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Avaliação do dimensionamento e da instalação de resistor de aterramento no neutro (lado de MT) dos transformadores industriais

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Edição 50, Março de 2010

Por Marcos Telló e Guilherme Alfredo Dentzien Dias*

É importante saber os requisitos para o dimensionamento de resistores de aterramento de neutro de transformadores em subestações (SEs) de sistemas industriais para limitar as correntes de curto-circuito fase-terra, com o objetivo de preservar os equipamentos e os componentes existentes na indústria. Este dimensionamento tem implicações na especificação dos para-raios, que ficarão sujeitos a sobretensões temporárias.

Os níveis de corrente de curto circuito fase-terra, no setor 15 kV de uma SE industrial, para a configuração dos três transformadores da subestação operando em paralelo são da ordem de 32,3 kA. O valor de corrente de curto circuito indicado supera a capacidade de interrupção nominal em curto circuito dos disjuntores de 15 kV existentes, que, entretanto, é de 31,5 kA (corrente simétrica).

 

Para isso ser possível, uma técnica muito utilizada na indústria é a colocação de resistor para o aterramento do neutro dos transformadores, com o objetivo de reduzir os valores de corrente de defeito à terra. Este artigo pretende avaliar o desempenho do sistema elétrico industrial, considerando o aterramento do neutro do transformador por meio do resistor.

 

Aterramento do neutro por resistor

Em sistemas aterrados por resistor, exceto em casos excepcionais, a corrente de falta da terra é, basicamente, limitada pelo resistor, devido ao fato de que a resistência do resistor ser mais elevada do que a reatância equivalente do sistema no local do defeito. Genericamente, a corrente de falta é dada por (valores expressos em pu):

 

Ifalta = 3/[3R + j(Xo + 2X1)] (1)

 

Em que:

Xo e X1 são as reatâncias de sequência zero e positiva, respectivamente.

A potência desenvolvida no resistor, durante o defeito, é:

 

P = R (Ifalta)2 (2)

Adicionalmente, a colocação de resistor no neutro de um transformador pode produzir sobretensões nas fases que não têm problemas. Assim, considerando que ocorreu um defeito da terra na fase A, as tensões nas fases B e C podem ser determinadas por meio de:

Vb = Vo + a2V1 + aV2 (3a)

Vc = Vo + aV1 + a2V2 (3b)

Em que:

Vo , V1 e V2 são as tensões de sequência zero, positiva e negativa, respectivamente

a é igual a (1 < 1200 ), um operador matemático

 

Um aspecto importante a ressaltar é o fato de que valores elevados de resistência do resistor de neutro podem produzir sobretensões elevadas e, portanto, perigosas. Além disso, pode reduzir as correntes de defeito à terra a ponto de poder prejudicar o funcionamento das proteções de neutro. Ainda, dependendo dos valores de resistência do resistor de neutro, pode-se deixar de ter um aterramento efetivo (Xo/X1 < 3 e Ro/X1 < 1) em determinado ponto do sistema elétrico industrial, com as decorrentes consequências (principalmente sobretensões excessivas).

 

Casos analisados

Com relação ao tema abordado, foram analisados dois casos. O primeiro diz respeito sobre a colocação de um único resistor aterrando os neutros dos três transformadores (lado de 15 kV). Já o segundo é com a colocação de resistor individual no neutro, lado de 15 kV, de cada transformador. Para cada situação, foi considerado um defeito à terra na fase A no barramento de 15 kV.

 

Caso 1: um único resistor de aterramento conectado ao neutro dos três transformadores

 

A Tabela 1 indica, para cada valor de resistência do resistor de aterramento, representada por R(?), a corrente de defeito (Icc ø t), a potência dissipada no resistor (P) e as tensões, em pu, nas fases sãs (Vb e Vc).

 

 

Figura 1 – Sobretensões nas fases sãs do caso 1

 

Para melhor visualização, apresenta-se, na Figura 2, o gráfico com a potência dissipada no resistor de neutro, no caso de um defeito à terra no barramento de
15 kV.

 

 

 

 

Figura 2 – Gráfico com o resultado do caso 1

 

Caso 2: resistor de aterramento individual conectado ao neutro de cada transformador

A Figura 3 indica, para cada valor de resistência do resistor de aterramento, representada por R(?), a corrente de defeito (Icc ø t), a potência dissipada no resistor (P) e as tensões, em pu, nas fases sãs (Vb e Vc).

 

 

 

Figura 3 – Sobretensões nas fases sãs do caso 2

 

A Figura 4 apresenta o gráfico com a potência dissipada no resistor de neutro no caso de um defeito à terra no barramento de 15 kV.

 

 

Figura 4 – Gráfico com o resultado do caso 2

 

Conclusões

 

Dos dois casos exemplificados, pode-se concluir que baixos valores da resistência de aterramento produzem elevados valores de potência dissipada no resistor. Ou seja, para dissipar a quantidade de calor produzida durante um defeito à terra sobre o resistor, o custo seria elevado. É comum que sejam definidos valores de corrente na faixa de 400 A – 10s para transformadores com capacidades nominais da ordem de
10 MVA a 20 MVA.

 

Para capacidades maiores de transformadores, é usual que a corrente nominal do resistor de aterramento seja da ordem da corrente nominal do transformador, valor que garante a segurança dos equipamentos e componentes industriais.

 

Além disso, pode-se demonstrar que a potência dissipada no resistor será máxima, quando a resistência do resistor de neutro for igual a (Xo + 2X1)/3 (teorema da máxima transferência de potência].

 

É preciso levar em consideração também que, dependendo do valor da resistência de aterramento a ser adotada, poderão surgir sobretensões elevadas nas fases sãs, quando de defeitos à terra. Este fato exigirá a especificação de supressores de surto (para-raios) para neutro “isolado”, especificamente no que se refere à tensão máxima continua de operação, o MCOV (do inglês Maximum Continuous Over Voltage).

 

A Figura 3 apresenta as consequências da aplicação incorreta de um resistor de neutro em uma indústria, verificando-se que o para-raios da fase central explodiu e causou o incêndio dos cubículos de distribuição de energia, com perdas econômicas significativas.

 

 

Figura 5 – Danos em cubículos de distribuição industrial.

 

Tem que ser considerado ainda o fato de, quando ocorrer um defeito à terra, a resistência de arco pode apresentar valor elevado. É usual, em nível de distribuição (níveis de tensão de 15 kV até 34,5 kV), ter uma resistência de arco (ou de contato) na faixa de 40 a 100 ?.

 

Assim, ao valor da resistência de contato, deve ser adicionada a resistência do resistor de aterramento. A soma destas duas resistências poderá causar dificuldade de sensibilidade dos relés de detecção de falha à terra na subestação, bem como ao longo dos alimentadores. Ainda, dependendo dos valores das resistências envolvidas (arco mais resistor de neutro), podem ser registradas sobretensão nas fases sãs de valor significativo.

 

É importante ressaltar que o resistor de aterramento será item adicional para manutenção na subestação industrial.

 

Para o caso de utilizar um resistor de neutro em cada transformador da SE com valor de resistência de 0,75 ?, deve ser registrado, para um curto circuito à terra, uma corrente total (soma da contribuição por cada transformador) de aproximadamente
25 kA. Nessa situação, cada resistor dissipará uma potência de 52 MW.

 

Ainda, os fabricantes aconselham dimensionar o resistor de neutro para a corrente de defeito circulando por um período de tempo não superior a 10 segundos.

 

Referências

Industrial Power System Handbook, Donald E. Beeman.

Electrical Transmission and Distribution Reference Book, Westinghouse Electric Corporation, East Pittsburgh, 1950.

Apostila “Sistemas de Aterramento em Linhas de Transmissão”, Fritz Adolf Stemmer.

Aterramento Elétrico Impulsivo, em Alta e Baixas Freqüências. Com Apresentação de Casos. Telló, M. et ali. Edição 1, EDIPUCRS, 2007.

Expediente Interno CEEE-D EI 6648-174002/2006 – Nova SE PAL 7.

*Marcos Telló é doutor em engenharia e, atualmente, é professor de engenharia elétrica, engenheiro da Companhia Estadual de Energia Elétrica (CEEE), do Rio Grande do Sul, e membro do Grupo de Compatibilidade Eletromagnética (GCEM), da Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul.

 

Guilherme Alfredo Dentzien Dias é doutor em engenharia, foi professor de engenharia, além de ter trabalhado por mais de 22 anos como engenheiro na Companhia Estadual de Energia Elétrica (CEEE). Atualmente, é diretor da empresa DDias Assessoria Empresarial, atuando na área de compatibilidade eletromagnética.

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