo ao banco de capacitores. Os resultados obtidos indicaram que não houve alteração no funcionamento do banco de capacitores, na correção do fator de potência do alimentador, no nível de tensão da rede, mas houve uma redução significativa da corrente do neutro, conforme apresentado no gráfico 9. Gráfico 9 Corrente de neutro antes e após a transformação do banco de capacitores para estrela isolada BCU 1307 Devido ao sucesso da experiência com a transformação da ligação dos bancos de capacitores, estes permanecem ligados em estrela isolada. 3.3 ESTUDO DE PROTEÇÃO DOS ALIMENTADORES Para a definição dos ajustes da proteção foi adotada a seguinte metodologia: Gráfico 8 Ruptura do tanque x curva de elos fusíveis tipo k Tabela 4 - Proteção de bancos com ligação estrela isolada Capacidade do Unidades Capacitivas Elo Banco (kvar) fusível (kvar) de 25 ou 3 de 50 6 K (*) de 50 ou 3 de K de 100 ou 3 de K de 100 ou 6 de K de 100 ou 6 de K Visando à otimização do desempenho da proteção contra faltas à terra, foi recomendado que a ligação dos bancos de capacitores BC 148 (BCU 1307) e BC (JCE 1312 seja transformada no tipo estrela não aterrada. Com o objetivo de avaliar o comportamento do banco de capacitores e do sistema elétrico, foram realizadas medições de tensão e corrente uma semana antes da modificação e uma semana após a modificação. Os registradores de corrente foram Proteção contra curto circuito entre fases O fator de segurança recomendado para os ajustes de proteção contra sobrecorrente para curto circuito entre fases considerou uma variação de ± 10% na Precisão do transformador de corrente; ± 10% na Precisão do valor da corrente de partida do relé; ± 10% na Precisão do valor da impedância do condutor e ± 5% de Variação da tensão nominal da rede. O fator de segurança adotado será o produto deles, então: FS = 1,1 x 1,1 x 1,1 x 1,05 = 1,3975 (3) Sobre este valor acrescentou-se a impedância imposta pelo arco elétrico ou mau contato entre os condutores em curto circuito, o que sugere a utilização de FS 1,5. O ajuste da corrente de disparo de fase considerou IDF > KF x ICARGA, onde: ICARGA é a corrente de carga máxima atual passante no ponto de instalação, já levando em consideração possíveis 4

6 manobras, IDF é a corrente de disparo de fase e KF é o fator de crescimento da carga em 5 anos: % = ( 1+ ) K F (4) Além disso, o valor da corrente de disparo de fase IDF proposta deve ser menor que a corrente de curto circuito bifásico, dividida por FS no final do trecho onde se deseja que haja coordenação e seletividade entre o religador e outros dispositivos de proteção. ICCBIFÁSICOMÍNIMO IDF < FS (5) Onde ICCBIFÁSICOMÍNIMO é o menor curto circuito bifásico do trecho protegido pelo religador Proteção contra curto circuito fase terra Deve-se prioritariamente examinar a situação de cada caso considerando principalmente os valores de resistividade do solo da região em estudo. Quando ocorre o rompimento do condutor da rede primária, normalmente a corrente de curto circuito é de baixa intensidade, pois a resistência de contato do condutor com o solo é elevada. A Tabela 5 apresenta alguns resultados para a obtenção da resistência de falta igual a 40 Ω. Tabela 5 - Valores de ρ e L C para R F=40 Ω e D CONDUTORO2 AWG=7,416 mm Resistividade do Solo (Ω.m) Comprimento do Condutor em Contato com o Solo (m) Portanto, a corrente de curto circuito fase-terra mínimo (RF = 40 Ω) depende da baixa resistividade do solo ou de grande comprimento do condutor em contato com o solo, situações que raramente ocorrem na prática. Outro fator preocupante é que a resistência de aterramento R 40 Ω foi encontrado em apenas 3 das 13 estruturas pesquisadas e nenhum atendeu a recomendação de RMÁXIMO = 25 Ω previsto na NTBD Os resultados indicam que equipamento de proteção de retaguarda deve ser ajustado para detectar estas faltas. É indicado que a corrente de disparo de terra fase IDT deve ser maior que a corrente de neutro no ponto de instalação do equipamento e menor que a corrente de curto circuito fase terra mínimo no trecho protegido pelo religador, dividida por FS Ajuste das curvas de atuação As curvas escolhidas foram as mais rápidas possíveis sem prejuízo da coordenação e seletividade com outros equipamentos protetores ou protegidos. A Tabela 6 apresenta algumas das propostas de ajuste do disparo de terra em operação para religadores e disjuntores. Tabela 6 - Ajustes do disparo de terra Disparo de terra Equipamento Atual Proposto BCU JCE RE / SEF -15 RE RE RE / SEF - 15 RE Análise do desempenho da proteção A filosofia de proteção atualmente adotada pela Bandeirante tem por objetivo facilitar a pesquisa de defeitos ao longo do alimentador e por isso os disparos de terra dos religadores são ajustados para serem seletivos com os elos fusíveis até a capacidade 25k. Em função disso, optou-se como experimento parametrizar o relé EFASEC instalado no disjuntor JCE 1302, com um segundo ajuste de proteção de terra somente para armazenar os registros dos seus disparos. Os ajustes do relé estão apresentados na Tabela 7. Tabela 7 - Ajustes do relé EFACEC Proteção efetiva em operação Parametrização proposta Corrente de disparo 180 A Corrente de disparo 60 A Curva muito inversa IEC - 0,11 Curva ext. inversa IEC 0,2 No período de abril a outubro/09 foram registradas 27 partidas do relé proposto, contudo de origem transitória, pois o tempo de duração foi insuficiente para o disparo do disjuntor. Destacam-se os seguintes registros: 1-19/07/09: atuações e disparos da proteção efetiva [ajuste de 180A] e da sugerida [ajuste de 60A], devido a perturbações de curta duração [< 60s], sem possibilidade de determinar a causa da ocorrência. 2-14/10/09: atuações e disparos somente da proteção sugerida [ajuste de 60A], devido ao evento árvore caída sobre a rede além do RE A perturbação ficou abaixo do valor de disparo da proteção de 180A, e por isso a proteção efetiva não foi sensibilizada. Nesse caso o relé proposto foi sensibilizado antes do religador citado, pois o disparo deste ainda estava ajustado em 70 A. Portanto, não há indicações de que o ajuste proposto possa causar prejuízo à continuidade do fornecimento Estudo do aterramento Quando o condutor neutro é descontínuo por motivo de furto, rompimento ou ainda apresenta falha de conexão, há alteração na efetividade do aterramento do sistema. Portanto, recomenda-se a redução do gradiente de tensão no solo na proximidade da estrutura através da utilização de 5

7 anéis ao redor do poste de forma a garantir que a tensão de toque e de passo máxima permitida não seja excedida. Para isso foram propostos os modelos apresentados no Esquema 2 e no Esquema 3. O modelo apresentado no Esquema 2 mostrouse eficaz no controle da tensão de toque e de passo para uma resistência equivalente do sistema igual a 1,0 Ω para os equipamentos constantes da tabela 2 e deve ser utilizado em todos os equipamentos instalados na rede primária. Esquema 2 - Modelo de aterramento para equipamentos em rede rural com neutro contínuo e multiaterrado O modelo apresentado no Esquema 2 mostrouse eficaz no controle da tensão de toque e de passo para uma resistência equivalente do sistema igual a 1,0 Ω para os equipamentos constantes da tabela 2 e deve ser utilizado em todos os equipamentos instalados na rede primária. No caso de curto circuito fase terra, com o intuito de atenuar a tensão de passo e de toque é recomendada outra configuração, apresentada no Esquema 3. É constituído de dois anéis concêntricos de cabo de aço cobreado 3N5 enterrados em profundidades diferentes. com cabos aço cobreado 3N5 para avaliar o seu desempenho quanto ao controle da tensão de toque de passo. Um deles é o apresentado na figura 6, tratado quimicamente com o produto Bentonita, onde se conseguiu 21ohms de resistência de aterramento. Com base no valor da corrente de curto circuito fase terra máxima no local de 3285 A, no tempo de atuação da proteção do disjuntor da SE César de Souza de 0,2 segundos e considerando a resistência equivalente do sistema de 0,3 ohms foi calculada a tensão de toque e de passo que surge na estrutura na direção perpendicular ao eixo da linha e centralizada no poste. O resultado da simulação (Gráficos 11 e 12) indica que as tensões de toque e de passo em ambos os aterramentos estão controladas, em função da sua interligação ao condutor neutro. Porém deve ser enfatizado que: 1) O aterramento com anel central apresenta uma tensão de toque inferior à do aterramento com hastes alinhadas. A presença do anel reduz o gradiente de potencial que aparece nas imediações da estrutura; 2) O aterramento com hastes alinhadas apresenta tensão de passo inferior à do aterramento com anel central. Isto se justifica, pois há o auxílio das hastes de 4,8 m que conduzem maior parcela da corrente para as camadas mais profundas do solo. Esquema 3 - Modelo de aterramento para equipamentos em rede rural na inexistência do neutro contínuo e multiaterrado Ao anel externo são conectadas quatro hastes igualmente espaçadas entre si, que podem ser emendadas ou não, dependendo do grau de penetrabilidade do solo e da sua conveniência de acordo com a estratificação do solo do local. No Centro de Treinamento em Mogi das Cruzes foram construídos dois tipos de aterramento Gráfico 11 Tensão de toque e de passo no aterramento com anel centralizado no poste 4 CONCLUSÃO O sistema elétrico da Bandeirante a quatro fios não pode prescindir do neutro contínuo e multiaterrado, pois este condutor é parte ativa do sistema em condições normais de funcionamento, tais como, reguladores de tensão, banco de capacitores e transformadores monofásicos. Na ausência do condutor neutro, a corrente que circula pelo 6

8 aterramento local provoca o aparecimento de tensões de valor significativo que são transferidas às instalações dos consumidores. Quando ocorre falha de isolação nos equipamentos da rede, a corrente de curto circuito resultante nem sempre sensibiliza o equipamento de proteção e, além disso, as tensões que surgem ao redor da estrutura aterrada são potencialmente perigosas e podem ser fatais. Em vista do exposto não se pode adiar as seguintes ações: Reposição do neutro com condutores de açoalumínio, interligando-o aos aterramentos existentes com condutores de aço-cobre para inibir a continuidade do furto desses condutores; Dimensionar esses condutores para conduzir adequadamente as correntes de curto circuito, bem como garantir a efetividade do aterramento do sistema; Balancear e gerenciar as cargas do alimentador para reduzir ao menor valor possível a corrente do neutro dos alimentadores em condições normais de operação. Esta ação permitirá a redução dos ajustes das correntes de disparo de terra dos equipamentos de proteção; A adoção da configuração estrela isolada para os bancos de capacitores instalados ao longo dos alimentadores da classe de tensão 15 kv, pois esta possibilita aumentar a sensibilidade da proteção contra falta fase terra. Realizar a medição sistemática da resistividade e a estratificação do solo nos locais onde serão instalados os equipamentos para projetar o sistema de aterramento. O tipo do aterramento deve ser aquele que conduza ao menor valor de resistência, além de manter o gradiente de potencial no solo dentro do limite tolerável; Manter a resistência do aterramento equivalente do sistema a quatro fios na faixa de 0,1 a 0,3 Ω. Além das ações propostas, foi especificado sensor de desequilíbrio de tensão para alertar o centro de operação da distribuição sobre ocorrências anormais no sistema elétrico e estabelecidos critérios de religamento visando o aumento da segurança e a redução da queima de equipamentos. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] J. Burke, and M. Marshall, "Distribution System Neutral Grounding," ABB Power T & D Raleigh, North Carolina, [2] Grounded Versus Ungrounded Pole Mounted Capacitor Banks, ARTECHE - GE. [3] M. T. Bishop, J. D. Foster and D. A. Down, Single-Phase Regulators and Three-Phase Systems, July/August [4] Electrical Distribution - System Protection. Cooper Power Systems, Usa, [5] Greenwald, E.T - "Electrical Hazards And Accidents - Their Cause And Prevention. [6] Cipoli, José Adolfo - Engenharia De Distribuição - Capítulo 11 - "Aterramento De Sistemas De Distribuição". [7] D. S. F. Gomes, F. F. Macedo e S. M. Guilliod, Aterramento e Proteção contra Sobretensões em Sistemas Aéreos de Distribuição,

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