Sistemas de Protecção

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1 INSTITUTO DE ENGENHARIA DE SISTEMAS E DE COMPUTADORES DO PORTO Sistemas de Protecção Regimes de Neutro De 02/11/2009 a 01/11/2010 BII Paulo Alexandre Alves Félix Victor Augusto Rodrigues Veloso

2 Índice 1 Introdução Revisão de literatura Neutro isolado Neutro directamente ligado à terra Neutro ligado à terra através de uma resistência Testes e Resultados Neutro isolado Neutro directamente ligado à terra Neutro ligado à terra através de uma resistência Conclusão Referências

3 1 Introdução Num sistema trifásico de baixa ou média tensão existem três tensões simples, medidas entre cada uma das fases e o ponto comum chamado ponto de neutro. Em regime simétrico estas tensões estão desfasadas de 120 e têm como valor entre fases.. Onde U representa a tensão composta Fisicamente, o ponto de neutro é o ponto comum aos três enrolamentos do transformador montados em estrela. Pode ser acessível ou não, distribuído ou não. No transporte em média tensão o neutro é dispensável (não é distribuído) por razões económicas. É depois recriado no último transformador e distribuído na rede de baixa tensão. Numa instalação eléctrica de média ou baixa tensão, o ponto de neutro pode ou não ser ligado à terra, fala-se então em regime de neutro. Numa rede eléctrica de média tensão existem várias maneiras de ligar o neutro à terra. Todos os regimes de neutro têm vantagens ou inconvenientes a nível económico, de segurança, de continuidade de serviço e de qualidade da onda de tensão. Neste sentido, não existe a nível mundial um regime de neutro de referência, isto é, não existe consenso sobre um regime de neutro ideal. Os regimes de neutro utilizados pelas empresas de distribuição são o neutro isolado, o neutro sólido directamente à terra, o neutro ressonante e o neutro com resistência/reactância limitadora. Em 2006 em Portugal existiam 304 subestações utilizando o neutro com impedância limitadora, 77 utilizando o neutro isolado e por fim 20 utilizando outras ligações. Neste trabalho pretendeu-se estudar os regimes de neutro isolado, neutro com resistência limitadora e neutro directamente ligado à terra. Para isso, foram utilizados modelos de linhas disponíveis no laboratório de sistemas de protecção e realizou-se uma montagem para simular curto-circuitos fase-terra e observar os efeitos provocados. A ideia foi verificar na prática a teoria e então perceber melhor quais diferenças existentes entre os diferentes regimes de neutro bem como vantagens e inconvenientes de cada um. Também pretendeu-se observar o comportamento do sistema de protecção com os vários regimes de neutro. Antes de apresentar os resultados dos testes efectuados é feita uma revisão da literatura. 3

4 2 Revisão de literatura Numa rede eléctrica, o regime de neutro ocupa um papel fundamental. De facto, quando ocorre um defeito de isolamento ou um defeito à terra, os valores da corrente de defeito, das tensões bem como das sobretensões dependem da forma como se liga o neutro à terra. A importância dos danos causados aos equipamentos tais como os motores ou os alternadores quando apresentam um defeito interno, está igualmente relacionada com o regime de neutro adoptado. A escolha do regime de neutro, tanto na baixa tensão como na média tensão, depende da natureza da instalação e da rede. É igualmente influenciado pela natureza das cargas eléctricas, da continuidade de serviço pretendida e finalmente da limitação do nível de perturbação imposto pelos equipamentos mais sensíveis da rede. Iremos por isso distinguir os vários regimes de neutro, de forma a focar as vantagens e os inconvenientes de cada um, mas primeiro é importante referir as consequências para a rede eléctrica quando ocorre um defeito fase-terra seja qual for o regime de neutro utilizado. Quando a rede eléctrica funciona no seu estado normal, isto é, sem estar submetida a nenhum defeito, as correntes circulam nas chamadas resistências e capacidades de fuga. É de referir que tendo em conta os valores elevados dessas resistências (da ordem dos kω), são desprezáveis estas correntes porque sendo bastante reduzidas. No caso de funcionamento normal da rede eléctrica, as correntes são teoricamente equilibradas, pelo que não circula corrente no neutro. O seu potencial eléctrico é então igual ao da terra: No entanto quando ocorre um curto-circuito fase-terra, uma corrente é criada entre a fase de defeito e a terra. Esta corrente fecha-se pela impedância do neutro e pelas capacidades/resistências de fuga das fases sãs, como podemos observar no seguinte esquema: Figura 1. Esquema de correntes de defeito quando ocorre um CC fase-terra na fase 3 4

5 Como se pode observar na ocorrência de um defeito à terra cria-se um circuito perigoso para a rede eléctrica e os equipamentos ligados à mesma. O neutro atinge um potencial eléctrico diferente de zero: É por isso essencial escolher um regime de neutro que satisfaça as necessidades pretendidas (continuidade de serviço, segurança ). Pois, cada regime de neutro implica correntes de defeito diferentes, tensões diferentes e por isso devemos ter em atenção as vantagens e os inconvenientes de cada um. A seguir apresentam-se alguns dos regimes de neutro utilizados pelas empresas de distribuição. 2.1 Neutro isolado Figura 2. Esquema de um neutro isolado da terra Não existe ligação eléctrica entre o ponto de neutro e a terra, excepto para medições ou protecções. Pode também ser colocada como se mostra na figura 2 uma impedância de elevado valor entre o neutro e a terra. Trata-se do segundo regime de neutro mais utilizado no nosso país. Este regime de neutro é caracterizado por correntes de defeito reduzidas quando comparadas com o sistema de resistência/reactância de neutro por exemplo. Isto acontece porque de facto existem contribuições capacitivas da rede para a corrente de defeito, dada a ausência de uma ligação à terra. No entanto, verifica-se um forte desequilíbrio de tensões, com a tensão de neutro a atingir, em módulo, a tensão simples e as tensões nas fases sãs subirem à tensão composta. As redes de distribuição que utilizam este tipo de regime de neutro são capazes de manter correntes de defeito significativas quando se trata de redes vastas. Como já é sabido, nas redes 5

6 que usam cabos subterrâneos, as capacidades à terra são muito superiores quando comparado com as redes aéreas, e portanto também as correntes de defeito são superiores. No entanto, devido à reduzida distância entre os condutores (nos cabos tripolares), qualquer defeito fase-terra leva à destruição do isolamento envolvente e passa a defeito polifásico. Quando se trata de redes aéreas com cabos nus, é frequente verificar-se fenómenos de reacendimento que provocam importantes sobretensões transitórias. Estas sobretensões por sua vez podem causar contornamento do isolamento nas fases sãs ou noutra linha. Numa rede com neutro isolado ou fortemente resistivo/reactivo, os danos causados às máquinas são reduzidos mas é necessário que os equipamentos tenham um nível de isolamento compatível com os níveis de sobretensões transmitidos para a rede. Em conclusão, o neutro isolado permite uma continuidade de serviço na baixa tensão e até na média tensão na medida em que as protecções não disparam quando ocorre o primeiro defeito, no entanto tem que respeitar os decretos relacionados com a segurança dos trabalhadores. 2.2 Neutro directamente ligado à terra Figura 3. Esquema do Neutro directamente ligado à terra Da figura 3 observa-se que o neutro é ligado à terra sem recurso a nenhuma impedância. O neutro directamente à terra permite limitar as sobretensões mas tem como desvantagem tolerar correntes de defeito muito elevadas. Este regime de neutro impõe um disparo dos equipamentos de protecção logo no primeiro defeito de isolamento. 6

7 Numa rede com neutro directamente à terra, uma máquina afectada por um defeito é fortemente danificado pelos fortes valores das correntes de defeito atingidos, pelo que é preciso ter especial atenção no que diz respeito à protecção dessas máquinas mais sensíveis. 2.3 Neutro ligado à terra através de uma resistência Figura 4. Esquema do Neutro ligado à terra por intermédio de uma resistência Como podemos observar na figura acima apresentada, neste regime de neutro é colocada uma resistência entre o neutro e a terra. É de salientar que esta resistência nunca é puramente resistiva e tem sempre componente reactiva, pelo que trata-se sempre de um misto entre reactiva e resistiva. O valor desta resistência serve para limitar o valor da corrente de defeito nos 300 A. Destacam-se algumas razões importantes pelas quais se utiliza este tipo de ligação do neutro à terra. Primeiro, serve para limitar as sobretensões verificadas nas fases sãs da rede eléctrica atingida por defeitos. Também serve para diferenciar a corrente residual das linhas em defeito da das linhas sãs. As resistências são dimensionadas por forma a suportarem a máxima corrente de defeito durante cerca de 5 segundos. No entanto, a constante de tempo de arrefecimento desta resistência é de mais ou menos 8 minutos, pelo que para defeitos sucessivos na rede a jusante podem existir esforços térmicos grandes ao ponto de levar à queima da resistência devido ao calor acumulado. 7

8 3 Testes e Resultados A existência de uma tensão homopolar indica a existência de assimetrias e defeitos fase-terra. Logo é necessário dotar as redes com equipamento sensíveis a essas grandezas, de modo a evitar danos na rede e nos seus equipamentos. O sistema de protecção garante essa segurança e permite evitar consequências graves para a rede. Foi por isso utilizada uma unidade de supervisão e controlo nos testes efectuados de modo a verificar o bom desempenho da rede. Para comprovar o que foi mencionado anteriormente na revisão de literatura e então verificar na prática quais as consequências consoante se decide escolher um ou outro regime de neutro, realizou-se uma montagem semelhante àquela apresentada no seguinte esquema: Figura 5. Circuito para realização de testes O circuito como se pode observar na figura 5 é composto por dois modelos de linha ligados em paralelo e alimentados pela rede trifásica do laboratório (primário do transformador a 400V). É de referir que os modelos de linha utilizados não foram aqueles que eram supostos. Isto é, surgiu um problema logístico na construção dos modelos de linha pedidos (faltaram os condensadores apenas). Para não ficar parados, decidiu-se utilizar os modelos de linha já montados disponíveis no laboratório de protecções. Estes modelos correspondem a linhas aéreas de média tensão e os seus componentes foram dimensionados para funcionar como tal. Existe também no circuito um modelo de subestação que transforma a tensão composta da rede para 15 V. Além disso foi 8

9 integrado um equipamento de protecção (TPU S420), para verificar se a rede era protegida (ordem de disparo do TPU) em caso de defeito à terra. Finalmente para provocar curto-circuitos à terra nas duas linhas utilizou-se um interruptor. A montagem realizada foi a seguinte: Figura 6. Montagem realizada no laboratório de protecções para efectuar testes nas linhas A seguir apresentam-se os vários resultados efectuados no circuito para os diversos regimes de neutro bem como alguns comentários críticos. Pode-se já indicar que os ensaios efectuados foram os mesmos para todos os regimes de neutro. Programou-se a função de protecção máximo de corrente de terra do TPU S420 de modo a que Iop = 0.9 A e Top = 1 seg. Também foi programada a função de protecção direccional de terra do TPU, para ângulos característicos de 0º, 7º e 90º. Quando se provocava um CC no modelo de linha 1 (ou seja colocava-se o conector C1 na posição 2), era necessário alterar nessa função do TPU, o estado Frente para Trás. Antes de apresentar os resultados provocando defeitos à terra, confirmou-se se o circuito funcionava correctamente. Obtiveram-se os resultados seguintes: 9

10 Figura 7. Resultados obtidos sem defeito à terra Observa-se que as tensões nas fases correspondam mais ou menos ao esperado, isto é, 15V. A seguir apresentam-se os resultados quando provocado um defeito à terra na fase C. 3.1 Neutro isolado Os resultados obtidos neste regime de neutro foram os seguintes. Quando provocado o curtocircuito à terra no modelo de linha 2 (ver figura 5), para um ângulo característico de 0º, a corrente de defeito Ic = A e as tensões nas diferentes fases são Ua =38 V, Ub = 32 V e Uc = 8 V. Ou seja, verifica-se como previsto uma corrente de defeito reduzida mas um forte desequilíbrio de tensões. O TPU nesta situação não deu ordem para disparar. Para os ângulos característicos de 7º e 90º os resultados obtidos foram os mesmos que os obtidos anteriormente. Provocando um curto-circuito na linha em paralelo, obteve-se uma corrente Ic = A e Uc = 6 V. No que diz respeito às tensões e às correntes das outras fases, o resultado difere muito pouco. A corrente observada na fase C é relativamente baixa porque sendo o defeito provocado na outra linha, cuja resistência é muito inferior à da linha onde se encontra o equipamento de protecção. 10

11 3.2 Neutro directamente ligado à terra Após colocar o conector C2 na posição 2, para ligar o neutro directamente à terra, obtiveramse os seguintes resultados para um ângulo característico de 0º: Ic = A; Ua = Ub = Uc = 17 V. Estes resultados estão de acordo com o esperado, pois observa-se uma corrente na fase de defeito muito elevada enquanto que a corrente nas outras fases se mantém inalterada. Em relação às tensões verificadas, vemos que são iguais para todas as fases e que não existem sobretensões. Nesta situação verificou-se uma ordem de disparo por parte do TPU. Tal como anteriormente, para os ângulos característicos de 7º e 90º os resultados obtidos foram os mesmos. Também nestes casos o TPU actuou e deu ordem de disparo para proteger a rede. Provocando o defeito à terra no modelo de linha 1 (ver figura 5), observa-se que a corrente na fase de defeito apresenta um valor muito mais baixo do que nas situações anteriores, e esse valor da corrente ronda a corrente obtida sem defeitos. Não houve por isso ordem de disparo. Relativamente às tensões nas fases, podemos ver que são iguais e não se verificam sobretensões. 3.3 Neutro ligado à terra através de uma resistência Após colocar o conector C2 na posição 3 e regular a resistência para 50Ω, obtiveram-se os seguintes resultados: Ic = A; Ua = 35 V; Ub = 28 V; Uc = 8 V. Verifica-se que estes resultados se encontram dentro do esperado, até porque quando a resistência é elevada estamos num regime de neutro semelhante ao do neutro isolado. Também por essa razão não houve ordem de disparo do TPU. Com ângulos característicos de 7º e 90º, os resultados obtidos foram também muitos parecidos, e por isso o TPU não dá ordem de disparo. 11

12 Quando provocado o defeito na linha em paralelo, observa-se que a corrente na fase de defeito é baixa pela mesma razão apontada anteriormente no regime de neutro isolado. Para as tensões, também se verifica desequilíbrio nas diferentes fases. Diminuindo ligeiramente o valor da resistência de neutro observa-se que apenas para o valor 12.5 Ω é que ocorre a ordem de disparo do TPU. Os resultados obtidos neste caso foram os seguintes: Ic = A; Ua = 31 V; Ub = 22 V; Uc = 9 V. Observa-se que a corrente de defeito é ligeiramente superior à da corrente de defeito observada no regime de neutro isolado. Como esperado, este valor é limitado pela resistência de neutro. No que diz respeito às tensões, verifica-se que apesar de existir desequilíbrio este é menor do que na situação anterior, com a resistência elevada de 50Ω. Com ângulos característicos de 7º e 90º, os resultados obtidos foram também muitos parecidos, e por isso o TPU deu ordem de disparo. 4 Conclusão Com estes resultados, pode-se concluir que com uma resistência de 12.5Ω, temos uma situação que se posiciona entre o regime de neutro isolado e o regime de neutro directamente ligado à terra. É um regime que não apresenta correntes de defeito muito severas nem desequilíbrios nas tensões muito acentuados. No entanto, teremos que ter sempre em consideração a natureza da rede e da instalação na escolha do regime de neutro a utilizar. 12

13 5 Referências [1] Miguel Louro (Outubro de 2008) O sistema de protecções na perspectiva da segurança de pessoas em redes de MT. Tese de Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores FEUP. [2] Juan M. Gers e Edward J. Holmes (2004) Protection of Electricity Distribution Networks, 2ᵃ edição. [3] (2002) - Protecção de equipamentos e sistemas de energia eléctrica Versão Provisória. 13