regimes de neutro em média tensão em subestações de...

Regimes de Neutro em Mdia Tenso emSubestaes de Distribuio de EnergiaEltrica

HUGO RICARDO DOS SANTOS TAVARESJaneiro de 2013

Regimes de Neutro em Mdia Tenso

em Subestaes de Distribuio de

Energia Eltrica

Hugo Ricardo dos Santos Tavares

Dissertao realizada no mbito do

Mestrado em Engenharia Eletrotcnica Sistemas Eltricos de Energia

sob orientao do Professora Doutora Teresa Nogueira e Engo. Jorge Santos

Instituto Superior de Engenharia do Porto

Departamento de Engenharia Eletrotcnica e de Computadores

Rua Dr. Antnio Bernardino de Almeida, 431, 4200 - 072 Porto, Portugal

Janeiro 2013

i

Nunca tenha a certeza de nada, porque

a Sabedoria comea com a dvida.

(Sigmund Freud)

iii

AGRADECIMENTOS

Gostava de agradecer em primeiro lugar aos meus orientadores, Professora Doutora

Teresa Nogueira do Instituto Superior de Engenharia do Porto e Engenheiro Jorge Santos

da EDP Distribuio pela preciosa ajuda nesta fase final da concluso do mestrado.

Aos meus Pais e Irm.

Ao Engenheiro Ricardo Prata e Eduardo Quaresma da EDP Distribuio de Lisboa

pela disponibilidade e dvidas esclarecidas relativas ao software DPLAN.

Ao Engenheiro Frantisek Zak da empresa EGE da Republica Checa pelas dvidas

esclarecidas por correio eletrnico e por toda a informao disponibilizada.

A todos os meus colegas do Instituto Superior de Engenharia do Porto, pelos

momentos de trabalho na sala I203, pelo apoio e interesse demonstrado ao longo destes

ltimos meses.

EDP pela oportunidade para a realizao da minha dissertao.

A todos os que de algum modo contriburam para que pudesse realizar este trabalho,

o meu sincero reconhecimento e profunda gratido!

v

RESUMO

A existncia do regime de neutro em subestaes de distribuio de energia eltrica

essencial para o bom funcionamento de toda a rede. Existe um vasto leque de opes no

que diz respeito aos regimes de neutro. Cada opo tem as suas vantagens e

desvantagens, e cabe s empresas do setor eltrico a escolha do regime de neutro mais

adequado em funo das caratersticas da rede. A escolha do regime de neutro tem

influncia direta no desempenho global de toda a rede de mdia tenso.

O principal objetivo desta dissertao o estudo e a anlise das vantagens e

inconvenientes dos vrios regimes de neutro: neutro isolado, neutro impedante, ligado

diretamente terra, neutro ressonante, analisando as suas vantagens e inconvenientes.

feito um estudo aprofundado do regime de neutro ressonante, tambm designado por

regime de neutro com a Bobine de Petersen. Este trabalho descreve, ainda, de forma

sucinta a situao de Portugal relativamente aos regimes de neutro que utiliza e a sua

perspetiva futura.

Por fim apresentado um caso de estudo, que diz respeito a uma rede de mdia

tenso (30 kV) alimentada pela subestao de Serpa. Foram estudados os regimes de

neutro como a bobine de Petersen, reatncia de neutro e neutro isolado. Foi tambm

estudada a influncia na ocorrncia de um defeito fase-terra e a influncia na ocorrncia de

defeitos francos e resistivos em vrios pontos da rede.

vii

ABSTRACT

The existence of the neutral earthing in distribution substations of electricity is

essential to the proper functioning of the entire network. There is a wide range of options in

neutral earthing. Each option has its advantages and disadvantages and it is up to the

electric companies to choose the most appropriate system depending on the characteristics

of the network. The choice of the neutral earthing has a direct influence on the overall

performance of the entire medium voltage network.

The main objective of this dissertation is the study and analysis of the advantages

and disadvantages of the various neutral earthing: isolated neutral, neutral impedant,

connected directly to earth, resonant grounding, analyzing their advantages and drawbacks.

A thorough study of the resonant grounding, also called the neutral earthing with the

Petersen Coil, was made. This study also briefly describes the situation of neutral earthing

and its future perspective in Portugal.

We present the study of a network of medium voltage (30 kV) fed by Serpas

substation. We studied neutral earthing, as Petersen coil, reactor and neutral ungrounded.

The influence on the occurrence of a phase to ground fault, the frank and resistive defects at

several points of the network were also studied.

ix

NDICE

AGRADECIMENTOS.................................................................................................................................. iii

RESUMO ................................................................................................................................................... v

ABSTRACT ............................................................................................................................................... vii

NDICE ...................................................................................................................................................... ix

NDICE DE FIGURAS ................................................................................................................................ xii

NDICE DE TABELAS ............................................................................................................................... xiv

ABREVIATURAS ...................................................................................................................................... xvi

SIMBOLOGIA......................................................................................................................................... xvii

Captulo 1 ................................................................................................................................................. 1

Introduo ................................................................................................................................................ 1

1.1 Enquadramento ..................................................................................................................... 1

1.2 Objetivos do Trabalho ........................................................................................................... 2

1.3 Estrutura da Dissertao ...................................................................................................... 3

Captulo 2 ................................................................................................................................................. 5

Regimes de neutro ................................................................................................................................... 5

2.1 Introduo ............................................................................................................................... 5

2.1.1 Impacto nas caratersticas de operao .................................................................... 8

2.1.2 Impacto nas especificaes construtivas da rede .................................................... 8

2.2 Regimes de neutro ................................................................................................................ 9

2.2.1 Sistemas com 3 condutores ....................................................................................... 10

2.2.2 Sistemas com 4 condutores ....................................................................................... 11

2.2.3 Vantagens e desvantagens dos diversos Regimes de Neutro ............................. 14

2.2.4 Ligaes do Regime de Neutro ................................................................................. 15

2.2.5 Dificuldades e critrios de seleo ........................................................................... 15

2.2.6 Neutro isolado e sistema de proteo ...................................................................... 17

2.2.7 Neutro ligado diretamente terra ............................................................................. 20

2.2.7.1 Sem o sistema de limitao do potencial terra (Neutro no distribudo): .. 21

2.2.7.2 Com o sistema de limitao do potencial terra (Neutro distribudo): ......... 21

2.2.7.3 Funo de proteo .................................................................................... 23

2.2.8 Neutro ligado terra por impedncia ....................................................................... 24

2.2.8.1 Reatncia de Neutro e sistema de proteo ............................................... 25

2.2.8.2 Resistncia de Neutro e sistema de proteo ............................................. 27

2.2.8.3 Bobine de Petersen ou Neutro ressonante ................................................. 30

x

Aplicaes da Bobine de Petersen ......................................................................................................... 37

3.1 Situao existente na rede portuguesa ........................................................................... 37

3.2 Mudanas de Regime de Neutro ...................................................................................... 37

3.3 Necessidade do Neutro Ressonante ................................................................................ 38

3.4 Implementao do Neutro Ressonante em Portugal ..................................................... 40

3.5 Anlise de sistemas de distribuio compensados ........................................................ 41

3.6 Caratersticas da Bobine de Petersen ............................................................................. 41

3.6.1 Regulao Contnua: .................................................................................................. 43

3.6.2 Caratersticas tcnicas ............................................................................................... 44

3.6.3 Caratersticas de configurao .................................................................................. 45

3.6.3.1 Intervalos de funcionamento da impedncia ............................................... 45

3.6.3.2 Intervalos de funcionamento da corrente de neutro .................................... 46

3.6.4 Correntes de defeitos admissveis ............................................................................ 47

3.6.5 Transformador para injeo de corrente homopolar para sintonizao da

bobine 47

3.6.6 Comando de controlo da bobine de Petersen ........................................................ 47

3.7 Sistema de proteo para o Neutro Ressonante ........................................................... 48

3.8 Deteo de defeitos terra com o rel 7SN60 da SIEMENS ...................................... 50

3.8.1 Proteo de defeitos sensveis terra ..................................................................... 55

3.8.2 Proteo sensvel Watimtrico .................................................................................. 55

3.9 Mtodos de deteo de defeitos terra para redes de distribuio usando a bobine

de Petersen ...................................................................................................................................... 57

3.9.1 Deteo da tenso ...................................................................................................... 59

3.9.2 Mtodo Wattimtrico ................................................................................................... 59

3.10 Novos mtodos de deteo de defeitos terra para redes de distribuio usando a

bobine de Petersen ......................................................................................................................... 61

3.10.1 Mtodo da Condutncia ............................................................................................. 61

3.10.2 Mtodo da Condutncia Incremental........................................................................ 62

3.11 Custo da Bobine de Petersen ............................................................................................ 63

3.11.1 Caratersticas da bobine de Petersen ...................................................................... 63

3.11.2 Dimensionamento da potncia reativa da bobine .................................................. 63

Captulo 4 ............................................................................................................................................... 65

Anlise de um caso de estudo .......................................................................................................... 65

4.1 Introduo ............................................................................................................................. 65

4.2 Modelizao da bobine de Petersen ................................................................................ 65

4.3 Rede de estudo .................................................................................................................... 66

xi

4.3.1 Defeitos Francos .......................................................................................................... 68

4.3.2 Defeitos resistivos ....................................................................................................... 72

4.3.2.1 Defeitos resistivos (10 Ohms) ..................................................................... 72

4.3.2.2 Defeitos resistivos (100 Ohms) ................................................................... 75

4.3.2.3 Defeitos resistivos (500 Ohms) ................................................................... 78

4.3.2.4 Defeitos resistivos (1000 Ohms) ................................................................. 80

Capitulo 5 ............................................................................................................................................... 85

Concluses ........................................................................................................................................... 85

5.1 Concluses ........................................................................................................................... 85

5.2 Trabalhos futuros a realizar ............................................................................................... 86

BIBLIOGRAFIA ......................................................................................................................................... 87

xii

NDICE DE FIGURAS

Figura 2.1 - Ponto de Neutro de um Sistema Trifsico ligado em Estrela ................................................5

Figura 2.2 - Circuito equivalente de defeito terra .............................................................................. 15

Figura 2.3 - Corrente defeito capacitiva num sistema de neutro isolado ............................................. 18

Figura 2.4 - Deteo de um defeito ....................................................................................................... 19

Figura 2.5 Defeito terra no regime de neutro ligado diretamente terra...................................... 20

Figura 2.6- Esquema do regime de neutro com o neutro no distribudo ........................................... 21

Figura 2.7 - Esquema do regime de neutro com o neutro distribudo.................................................. 22

Figura 2.8 - Proteo de defeitos terra 51N ....................................................................................... 23

Figura 2.9 - Reatncia de neutro com o neutro acessivel ..................................................................... 25

Figura 2.10 - Reatncia de neutro sem o neutro acessvel ................................................................... 27

Figura 2.11 - Defeito terra no regime de neutro ligado terra por uma resistncia......................... 27

Figura 2.12 - Transformador monofsico com carga resistiva .............................................................. 28

Figura 2.13 - Proteo de defeitos terra ............................................................................................ 29

Figura 2.14 - Princpio de funcionamento da Bobine de Petersen ....................................................... 31

Figura 2.15 - Defeito terra usando a bobine de Peterson .................................................................. 34

Figura 2.16 - Vetor das correntes durante um defeito terra.............................................................. 35

Figura 3.1 Defeito usando Bobine de Petersen .................................................................................. 42

Figura 3.2 - Bobine de Petersen, Exemplo da EGE ................................................................................ 43

Figura 3.3 - Descrio pormenorizada da Bobine de Petersen (Modelo ASR 1.6 da EGE) .................... 43

Figura 3.4 - Esquema pormenorizado do interior da Bobine de Petersen ............................................ 44

Figura 3.5 - Diagrama esquemtico da Bobine de Petersen ................................................................. 47

Figura 3.6 - Tenses normais de funcionamento .................................................................................. 49

Figura 3.7 - Tenses do sistema em caso de defeito ............................................................................ 49

Figura 3.8 Rel de deteo de defeitos terra (7SN60) da SIEMENS ................................................ 50

Figura 3.9 - Esquema de ligao dos equipamentos de medio da corrente ..................................... 51

Figura 3.10 - Funcionamento do rel em caso de um defeito .............................................................. 51

Figura 3.11 - Sistema com defeito no regime de neutro com a bobine de Petersen ........................... 52

Figura 3.12 Distribuio das correntes na fase C durante um defeito numa rede radial .................. 53

Figura 3.13 Fase C com defeito terra no regime usando a bobine de Petersen: Caso terico Sem

resistncia presentes no XL ou XC ......................................................................................................... 53

Figura 3.14 Correntes residuais homopolares ................................................................................... 54

Figura 3.15 - Fase C com defeito terra no regime usando a bobine de Petersen: Caso pratica Com

resistncia presentes no XL ou XC ......................................................................................................... 54

Figura 3.16 - Componentes resistivas da corrente ............................................................................... 56

Figura 3.17 - Diagrama fasorial tpico para defeitos terra e caratersticas de operao do rel

watimtrico (32 W) usado em sistemas compensados ........................................................................ 60

Figura 3.18 - Diagrama lgico simplificado de um elemento do rel watimtrico (32 W) ................... 60

Figura 3.19 - Elemento da condutncia incremental (32C) caratersticas de operao ....................... 62

Figura 3.20 - Diagrama Lgico Simplificado de um Elemento de Condutncia Incremental (32C) ...... 63

Figura 4.1 - Configurao da Bobine de Petersen limitando a corrente de defeito a 40 A .................. 66

Figura 4.2 Rede de estudo com os pontos em anlise ....................................................................... 67

Figura 4.3 - Rede em defeito com o percurso da corrente de defeito .................................................. 68

Figura 4.4 Valores das tenses para defeitos francos ........................................................................ 71

xiii

Figura 4.5 - Valores das Tenses para defeitos resistivos (10 Ohms) ................................................... 75

Figura 4.6 - Valores das tenses para defeitos resistivos (100 Ohms) .................................................. 77

Figura 4.7 Valores das tenses para defeitos resistivos (500 Ohms) ................................................. 80

Figura 4.8 Valores das tenses para defeitos resistivos (1000 Ohms) ............................................... 82

xiv

NDICE DE TABELAS

Tabela 2.1 Diferenas entre os regimes de neutro ...............................................................................9

Tabela 2.2 - Regimes de Neutro no Mundo .......................................................................................... 13

Tabela 2.3 - Resumo das vantagens e desvantagens dos regimes de neutro ....................................... 14

Tabela 3.1 Intervalo de impedncia da bobine de Petersen .............................................................. 46

Tabela 3.2 Valores admissveis para a corrente de neutro ................................................................ 46

Tabela 4.1 - Valores de tenso para bobine de Petersen limitado a 40 A ............................................ 69

Tabela 4.2 - Valores de corrente para bobine de Petersen limitado a 40 A ......................................... 69


Tabela 4.4 - Valores de corrente para bobine de Petersen limitado a 20 A ......................................... 69

Tabela 4.5 - Valores de tenso com a reatncia de neutro .................................................................. 70

Tabela 4.6 - Valores da corrente de defeito com a reatncia de neutro .............................................. 70

Tabela 4.7 - Valores de tenso com o neutro isolado ........................................................................... 70

Tabela 4.8 - Valores da corrente de defeito com o neutro isolado ...................................................... 70


Tabela 4.10 - Valores da corrente de defeito para bobine de Petersen limitado a 40 A ...................... 73

Tabela 4.11 - Valores de tenso para bobine de Petersen limitado a 20 A .......................................... 73

Tabela 4.12 - Valores da corrente de defeito para bobine de Petersen limitado a 20 A ...................... 73

Tabela 4.13 - Valores de tenso com a reatncia de neutro ................................................................ 73

Tabela 4.14 - Valores da corrente de defeito com a reatncia de neutro ............................................ 74

Tabela 4.15 - Valores de tenso com o neutro isolado ......................................................................... 74

Tabela 4.16 - Valores da corrente de defeito com o neutro isolado .................................................... 74


Tabela 4.18 - Valores de corrente para bobine de Petersen limitado a 40 A ....................................... 75





















xv



xvi

ABREVIATURAS

A - Ampere

ANSI - American National Standards Institute

AT - Alta Tenso

BT - Baixa Tenso

CAIDI - Costumer Average Interruption Duration Index

EDF - Eletricidade de Frana

EDP - Energias de Portugal

ERSE - Entidade Reguladora Dos Servios Energticos

DGEG - Direo Geral de Energia Geologia

DMIC - ndice de Durao Mdia de Interrupo no Cliente

DMIS - ndice de Durao Mdia de Interrupo do Sistema

IDMT - Tempo Mnimo Inverso Definido

kV - Quilovolt

MT - Mdia Tenso

PTs - Postos de Transformao

PURN - Programa de Uniformizao de Regimes de Neutro

RND - Rede Nacional de Distribuio

RQS - Regulamento da Qualidade de Servio

SAIDI - System Average Interruption Duration Index

SEN - Sistema Eltrico Nacional

TI - Transformadores de Intensidade

TT - Transformadores de Tenso

xvii

SIMBOLOGIA

% - Percentagem

- Ohm

3I0 - Corrente homopolar

C - Capacidade da fase em relao terra

I1 - Corrente da fase 1



Ic - Corrente capacitiva

Id - Corrente de defeito

Ik1 - Corrente de curto-circuito (Fase Terra)

IL - Corrente no ponto de neutro

ILN - Circulao de corrente no neutro na reatncia de neutro

In - Corrente nominal

IN - Circulao da corrente no neutro ligado diretamente terra

I0 - Corrente homopolar

IR - Corrente resistiva

IRN - Circulao de corrente no neutro na resistncia de neutro

IrsdA - Corrente residual A

IrsdB - Corrente residual B

L1 - Fase 1 do sistema



LN - Reatncia de neutro

N - Condutor de Neutro

R - Resistncia

RN - Resistncia de Neutro

- Tenso Nominal

xviii

V - Tenso simples

V0 - Tenso residual

V0 - Tenso homopolar

X - Reatncia

Z - Impedncia

ZN - Impedncia entre o ponto neutro e a terra

INTRODUO

1

Captulo 1

Introduo

1.1 Enquadramento

A energia eltrica tem uma importncia decisiva como fator de

desenvolvimento e melhoria da qualidade de vida das populaes, mas as atividades

inerentes sua produo e distribuio podem ter efeitos ambientais menos positivos.

Em Portugal, a EDP distribuio do grupo EDP opera na atividade de

distribuio de eletricidade.

As redes de distribuio so constitudas por linhas areas e cabos

subterrneos AT (60 kV), MT (30 kV, 15 kV e 10 kV) e ainda em BT (400/230 V), por

subestaes, postos de transformao e os demais equipamentos necessrios para a

sua explorao. A iluminao pblica includa nas redes de distribuio (E.D.P,

2012).

A liberalizao no setor de energia, implicou a adaptao da empresa s novas

condies do mercado, assim imps como principal objetivo aumentar o grau de

satisfao dos clientes e a sua fidelizao, privilegiando o aumento da qualidade de

servio prestado. Assim sendo, a escolha do regime de neutro pode influenciar

bastante este indicador.

A produo de eletricidade nos grandes centros produtores no por si s

suficiente sendo necessrio criar infraestruturas para transportar a energia eltrica at

ao consumidor final. A distncia geogrfica entre os centros produtores e os

consumidores finais, a irregularidade das cargas e a impossibilidade de armazenar

energia eltrica tornou evidente a necessidade de criar uma rede com a capacidade de

transmisso a longas distncias (Puret, 1992).

Os sistemas eltricos em MT abastecem as subestaes que vo fornecer os

consumidores finais. Estas redes so normalmente emalhadas, mas so operadas em

estrutura radial. Esta estrutura realmente favorvel em condies normais de

operao visto que permite uma rpida localizao de defeitos. A topologia radial pode

ser alcanada atravs da abertura de um conjunto de interruptores-seccionadores

localizados em partes estratgicas da rede. As novas tecnologias de automao,

permitem o uso de interruptores-seccionadores, bem como o de outros aparelhos

telecomandados distncia a partir dos centros de conduo. Desta forma

CAPTULO 1

2

as empresas de distribuio so capazes de alterar o layout das redes MT atravs

de reconfiguraes peridicas (Zizzo, 2010).

O regime de neutro, ou a ligao intencional da fase ou do neutro terra, tem

como objetivo controlar a tenso para a terra, dentro de limites aceitveis. Tambm

fornece um fluxo de corrente que ir permitir a deteo de uma ligao indesejada

entre os condutores do sistema e a terra, ou seja, um defeito terra. A origem desta

ligao indesejada geralmente resultado de quebras de isolamento. A energia

libertada num defeito terra pode conduzir a um processo de interrupes, avarias em

equipamentos, incndios e riscos de exploso (Cochran, 2012).

O regime de neutro usado na operao das redes de distribuio desempenha

um papel muito importante porque as instalaes eltricas requerem um mtodo de

ligao terra apropriado (Zamora, 2004). A seleo do regime de neutro influencia o

comportamento do sistema de distribuio no decorrer de um defeito, sendo o regime

de neutro adotado como um dos sistemas de proteo. O objetivo principal o de

assegurar a segurana de pessoas e bens e garantir uma elevada continuidade de

servio, com o objetivo de conseguir ndices de qualidade de servio aceitveis,

diminuir as avarias e choques trmicos dos equipamentos, reduzir as interferncias

nos sistemas de comunicao. Este regime possibilita, ainda, a rpida deteo e

eliminao de defeitos ((Roberts, 2001); (Zamora, 2004)).

1.2 Objetivos do Trabalho

Esta dissertao surge do interesse da E.D.P perceber o modo de

funcionamento do regime de neutro usando a bobine de Petersen, de avaliar sistemas

de proteo e deteo de defeitos aplicando este regime de neutro s novas

subestaes em Portugal continental. Pretende-se, ainda, estudar os diversos regimes

de neutro, analisando as diferenas entre eles.

Sintetizam-se, agora, os objetivos da dissertao:

Identificao das opes de regimes de neutro existente e suas

vantagens e desvantagens;

Anlise da situao existente na rede portuguesa;

Estudo da introduo ao regime de neutro usando a bobine de Petersen

na rede portuguesa: vantagens e constrangimentos, caraterizao

tcnica das bobines, dos sistemas de proteo e deteo de defeitos;

Caso de estudo de uma rede usando o software DPLAN.

INTRODUO

3

1.3 Estrutura da Dissertao

A dissertao composta por 5 captulos. No 1 captulo feita uma breve

introduo ao SEN, aos regimes de neutro e descrita a estrutura da dissertao.

No captulo 2 so discutidos os vrios regimes de neutro existentes para redes

de distribuio em mdia tenso analisando as vantagens e desvantagens, as

diversas configuraes existentes e os sistemas de proteo associado a cada regime.

O captulo 3 dedicado em especial a um regime de neutro, o neutro

ressonante. feita uma anlise pormenorizada a este regime, e so ainda abordados

os sistemas de proteo e os mtodos de deteo de defeitos a ele associados. Tal

como o regime de neutro utilizado em Portugal e quais as tendncias para o futuro.

O 4 captulo diz respeito a um caso de estudo que serve de apoio para o

desenvolvimento desta dissertao. Foi estudado o impacto dos diversos regimes de

neutro em caso de defeitos francos e resistivos relativamente ao valor da tenso na

fase de defeito, nas fases ss e a corrente de defeito.

Por fim, no captulo 5 sero descritas as concluses gerais desta dissertao

com sugestes de potenciais trabalhos a realizar no futuro.

REGIMES DE NEUTRO

5

Captulo 2

Regimes de neutro

2.1 Introduo

Quando se fala dos regimes de neutro h, necessariamente, que abordar as

suas vantagens e desvantagens que lhes so inerentes. Deve existir um compromisso

de forma a que o regime de neutro adotado assegure a segurana de pessoas e bens,

mantenha a qualidade de servio em ndices satisfatrios evitando sanses

econmicas para a empresa fornecedora do servio. O regime de neutro

implementado nas subestaes de distribuio de energia eltrica que determina as

caratersticas dos defeitos terra (Clement, 1993).

Em qualquer sistema trifsico existem trs tenses que se podem medir entre

cada fase e um ponto comum, denominado Ponto de Neutro. O neutro

normalmente o ponto onde esto ligadas as trs fases do sistema (Figura 2.1) (Prv,

2006).

Figura 2.1 - Ponto de Neutro de um Sistema Trifsico ligado em Estrela

O neutro pode ou no estar acessvel ou distribudo. O regime de neutro em

subestaes AT/MT, e a escolha se o condutor de neutro ou no distribudo

(distino entre 3 ou 4 condutores) tem influncia direta num vasto conjunto de

parmetros da rede. Em alguns pases o neutro em MT no distribudo, como

acontece em Portugal, contudo o neutro em BT normalmente distribudo. Em

instalaes eltricas o neutro pode ser ligado terra ou no. por esta razo que se

fala sobre os regimes de neutro. O neutro pode ser ligado diretamente terra ou

atravs de uma resistncia/reatncia. No primeiro caso dizemos que o neutro ligado

CAPTULO 2

6

diretamente terra e no segundo caso ligado atravs de uma impedncia. Pode,

ainda, tratar-se de neutro isolado quando no existe nenhuma ligao fsica entre o

neutro e a terra.

Em redes de distribuio, o regime de neutro desempenha um papel muito

importante. Quando ocorre uma falha no isolamento ou uma fase entra acidentalmente

em contacto com a terra, os valores das correntes de defeito que podem ser

produzidas, as tenses de contacto e as sobretenses esto estreitamente

relacionados com o regime de neutro adotado. O neutro ligado diretamente terra

limita fortemente as sobretenses mas causa correntes de defeito muito elevadas, ao

invs no regime de neutro isolado as correntes de defeitos so mais baixas mas

favorecem sobretenses elevadas.

Em qualquer instalao, a continuidade de servio no caso de um defeito de

isolamento est diretamente relacionado com o regime de neutro. O neutro isolado

permite continuidade de servio durante um defeito, contrariamente o neutro ligado

diretamente terra ou o neutro ligado terra atravs de uma baixa impedncia origina

disparo ao primeiro defeito. A extenso de prejuzos de alguns equipamentos, tais

como motores e geradores quando expostos a um defeito tambm depende do regime

de neutro adotado (Prv, 2006).

H alguns objetivos bsicos a considerar na escolha do regime de neutro para

um qualquer sistema. So eles ((Cochran, 2012); (IEEE, 2000)):

As tenses nominais e o grau de proteo contra descargas

atmosfricas;

Limitao de sobretenses;

Seletividade e sensibilidade dos defeitos terra;

Limitar a corrente de defeito terra;

Segurana das pessoas e animais;

Reduo na frequncia de defeitos;

Reduo da manuteno quer em custos e tempo;

Facilidade na deteo dos defeitos terra.

A topologia de uma rede eltrica caraterizada por todas as fases que

envolvem a atividade da energia eltrica na distribuio pblica (Layout, proteo e

operao). Na prtica, para o distribuidor, definir a topologia, significa assumir alguns

fatores fsicos e simultaneamente ter em considerao os objetivos traados e alguns

REGIMES DE NEUTRO

7

condicionalismos tcnicos (Puret, 1992). A escolha da topologia depende dos

seguintes objetivos:

Garantir a segurana de pessoas e bens;

Atingir um nvel pr-definido para a qualidade de servio;

Produzir a rentabilidade esperada.

A escolha do regime de terra define, entre outras coisas, as sobretenses e as

sobreintensidades de defeito terra que podem ser encontrados na rede. Estes dois

parmetros so contraditrios, uma vez que para obter valores baixos de corrente de

defeito, conduz a valores elevados de tenso e vice-versa. Estes valores colocam

restries eltricas que o equipamento tem de suportar, contudo optar por uma

determinada configurao da rede, podemos simultaneamente escolher as diversas

protees existentes para aquela configurao e modo de operao (Puret, 1992).

As redes pblicas de distribuio, em MT, so construdas com base em dois

parmetros fundamentais que influenciam a maioria dos componentes bem como o

seu funcionamento. Estes parmetros so o regime de neutro e a tenso de

funcionamento. A escolha destes dois parmetros tem um impacto muito importante

em toda a rede de distribuio, e muito difcil, seno mesmo impossvel ou

economicamente no vivel alter-los posteriormente. Por isso essencial

compreender perfeitamente a influncia destas decises noutros parmetros da rede,

tais como os sistemas de protees, a segurana, os defeitos, entre outros (Fulchiron,

2001)).

O valor da corrente de defeito terra, no caso de o defeito ser entre fase-terra,

determinado principalmente pela impedncia do regime de neutro e pelas

capacidades entre as fases condutoras e a terra, presentes na rede de distribuio.

A tenso de contacto e de passo so dois aspetos que dizem respeito

segurana das pessoas na proximidade do defeito eltrico. Estes valores de tenses

esto diretamente relacionados com o valor das correntes de defeito e as impedncias

por onde a corrente de defeito circula.

No nvel de sobretenses, o regime de neutro tem um efeito na frequncia de

sobretenses em ambiente industrial quando ocorrem defeitos, tambm na amplitude

e amortecimento de fenmenos oscilatrios ou transitrios.

Relativamente ao nvel das perturbaes nas redes vizinhas, em caso de redes

areas, a corrente de defeito origina um forte campo magntico. So induzidas

tenses nas redes vizinhas, redes de telecomunicaes, redes cabladas (Cabos com

Cobre). O nvel de tenso pode ser considerado inaceitvel se colocar em risco a

CAPTULO 2

8

operao normal ou at o isolamento dos equipamentos vizinhos. Antes da instalao

de novas linhas MT, devem ser realizados estudos de compatibilidade

eletromagntica (Fulchiron, 2001).

2.1.1 Impacto nas caratersticas de operao

Um vasto conjunto de critrios de operao afetado, tambm, pelo regime de

neutro (Fulchiron, 2001):

A durao permitida em cada defeito terra (extenso do perigo e

segurana);

O comportamento da formao dos arcos em ambiente externo (se

auto-extinguvel ou no);

Os mtodos usados para localizar os defeitos na rede;

As flutuaes nas tenses na extremidade das cargas durante o defeito;

O nmero e a durao dos defeitos sentidos pelos clientes;

A possibilidade e a facilidade de reconfigurao da rede depois de um

incidente.

2.1.2 Impacto nas especificaes construtivas da rede

O regime de neutro tem uma importante influncia nos aspetos construtivos

das redes (Fulchiron, 2001):

Os valores das impedncias de ligao terra tm de ser adaptadas

corrente de defeito;

Os condutores afetados pelos defeitos devem possuir uma adequada

resistncia trmica;

O isolamento dos condutores e dos equipamentos deve ter em

considerao as sobretenses influenciadas pelo regime de neutro.

A possibilidade de defeitos terra sempre uma questo pertinente, uma vez

que os defeitos que afetam vrias fases no so influenciados pelo regime de neutro

existente.

A Tabela 2.1 contm uma lista significativa dos efeitos gerados pela escolha

inicial dos regimes de neutro e mostra vrios fatores diretamente relacionados com os

valores da corrente de defeito ((Fulchiron, 2001); (Roberts, 2001)). O mesmo se aplica

REGIMES DE NEUTRO

9

segurana das pessoas (tenso de passo e de contacto), cavas de tenso,

compatibilidade eletromagntica com os circuitos vizinhos (redes de

telecomunicaes) e avarias no local do defeito. Estes factos vm confirmar que no

existe um regime de neutro perfeito j que as vantagens e desvantagens esto

distribudas pelos diversos regimes (Fulchiron, 2001).

Tabela 2.1 Diferenas entre os regimes de neutro

Regime de

Neutro Isolado Bobine de Petersen Impedante

Ligado Diretamente

terra

Corrente do

defeito

Relacionado com

a Capacitncia: 2

a 200 A

Quase nulo, depende

da afinao e fator da

qualidade (< 40 A)

Dependendo da

impedncia:

100 A a 2000 A

Elevado: 2 a 25 kA,

varia com o local

Perigosidade Baixo Quase nula Depende da

impedncia Elevada

Restries Algumas

sobretenses Calor na bobine

Calor na

impedncia

Trmicas e

eletrodinmicas

Sistema de

protees Difcil Complexa Fcil (Tempo) Fcil (Corrente)

Nvel de

isolamento

necessrio

Fase - Fase Fase - Fase Fase - Fase1

Fase - Neutro2 Fase - Neutro

A importncia relativa destas vantagens varia consoante a rede em questo

seja constituda por linhas areas ou com cabos subterrneos, varia o comprimento da

rede, entre outros fatores. Uma deciso bem pensada pode ser prudente para o futuro,

uma vez que a rede com os anos tende a evoluir e podem ser necessrias novas

alteraes.

2.2 Regimes de neutro

As redes podem ser classificadas em duas grandes categorias (Fulchiron,

2001):

Redes com o neutro distribudo (4 condutores).

Redes com o neutro no distribudo (3 condutores).

1 Usando uma resistncia de neutro

2 Usando reatncia de neutro

CAPTULO 2

10

Em teoria, cada uma destas duas categorias pode usar diferentes regimes de

neutro com vrios valores de impedncias. De facto, todas as redes com 4 condutores

usam o regime de neutro ligado diretamente terra. O condutor de neutro pode ser

ligado diretamente terra atravs de vrios pontos na rede e desta forma nunca

apresenta tenses perigosas. Esta configurao usada nos Estados Unidos, com

maior predominncia no norte da Amrica, mas tambm em certas regies do sul da

Amrica, Austrlia e alguns pases influenciados pelos Estados Unidos da Amrica.

Redes com 3 condutores usam 4 tipos de regimes de terras (Fulchiron, 2001):

Neutro ligado diretamente terra (Gr-Bretanha, Espanha, entre outros)

Neutro impedante (Frana, Alemanha, Espanha, Portugal, entre outros)

Bobine de Peterson (Alemanha, Hungria, Polnia, entre outros)

Neutro isolado (Espanha, Sucia, Noruega, Itlia, China, entre outros)

Estas escolhas so feitas com base nas caratersticas do local de

implementao, nomeadamente com a tipologia da rede, que pode ser area ou

subterrnea. As alteraes do regime de neutro so possveis, mas acarretam

enormes encargos financeiros, sobretudo no que diz respeito mudana de

equipamentos e aos recursos humanos utilizados.

2.2.1 Sistemas com 3 condutores

Neste sistema, o condutor neutro no distribudo e assim sendo no est

disponvel para os utilizadores. As cargas, mesmo sendo monofsicas s podem ser

ligadas s fases da rede. Esta soluo no gera qualquer corrente no condutor de

neutro, excluindo qualquer desequilbrio capacitivo nas fases condutoras, que num

sistema com estas caratersticas zero. Em redes com o neutro no distribudo, as

cargas so obrigatoriamente colocadas entre as fases e quando existe a ligao do

neutro, no circula nenhuma corrente atravs dele. Esta situao puramente terica

uma vez que correntes capacitivas que existem entre as fases condutoras e a terra

nunca esto perfeitamente equilibradas. Este desequilbrio devido diferente

geometria nas linhas areas, ao interior dos transformadores, entre outros fatores.

Contudo, quando a rede construda, o distribuidor tem em conta a troca dos

condutores ao longo de cada alimentador, a contnua corrente residual de cada fonte

de alimentao pode ser reduzida em menos de 1 A, ou at menos quando se usa o

neutro isolado. Este tipo de corrente residual natural pode ser usada para encontrar a

REGIMES DE NEUTRO

11

presena de baixos valores de correntes provenientes de defeitos vindos das

subestaes (Fulchiron, 2001).

O ponto de neutro da rede, continua disponvel exclusivamente para o

distribuidor, podendo ser ligado uma impedncia de qualquer valor ou tipo. Na prtica

so usados 4 regimes de neutros, o isolado, bobine de Petersen, impedante ou o

ligado diretamente terra. Se o valor da impedncia do regime de neutro significante

comparado com a impedncia da rede, a impedncia homopolar resultante determina

o valor mximo da corrente de curto-circuito terra.

Para o clculo da impedncia homopolar da rede, a impedncia de neutro

dever ser considerada como estando em paralelo com as capacidades fase-terra da

rede. Estas capacidades podem tomar valores elevados, o que contribuir

significativamente para o valor da corrente de curto-circuito fase-terra. No entanto,

como no existe corrente residual durante a explorao normal da rede, os

curto-circuitos fase-terra podem ser detetados na subestao.

Dependendo da impedncia de neutro, a proteo adotada pode variar, mas

no existe a obrigao tcnica de usar dispositivos de proteo descentralizada. O

sistema de proteo pode permanecer simples, com a vantagem que no requer

alteraes se for alterada a estrutura da rede (Fulchiron, 2001).

2.2.2 Sistemas com 4 condutores

Sistemas com 4 condutores so caraterizados pela distribuio do condutor de

neutro. Esta configurao usada nos Estados Unidos da Amrica e alguns pases

influenciados pela Amrica do Norte e sujeitos regulamentao do Instituto Nacional

de Estandardizao Americana (ANSI). A distribuio do condutor de neutro permite

que as cargas monofsicas sejam alimentadas, entre a fase e o neutro. Em condies

normais de operao, a utilizao de uma fase, no totalmente controlada pelo

distribuidor, o que resulta na presena de uma corrente no condutor de neutro ou na

terra. Devido ligao direta terra, a corrente de defeito limitada principalmente

pela impedncia da rede, distncia entre o transformador AT/MT e a localizao do

defeito. Esta situao exige o uso de uma proteo descentralizada, que seja capaz

de identificar pequenos intervalos de corrente conforme aumenta a distncia, e que

seja coordenada ao mesmo tempo. O sistema de protees resultante complexo e

inadequado para a reconfigurao da rede em caso de um incidente (Fulchiron, 2001).

A escolha do regime de neutro para sistemas eltricos tem sido tpico de uma

acesa controvrsia devido ao facto de ser impossvel encontrar um compromisso para

os diversos regimes. A experincia adquirida permite fazer uma escolha mais correta

CAPTULO 2

12

de acordo com as restries tcnicas de cada sistema de neutro. Este captulo

compara os diferentes regimes de neutro, distinguindo-se pela ligao do ponto de

neutro e a tcnica de funcionamento usada [Schneider-2008].

No existe um regime de neutro normalizado, isto significa que cada pas,

empresa fornecedora do servio, usa o regime de neutro que considera mais

vantajoso. possvel encontrar pelo mundo todo os diversos regimes de neutro

adotados (Puret, 1992):

Neutro isolado

Neutro ligado diretamente terra

Neutro distribudo

Neutro no distribudo

Neutro ligado terra por impedncia

Neutro ressonante

A escolha do regime de neutro adotado depende (Clement, 1993):

Das caratersticas do sistema de mdia tenso:

Nvel de Tenso

Sistema subterrneo ou areo

Comprimento da rede

Nmero e a topologia dos defeitos que afetam o sistema

Resistividade do solo

Dos objetivos para a sua utilizao:

Valores de sobretenses admissveis que garantam a

coordenao do isolamento dos equipamentos e a segurana das

pessoas

Padro de fornecimento

Limitao dos fenmenos de induo aos sistemas vizinhos

Legislao em vigor.

Comparao entre os custos dos diferentes mtodos e seus graus de

eficincia.

Como j foi referido, nenhum destes regimes usado dominantemente pelo

mundo, alguns so especficos de alguns pases, no entanto podem ser usados mais

que um regime de neutro dentro do mesmo pas ou at mesmo pela empresa

distribuidora de eletricidade (Tabela 2.2) ((Puret, 1992); (Roberts, 2001)). No entanto,

REGIMES DE NEUTRO

13

a escolha do regime de neutro tem sempre em considerao os custos da instalao e

de operao.

Tabela 2.2 - Regimes de Neutro no Mundo

Regime

de

Neutro

Neutro ligado

terra (Neutro

distribudo)

Neutro ligado

terra (Neutro

no distribudo)

Neutro ligado

terra por

impedncia

Neutro

ressonante

Neutro

Isolado

Pa

se

s

Austrlia X

Canada X

Espanha X X X X

Frana X

Japo X

Estados Unidos X

Itlia X

Alemanha X X

Irlanda X

Gr-Bretanha X

Amrica Latina X

China X

Per X

Rssia X

Portugal X

Israel X

A escolha do regime de neutro influencia o desempenho da rede de distribuio

e a escolha das protees a utilizar. As principais diferenas entre os diversos regimes

de neutro esto relacionadas com o comportamento da rede em caso de um defeito

terra (Puret, 1992).

Estas diferenas traduzem-se em termos reais para ((Puret, 1992)):

A facilidade na deteo de defeitos;

A segurana para as pessoas e bens;

Os impactos nos equipamentos eletrotcnicos.

CAPTULO 2

14

2.2.3 Vantagens e desvantagens dos diversos Regimes de Neutro

Tabela 2.3 - Resumo das vantagens e desvantagens dos regimes de neutro

Regime de neutro Vantagens Desvantagens

Neutro ligado diretamente

terra

(Neutro distribudo)

Alimentao monofsica

e trifsica

Elevada qualidade nos eletrodos

de terra utlizados

Sistema complexo de protees

Elevados valores de corrente de

defeito

Neutro ligado diretamente

terra

(Neutro no distribudo)

Fcil deteo de defeitos Elevados valores de corrente de

defeito

Reatncia de Neutro

Limitao das

sobretenses

Limita a corrente de

defeito

Impossvel operao da rede em

caso de defeito

No permite a autoextino de

correntes de defeito

Neutro Impedante

(Comparado com o

neutro ligado terra)

Limita a corrente de

defeito

Sistema mais complexo de

protees

(Comparado com o

neutro isolado) Reduz sobretenses

Valores superiores de corrente de

defeito

Neutro Ressonante Autoextino de

correntes de defeito Sistema complexo de protees

Neutro Isolado Limita a corrente de

defeito Elevadas sobretenses

Existe um vasto conjunto de regimes de neutro que se podem aplicar nas redes

de distribuio de mdia tenso por todo o mundo. Desde o neutro ligado diretamente

terra com o neutro no distribudo (Reino Unido), neutro ligado diretamente terra

mas no qual o neutro se encontra distribudo (Estados Unidos e Canad), neutro

isolado (Itlia, Japo e Irlanda), neutro impedante (Frana e Espanha) ou neutro

ressonante (Alemanha, Escandinvia, Frana) (Griffel, 1997).

Antigamente, as grandes empresas faziam as suas escolhas iniciais

baseando-se apenas em aspetos econmicos e tcnicos, deixando para segundo

plano questes como a segurana e a qualidade no fornecimento de energia eltrica,

enquanto que agora estas so de extrema relevncia. A implementao do regime de

neutro depende das caratersticas fsicas da rede de mdia tenso (comprimento da

REGIMES DE NEUTRO

15

rede, rede area/subterrnea), da densidade e tipos de carga a alimentar e da

qualidade dos eltrodos de terra (Griffel, 1997).

Como j foi visto, existe uma vasta panplia de regimes de neutro que podem

ser utilizados, sendo que cada um apresenta vantagens e desvantagens, e custos

diferentes consoante a soluo adotada.

2.2.4 Ligaes do Regime de Neutro

O condutor de neutro pode ser ligado terra atravs de 5 maneiras diferentes,

de acordo com o tipo (Capacitivo, resistivo ou indutivo) e com valor (0 at ) da

impedncia ZN a utilizar na ligao entre o neutro e a terra (Figura 2.2)

[Schneider-2008].

ZN , Neutro Isolado, no existe ligao terra.

ZN est relacionado com a resistncia com um valor bastante elevado.

ZN est relacionado com a reatncia, normalmente com um valor baixo.

ZN est relacionado com a bobine de compensao (Bobine de Petersen),

designado para compensar sistemas capacitivos.

ZN 0, o neutro ligado diretamente terra.

Figura 2.2 - Circuito equivalente de defeito terra

2.2.5 Dificuldades e critrios de seleo

So vrios os critrios de seleo a considerar, nomeadamente

[Schneider-2008]:

Consideraes tcnicas (Funcionamento do sistema de potncia,

sobretenses, correntes de defeito);

CAPTULO 2

16

Consideraes operacionais (continuidade de servio, manuteno);

Custos (Investimentos e despesas operacionais);

Local e mtodos usados.

As sobretenses excessivas so originadas na ocorrncia de um defeito, sendo

um problema que pode causar a rutura dieltrica do material isolador, causando curto-

circuitos e podem ter diversas origens, nomeadamente [Schneider-2008]:

Descargas atmosfricas a que todos os equipamentos exteriores esto

sujeitos;

Sobretenses de origem interna causadas por comutaes e situaes

crticas, como situaes de ressonncia;

Sobretenses resultantes de defeitos terra e a sua eliminao.

O principal objetivo dos sistemas de protees evitar que os valores elevados

da corrente de defeito sejam atenuados o mais rpido possvel. A corrente

normalmente muito elevada e produz uma srie de consequncias relacionadas com

os seguintes aspetos [Schneider-2008].

Danos causados por arco eltrico no ponto de defeito, nomeadamente a

fuso de componentes em mquinas eltricas rotativas;

Limite trmico da proteo do cabo;

Tamanho e custo da resistncia de terra;

Induo em circuitos adjacentes de telecomunicaes;

Perigo para as pessoas, originado pelo potencial aumento de exposio

s partes condutoras.

Infelizmente, otimizar um destes requisitos implica, automaticamente, a

desvantagem de outro. Tipicamente dois tipos de regimes de neutro acentuam este

contraste:

Neutro isolado, elimina o fluxo da corrente de defeito terra atravs do

neutro mas origina sobretenses elevadas.

Neutro ligado diretamente terra, que reduz ao mnimo as

sobretenses, mas em contrapartida origina elevados valores de

corrente.

REGIMES DE NEUTRO

17

Para as consideraes operacionais, de acordo com o regime de neutro

adotado:

Operao da rede pode ou no ser possvel aps uma falha que tenha

ocorrido;

As tenses de contacto so diferentes;

A seletividade das protees podem ser fcil ou difcil implementao.

2.2.6 Neutro isolado e sistema de proteo

Diz-se que uma rede tem o regime de neutro isolado quando no existe

qualquer tipo de ligao fsica entre o ponto de neutro do transformador MT e a terra

(Figura 2.3) [Schneider-2008]. A tenso mdia da rede em relao com a terra ento

fixada pela impedncia entre condutores e a terra. Esta impedncia inclui a

capacidade das linhas e dos cabos, a qual predominante, mas tambm as

impedncias de fuga dos diversos componentes (descarregadores de sobretenses,

sensores, entre outros) e as dos defeitos (Fulchiron, 2001). A tenso residual, que a

soma vetorial da tenso composta das 3 fases, nunca na totalidade nula. Fazer a

monitorizao desta tenso pode ser uma tima soluo, o que nos indica a qualidade

do isolamento, desde que qualquer defeito entre a fase e a terra cause um forte

desequilbrio entre a impedncia e o aumento da tenso residual. No entanto, esta

informao comum a toda a rede, no significando que seja possvel detetar o

defeito (Fulchiron, 2001).

Este regime usado principalmente em linhas areas e pouco extensas. Para

sistemas com grandes distncias, a capacidade das linhas terra de tal forma

elevada, que faz com que a corrente se eleve de tal forma que origina uma situao

extremamente perigosa. A rede tem ser isolada entre as fases e a terra devido

tenso entre as linhas (Griffel, 1997).

A corrente de defeito pode ser demonstrada por , onde:

C a capacitncia entre a fase e a terra

a frequncia angular do sistema definido por

V a tenso simples

CAPTULO 2

18

Figura 2.3 - Corrente defeito capacitiva num sistema de neutro isolado

A corrente de defeito pode permanecer por um longo perodo de tempo, sem

causar prejuzos, desde que seja inferior a alguns amperes. No necessitam de ser

tomadas aes para corrigir o primeiro defeito, tornando esta soluo vantajosa por

manter a continuidade de servios, porm, isso acarreta as seguintes

consequncias [Schneider-2008]:

O isolamento tem de ser monitorizado constantemente e os defeitos que

ainda no foram resolvidos devem ser indicados num dispositivo de

monitorizao de isolamento ou por uma unidade de proteo de

deslocamento do ponto de neutro;

A deteo de defeitos requer equipamento automtico bastante

complexo para uma identificao rpida da fase em defeito e a

permanncia de pessoal qualificado para operar com o equipamento;

Se o primeiro defeito no for eliminado, se ocorrer o segundo defeito

numa fase distinta, vai causar um curto-circuito entre as duas fases, a

qual ser eliminada pelas unidades de proteo.

A principal vantagem a continuidade de servio, uma vez que a corrente de

defeito baixa e no suficiente para provocar o disparo automtico das protees. O

disparo, nestas circunstncias s acontece ao segundo defeito [Schneider-2008].

Quanto s desvantagens, existe a incapacidade para eliminar uma sobretenso

transitria atravs da terra, que pode ser um grande problema se a sobretenso for

demasiado elevada. A monitorizao do isolamento obrigatria, com a indicao do

primeiro defeito. necessrio ter uma equipa qualificada com o equipamento

necessrio para a deteo do primeiro defeito. A implementao das protees para

REGIMES DE NEUTRO

19

deteo do primeiro defeito uma tarefa difcil e existem riscos de sobretenses

criadas por ferro-ressonncia [Schneider-2008].

A origem do defeito tem de ser detetada por uma unidade direcional de

proteo (67N) de defeitos terra (Figura 2.4). Esta proteo implementada pela

comparao do ngulo de deslocamento entre a tenso residual e a corrente residual,

da fase em defeito com as fases saudveis.

Figura 2.4 - Deteo de um defeito

A corrente medida por um ncleo toroidal, Transformador de Intensidade (TI)

e a atuao das protees definida do seguinte modo [Schneider-2008]:

Evitar disparos intempestivos

Inferior soma de todas as correntes capacitivas de todos os outros

circuitos

Isto faz com que seja bastante difcil detetar defeitos em sistemas eltricos de

pequena dimenso, que tm apenas algumas centenas de metros de

comprimento [Schneider-2008]. No caso de um defeito, a tenso entre fase e terra

zero para a fase em questo e nas outras 2 fases ss a tenso igual tenso

composta. As correntes presentes nas capacidades entre fase-terra das 3 fases

condutoras, no so equilibradas, uma corrente residual diferente de zero, circula pela

CAPTULO 2

20

rede. A utilizao de um dispositivo de proteo contra sobreintensidades no se

traduz numa soluo simples e eficiente para detetar quais os condutores em defeito.

Redes com o neutro isolado podem ser usadas mesmo com um defeito, defeito

este detetado mas no eliminado. Este modo de operao usado por vezes para

melhorar a continuidade de servio, mas desta forma impossvel localizar o defeito

enquanto os clientes estiverem a ser alimentados. O risco associado a operar a rede

com um defeito, o de ocorrer um segundo defeito noutra fase, este segundo defeito

cria um curto-circuito que coloca as fases ss submetidas a tenses

compostas (Fulchiron, 2001).

Este regime usado frequentemente nos sistemas pblicos de distribuio do

Japo, Espanha e Itlia e em ambientes industriais (15 kV) que necessitam de uma

elevada continuidade de servio, neste caso a referncia terra efetuada pela

capacidade da linha. A deteo de defeitos pode no ser uma tarefa fcil e um defeito

muito resistivo pode passar despercebido por vrios perodos de tempo (Griffel, 1997).

Um defeito fase-terra apenas produz uma corrente de baixa intensidade atravs as

capacidades fase-terra das fases ss [Schneider-2008].

2.2.7 Neutro ligado diretamente terra

Ligao eltrica entre a terra e o ponto neutro com impedncia

nula [Schneider-2008].

Figura 2.5 Defeito terra no regime de neutro ligado diretamente terra

Este regime de neutro pode ser interpretado como sendo um caso especial de

neutro impedante, visto ser ligado terra atravs de condutor de impedncia

praticamente nula. Esta impedncia exclusiva da rede (origem e linhas), o defeito e o

retorno pela terra fixam a intensidade do defeito. Portanto, na generalidade a

REGIMES DE NEUTRO

21

intensidade da corrente da grande maioria dos defeitos pode apresentar variaes

significantes dependendo do local e do tipo de defeito, e como consequncia isso

conduz a uma difcil reconfigurao da rede (Fulchiron, 2001).

Neste caso a tenso simples aplicada ao defeito, o potencial permanece igual

ao potencial da terra. Na ocorrncia de um defeito libertada uma grande quantidade

de energia (Griffel, 1997).

Desde que o regime de neutro no tenha nenhuma impedncia limitadora, a

corrente de defeito fase-terra praticamente um curto-circuito fase-neutro, valor que

demasiado elevado, e o disparo das protees ocorre ao primeiro defeito de

isolamento [Schneider-2008]. Este sistema pode ser implementado de dois modos

diferentes, dependendo se o neutro ou no distribudo (Griffel, 1997).

2.2.7.1 Sem o sistema de limitao do potencial terra (Neutro no

distribudo):

Esta tcnica usada sobretudo no Reino Unido. A ocorrncia de um defeito

apresenta valores elevados de correntes de defeito, o que facilita os dispositivos de

proteo que monitorizam constantemente a corrente nas fases de alimentao. O

nvel de isolamento requerido baixo, no entanto a energia libertada no local de

defeito muito elevada. Isto origina uma rpida atuao dos sistemas de protees o

que deixa de assegurar uma boa continuidade de servio (Griffel, 1997).

Figura 2.6- Esquema do regime de neutro com o neutro no distribudo

2.2.7.2 Com o sistema de limitao do potencial terra (Neutro

distribudo):

Este tipo de configurao usado principalmente nos Estados Unidos e

Canad. O neutro est acessvel e distribudo por vrios pontos. Os defeitos so

detetados atravs da monitorizao das correntes nas diversas fases, geralmente

atravs de dispositivos simples. O nvel de isolamento da rede limitado pela linha de

CAPTULO 2

22

neutro, este regime de neutro permite alimentao de cargas monofsicas (Griffel,

1997).

Quando ocorre um defeito libertada uma grande quantidade de energia, por

isso tem de ser eliminado o mais rpido possvel. Se a corrente de defeito no for

ligeiramente superior corrente das cargas, a deteo do defeito torna-se numa tarefa

mais difcil. Este problema tem dado origem a solues inovadoras, como por exemplo

a deteo de arcos eltricos e a deteo de defeitos muito resistivos.

Nesta soluo preciso ter especial ateno na colocao dos eletrodos de

terra e verificar que todos os eletrodos esto interligados entre si (Griffel, 1997).

Figura 2.7 - Esquema do regime de neutro com o neutro distribudo

As principais vantagens da utilizao deste regime so as sintetizadas de

seguida:

Sistema ideal para a eliminao de sobretenses;

Equipamento com isolamento dimensionado para a tenso entre

fase-neutro (tenses simples) pode ser utilizado;

Unidades de proteo especficas no so necessrias: as protees

comuns de sobreintensidade de uma fase podem ser usadas para

eliminar defeitos [Schneider-2008].

Relativamente s desvantagens podemos enumerar as seguintes:

Este sistema apresenta todos os inconvenientes e riscos de elevadas

correntes de defeitos terra: perturbaes e avarias elevadas do

sistema;

Continuidade de servio no existe em caso de defeito;

O perigo para as pessoas muito elevado durante o defeito, uma vez

que as tenses de contacto originadas so elevadas [Schneider-2008].

REGIMES DE NEUTRO

23

2.2.7.3 Funo de proteo

Os defeitos impedantes so detetados pelo atraso da unidade de proteo de

defeitos terra (ANSI 51N), que calcula ou mede atravs de 3 TI a corrente residual,

definido na gama da corrente nominal (Figura 2.8) [Schneider-2008].

Figura 2.8 - Proteo de defeitos terra 51N

Atravs da adoo de detetores com limites o mais baixo possvel, concebidos

para diagnosticar defeitos terra , tambm, possvel detetar defeitos

resistivos (Fulchiron, 2001). A deteo de defeitos muito simples, muitas vezes a

mesma proteo pode ser usada em defeitos fase-terra. O funcionamento do detetor

de defeitos muito simples, indicando qual a fase em que se encontra o detetor de

sobreintensidade ou possivelmente o detetor de sobreintensidade residual. Neste

regime, quando os defeitos so de elevada intensidade, eles podem traduzir-se num

perigo acrescido. Por fim, desejvel escolher curtos intervalos de tempo na

interveno das protees. Esta situao, associada necessidade sempre

presente para a seletividade de uma rede de distribuio, favorece o uso

de protees IDMT (muitas vezes conhecido como proteo de "tempo

inverso") (Fulchiron, 2001).

Este regime de neutro no usado na Europa em sistemas de distribuio

areos ou subterrneos MT, mas o sistema que predomina no norte da

Amrica. Nos sistemas norte americanos (linhas areas), outras vantagens justificam

estas opes [Schneider-2008]:

Condutor de neutro distribudo

3 fases ou 2 fases + neutro ou 1 fase + neutro.

A utilizao do condutor neutro como um condutor de proteo com

ligao terra em cada extremo da rede de distribuio.

CAPTULO 2

24

Este regime deve ser usado quando a potncia de curto-circuito

baixa [Schneider-2008].

2.2.8 Neutro ligado terra por impedncia

Esta tcnica consiste em colocar uma impedncia, uma resistncia, bobine ou

reatncia entre o neutro e a terra. usado em pases como a Portugal, Espanha e

Frana. Com este regime de neutro consegue-se reduzir a corrente de defeito, estes

so ainda detetados de forma segura, precisa e rpida. A rede tem ser isolada entre

as fases e a terra devido tenso entre as fases (Griffel, 1997).

Para esta rede, inserida uma impedncia, normalmente resistiva, na ligao

de neutro terra. Pode incluir tambm uma parte indutiva, a fim de compensar

parcialmente a contribuio capacitiva da rede.

O valor da impedncia sempre alto comparado com a impedncia das linhas

e, portanto, a corrente de defeito do regime ligado diretamente terra varia de acordo

com o local onde o defeito ocorre, esta corrente aproximadamente na ordem das

centenas de amperes, de 100 A at 2000 A. Este elevado valor da corrente de defeito,

assim como a preponderncia dos componentes que circulam na impedncia de

neutro, tornam mais fcil a deteo de defeitos terra (Fulchiron, 2001):

O dispositivo de proteo, do tipo sobreintensidades residuais, com

valores limites suficientemente elevados, no so afetados por

fenmenos transitrios ou capacitivos, funcionando corretamente

nessas redes;

A seletividade nas fases condutoras fcil devido ao valor significativo

da corrente de defeito e a seletividade entre os dispositivos de proteo

dispostas em cascata obtido com base no tempo de operao,

contudo a existncia de defeitos impedantes terra, que no so

insignificantes quando comparado com o neutro impedante torna

desejvel a procura de outras solues, contra disparos intempestivos.

Para defeitos com elevados valores de impedncia, os dispositivos de

proteo de corrente residual e dispositivos adicionais, tais como

sistemas de deteo automtica com controlo sobre vrias linhas, so

colocados nas subestaes.

Em diversas situaes, quando a carga est a jusante da proteo, a proteo

contra defeitos diretos terra pode ser realizada por dispositivos de sobreintensidade

REGIMES DE NEUTRO

25

em cada fase. Esta a principal razo porque muitos distribuidores no colocam

protees de corrente residual nestes circuitos. Localizar defeitos nestas redes pode

ser fcil pelo simples facto, de poderem ser usados detetores com preos acessveis,

os quais so capazes de detetar defeitos diretos terra. A sua limitada sensibilidade,

significa que certos defeitos com impedncia elevada embora diagnosticados pelos

dispositivos de proteo da subestao de origem, podem no atuar devido a valores

de correntes muito baixos. possvel ento escolher parametrizaes com valores

mais baixos, com o inconveniente de causar sinalizaes desnecessrios, uma vez

que a operao no intencional de um detetor de defeitos geralmente no tem

consequncias significativas (Fulchiron, 2001).

No regime de neutro ligado terra atravs de uma impedncia podemos usar

os seguintes limitadores de corrente:

2.2.8.1 Reatncia de Neutro e sistema de proteo

A reatncia colocada entre o ponto de neutro e a terra. Para sistemas de

energia com tenses superiores a 40 kV, melhor usar a reatncia do que uma

impedncia resistiva devido quantidade de calor que se liberta em caso de defeito

terra (Figura 2.9) [Schneider-2008].

Figura 2.9 - Reatncia de neutro com o neutro acessivel

Uma impedncia indutiva limita a corrente de defeito Ik1 e favorece a

eliminao das sobretenses. Contudo, as protees tm de atuar automaticamente

ao primeiro defeito. Para reduzir as comutaes e permitir uma fcil deteo, a

corrente que circula na reatncia (ILN) tem de ser superior a IC (corrente capacitiva)

CAPTULO 2

26

do sistema. Em sistemas de distribuio so usualmente usados valores entre 300 A3

e 1000 A 4 , isto porque so mais fceis de detetar e permitem a eliminao de

sobretenses.


seguida:

Este sistema limita a amplitude de correntes de defeito;

As protees so fceis de implementar se a limitao da corrente for

superior corrente capacitiva no sistema;

A bobine possui baixa resistncia e no dissipa grande quantidade de

energia trmica, assim sendo o tamanho pode ser reduzido;

Em sistemas de AT, esta soluo mais benfica que a resistncia de

terra [Schneider-2008].


A continuidade de servio degradada, o defeito tem de ser eliminado o

mais rpido possvel assim que ocorre;

Quando os defeitos so eliminados, podem ocorrer sobretenses

elevadas devido ressonncia que pode ocorrer entre as capacidades

e a reatncia da rede de distribuio [Schneider-2008].

Se o ponto de neutro est acessvel, a reatncia colocada entre o neutro e a

terra. Quando o neutro no est acessvel, ou quando o sistema de protees

demostra que apropriado, deve ser criado um neutro artificial atravs da reatncia

ligada ao barramento que consiste numa ligao em ZigZag da reatncia com o neutro

acessvel (Figura 2.10). Em Portugal Continental a rede MT constituda com

reatncias de neutro em ZigZag.

A impedncia entre as duas partes dos enrolamentos essencialmente

indutiva e com baixo valor e limita os valores da corrente de defeito para valores

superiores a 100 A. Nos sistemas AT para reduzir a amplitude da corrente de defeito

pode ser colocada uma resistncia entre a reatncia e a terra [Schneider-2008].

3 Linhas areas ou mistas

4 Linhas subterrneas

REGIMES DE NEUTRO

27

Figura 2.10 - Reatncia de neutro sem o neutro acessvel

As protees podem ser configuradas para 10 a 20 % da corrente mxima de

defeito. A funo de proteo menos restritiva do que no caso de neutro usando uma

resistncia, especialmente considerando o elevado valor de ILN dado que o IC

menor [Schneider-2008].

2.2.8.2 Resistncia de Neutro e sistema de proteo

Neste caso colocada uma resistncia entre o ponto de neutro e a terra. Neste

tipo de sistema de neutro, a impedncia resistiva limita a corrente de defeito terra

IK1 e permite uma situao satisfatria na eliminao de sobretenses. Este regime

de neutro e utilizado em sistemas de distribuio pblicos e industriais em

MT [Schneider-2008].

Figura 2.11 - Defeito terra no regime de neutro ligado terra por uma resistncia

CAPTULO 2

28

Contudo, as protees tm de atuar automaticamente ao primeiro defeito. Em

sistemas de energia que alimentam mquinas rotativas, o valor da resistncia

calculado de modo a que o valor da corrente de defeito IK1 oscile entre os 15 A e os

50 A. Em sistemas de distribuio de energia, so utilizados valores mais

elevados (100 A a 300 A) uma vez que so mais fcil de detetar e permitem a

eliminao sobretenses resultantes de descargas atmosfricas [Schneider-2008].


seguida:

Este sistema apresenta um bom compromisso entre a baixa corrente de

defeito e fcil eliminao de sobretenses;

No exige equipamento com isolamento fase-terra dimensionado para

tenses compostas (fase-fase);

Os sistemas de proteo so simples, seletivos e a corrente

limitada [Schneider-2008].


A continuidade de servio bastante afetada e os defeitos terra tm

de ser eliminados o mais rpido possvel, disparo ao 1 defeito;

Quanto maior a tenso e a corrente a limitar, maior sero os custos da

resistncia de ligao terra [Schneider-2008].

Se o ponto de neutro estiver acessvel (Ligao em estrela), a resistncia de

terra deve ser ligada entre o neutro e a terra (Figura 2.11) ou atravs de

um transformador monofsico com uma carga resistiva equivalente no enrolamento

secundrio (Figura 2.12) [Schneider-2008].

Figura 2.12 - Transformador monofsico com carga resistiva

REGIMES DE NEUTRO

29

Quando neutro no est acessvel (Ligao em triangulo), ou se aps uma

anlise ao sistema de protees se constata que apropriado, criado um neutro

artificial usando o zero sequence generator5 ligado ao barramento que consiste num

transformador especial com um valor de reatncia homopolar muito

reduzido [Schneider-2008].

Para a deteo da corrente de defeito Ik1 que um valor baixo, so

necessrias outras protees, exceto a de mxima intensidade de corrente. As

protees de defeitos terra detetam a corrente de defeito [Schneider-2008]:

Diretamente na ligao do neutro terra (Figura 2.13 1)

Nas 3 fases, individualmente ou em conjunto (Figura 2.13 2, 3).

Figura 2.13 - Proteo de defeitos terra

O intervalo das protees definido de acordo com a corrente Ik1 que

calculada sem ter em ateno o sistema de alimentao e a ligao da impedncia em

conformidade com 2 regras [Schneider-2008]:

1,3 Vezes a corrente capacitiva a jusante do sistema de proteo;

Configurando uma gama entre 10 a 20 % do valor mximo de corrente

de defeito terra.

5 Transformador trifsico usado para criar o ponto de neutro num sistema eltrico para o regime de

neutro

CAPTULO 2

30

2.2.8.3 Bobine de Petersen ou Neutro ressonante

A utilizao deste regime de neutro em redes areas e mistas em MT implica a

instalao da bobine de Petersen nas subestaes AT/MT (Escalier, 2001). A bobine

de Petersen, que recebeu o nome do seu criador, Waldemar Petersen em 1916

tambm conhecida como supressora de arcos, neutralizadora de defeitos ou bobine de

extino. Sistemas com este regime de neutro so tambm conhecidos como neutro

ressonante ou sistema compensado ([Schneider-2008]; (Grid, 2002)).

A bobine Petersen normalmente ligada ao neutro do transformador de

distribuio ou ligada ao transformador em zigzag, de modo a que a corrente de

defeito seja praticamente nula quando ocorre um defeito ((Roberts, 2001);

[Schneider-2008]), a contribuio para a corrente de defeito, da corrente da

capacidade das linhas (onde um defeito terra circula desde um condutor saudvel

para a terra) compensada pela corrente da bobine (Griffel, 1997). O valor da

indutncia na bobine de Petersen tem de ser igual ao valor das capacidades da rede,

a qual pode variar, tal como quando ocorrem comutaes na rede. Quando isso

acontece o sistema est completamente compensado, ou 100 % sintonizado. Os

controladores modernos monitorizam constantemente a tenso homopolar e detetam

qualquer alterao que ocorra nas capacidades da rede. O controlador ajusta-se

automaticamente para o novo nvel, garantindo que a bobine de Petersen est

corretamente sintonizada para neutralizar qualquer defeito terra que possa ocorrer.

Esta rpida limitao da corrente defeito ocorre automaticamente sem qualquer

interveno de outro sistema ((HV Power, 2012) ; (Roberts, 2001)).

Se a frequncia de ressonncia do circuito coincidir com a frequncia do

sistema, o circuito est sintonizado, permanece no defeito um baixo valor de corrente

devido as perdas ativas da bobine (Griffel, 1997). Se a indutncia da bobine no se

igualar capacitncia do sistema, o sistema no est de sintonizado. Assim sendo o

sistema pode estar sobrecompensado ou subcompensado, dependendo da relao

entre a indutncia e a capacitncia. Por outras palavras, um sistema que no est

100% sintonizado tem duas condies possveis de operao (Roberts, 2001):

Indutncia > Capacitncia -> Sistema sobrecompensado

Capacitncia < Indutncia -> Sistema subcompensado

A rede ligada terra atravs de uma bobine, cuja reatncia normalmente

igual capacitncia do sistema. Sob estas condies, um defeito monofsico no

REGIMES DE NEUTRO

31

origina um defeito em condies estacionrias. Este efeito assemelha-se mais a um

sistema isolado (Grid, 2002).

A rede chamada Tuned ou ligada terra atravs de uma bobine de

Petersen, quando o ponto de neutro ligado terra e existe uma bobine de elevada

qualidade cujo valor da indutncia ajustado para manter a sintonizao (condio

de ressonncia) est colocado entre as capacidades da rede e a bobine (Figura

2.14) (Fulchiron, 2001).

Figura 2.14 - Princpio de funcionamento da Bobine de Petersen

Quando ocorre um defeito:

Quando as fases da rede esto ligadas terra, esta sintonizao resulta num

valor muito baixo da corrente de defeito ( ). Esta corrente apenas devido

imperfeio na sintonizao, o desequilbrio capacitivo entre as fases e as perdas

resistivas da bobine (Fulchiron, 2001).

A amplitude normal para este tipo de defeitos de poucos amperes (2 A

at 20 A). A condio de ressonncia expressa da seguinte forma , onde:

L - Indutncia

C - Capacidades (Soma das 3 fases)

- Frequncia Angular ( )

Redes de 50 Hz

CAPTULO 2

32

Quando a reatncia de terra e capacitncia do sistema de eltrico esto

sintonizados ( ) [Schneider-2008]:

A corrente de defeito mnima;

A corrente resistiva;

O defeito autoextingue-se.

Se a condio de ressonncia for mantida, durante as variaes de

configurao da rede ou durante as alteraes climticas, isso implica que a bobine

seja ajustada de forma expedita. A sintonizao feita, geralmente, atravs de um

sistema de controlo automtico (Fulchiron, 2001).

Este regime de neutro utilizado principalmente no norte e leste da europa. A

rede tem de ser isolada entre as fases e a terra devido tenso entre as linhas. A

energia dissipada durante o defeito facilmente controlada e de baixo valor se o

desfasamento for pequeno. A fim de alcanar este objetivo, um sistema automtico

muitas vezes utilizado com o intuito de seguir as variaes das capacidades devido a

alteraes frequentes na tipologia da rede.

A deteo de defeitos torna-se uma tarefa difcil de executar, isto porque no

se pode apoiar na proteo de sobreintensidades. A tecnologia usada nos sistemas de

proteo antigos era bastante complexa e ineficiente em termos de fiabilidade e de

sensibilidade. Muitas vezes, durante defeitos terra, o fornecimento de energia

continuava operacional, o sistema exigia sistemas redundantes o que tornava a

operao do sistema bastante complicada. No entanto a qualidade de servio

mostrava-se excelente (Griffel, 1997).

Este regime permite que os arcos eltricos se autoextingam evitando a

religao das protees (Griffel, 1997). A Bobine de Petersen deve ser empregue com

o objetivo de reduzir ao mnimo a corrente produzida por um defeito fase-terra.

Devido sua resistncia interna, a bobine no consegue anular completamente

a corrente de defeito, circula sempre uma corrente residual impossvel de anular. Essa

corrente residual no preocupante, quando inferior a um certo limite, isto porque,

nestas condies, o arco eltrico extingue-se facilmente. Uma vez que a configurao

da rede varivel, possvel compensar as variaes das capacidades terra das

linhas e, naturalmente, o valor das correntes de defeito atravs da variao da

indutncia da bobine de Petersen (E.D.P, 2012a).

Estudos recentes, revelam que a bobine de Petersen apresenta uma elevada

eficincia quando comparada com sistemas de neutro ligado diretamente terra ou

REGIMES DE NEUTRO

33

neutro isolado (E.D.P, 2012a). Este regime usa-se em sistemas de distribuio

pblicos e industriais em MT com elevada corrente capacitiva [Schneider-2008].

A maior vantagem deste regime de neutro a autoextino da maior parte dos

defeitos. Oferece ainda uma boa continuidade de servio para redes que possuem

muitas linhas areas. natural que as falhas de isolamento dos equipamentos e dos

cabos, especialmente os subterrneos, no beneficiem deste comportamento. Alm

disso, redes com este regime de neutro podem suportar os defeitos, como acontece

com o regime de neutro isolado. O limite desta operao est n

regimes de neutro em média tensão em subestações de...

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