A revisão da NBR 5410 e a proteção adicional do neutro

dez, 2018

A edição da NBR 5410/2004 (atualmente aplicável) considera algumas condições a serem aplicadas no dimensionamento do condutor neutro objetivando a preservação da integridade do mesmo, evitando possíveis sobrecargas devido à circulação eventual de correntes não previstas. O dimensionamento do neutro dependerá, naturalmente, da corrente prevista que circulará no condutor e esta corrente no neutro deverá levar em conta algumas situações de topologia da instalação dependendo, principalmente, se o circuito é trifásico ou monofásico e também os aspectos operacionais da carga. Neste caso se a carga é balanceada ou desbalanceada em circuitos trifásicos (naturalmente estrela a quatro fios) e o aspecto da linearidade da mesma e presença de componentes harmônicas ou correntes harmônicas.  z Hz e  hZ  Outra consideração importante é relacionada ao princípio da sobreposição dos efeitos que se encarregará de incorporar as correntes de todas as frequências nos condutores e no neutro em particular. Há de se considerar ainda que as cargas possuem perfis variáveis  e com elas as correntes fundamentais e harmônicas que circularão pelos circuitos, razão pela qual uma medição instantânea, conforme ilustrado na figura 1, poderá não ser suficiente para a análise necessária, sendo importante uma análise do comportamento das correntes fundamentais e harmônicas ao longo do tempo, conforme a figura 2.

Figura 1 – Espectro de correntes harmônicas – medição instantânea ou média

Figura 2 – Espectro de correntes harmônicas – medição temporal

Se o circuito for trifásico, a corrente do neutro será composta pela soma vetorial das correntes das fases em cada frequência (fundamental e harmônicas). A corrente fundamental em particular está relacionada ao desequilibrio das cargas monofásicas ligadas entre fases e neutro; quanto melhor for o equilíbrio de cargas, menor será a corrente fundamental que circulará pelo neutro. A corrente de 3ª harmônica (e múltiplas) oriundas de cargas monofásicas não lineares ligadas entre as fases e o neutro deste circuito serão somadas no neutro escalarmente devido ao sincronismo das formas de onda nas três fases nestas frequências. As outras harmônicas tambem serão somadas vetorialmente e circularão pelas fases junto com a corrente fundamental e múltiplas. A figura 3 ilustra sequencialmente o comportamento das correntes fundamentais e de terceira harmônica. Nota-se que a soma das correntes fundamentais será zero, se as cargas forem equilibradas, ao contrário das correntes de terceira harmônica.

Figura 3 – Representação das correntes fundamentais e de terceira harmônica
Aplicativo do Prof. Alex Mc Eachern

A corrente de terceira harmônica e múltiplas são normalmente originadas por cargas não lineares monofásicas, alimentadas neste caso entre fases e neutro. Em circuitos monofásicos, a corrente do neutro será igual à corrente da fase pelas próprias razões construtivas e também será composta pela corrente fundamental e harmônicas da carga. Para se ilustrar o que está se tratando vamos assumir uma instalação com um transformador trifásico 300 kVA com secundário em sistema estrela a 4 fios, (220/380V)  associado a um QGBT que alimenta três quadros terminais com circuitos monofásicos (fase/neutro, 220V), conforme representado na figura 4.

Figura 4 – Secundário de transformador, QGBT, QL´s e circuitos

Assumindo a seguinte situação de carga:

QL1: 50 kVA/FP:0,9; I3= 70%.I1

QL2: 60 kVA/FP:0,9; I3= 50%.I1

QL3: 80 kVA/FP:0,9; I3= 60%. I1

Sendo FP o fator de potência, I1 e I3 as correntes fundamentais e de terceira harmônica das cargas, pode-se prever de forma simplificada as correntes nos circuitos de alimentação dos QL´s, representadas na tabela I:

Tabela I: Correntes previstas nos circuitos de alimentaçao dos QL´s da figura 2

As correntes nas fases e neutro de alimentaçao de cada um dos QLs é a mesma, pois a alimentação é monofásica (F+N) e a corrente eficaz (rms) é composta pelas correntes fundamentais e terceiras harmônicas obtidas pela expressão clássica (raiz da soma dos quadrados das correntes).

A situação merece atenção quando se avalia o comportamento do circuito de alimentação do QGBT desde o transformador, uma vez que as correntes são somadas no neutro de alimentação deste QGBT. O comportamento da corrente do neutro considerará então as premissas:

  • a corrente fundamental do neutro (I1n) será a soma fasorial das correntes dos circuitos de alimentação dos QL´s, conforme figura 5;

  • a corrente de terceira harmônica (I3n) será a soma escalar das terceiras harmônicas das fases, pelas razões acima expostas de sincronismo destas correntes.

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p style=”text-align: center;”>Figura 5: Soma vetorial das correntes fundamentais

A tabela II apresenta os valores das correntes do circuito de alimentação do QGBT.

Tabela II: Composição da corrente de alimentação do QGBT

O que se pode observar é que a corrente do neutro supera em valores da ordem de 25% a maior corrente de fase, fato que merece cuidado adicional.

Além dos cuidados presentes nas outras edições da Norma (a primeira edição da NB3-5410 de 1980, já apresentava preocupações com o tema), o atual comitê de revisão da NBR 5410 adotou o texto abaixo que fará parte do projeto em elaboraçao a ser submetido para aprovação:

Texto proposto:

5.3.2.2.3 Correntes harmônicas

Nos casos em que o conteúdo harmônico das correntes de fase de circuitos polifásicos possam causar valores de corrente de neutro superiores à capacidade de condução de corrente deste condutor, deve ser prevista detecção de sobrecarga no condutor neutro. A detecção de sobrecarga deve ser compatível com a natureza da corrente do condutor neutro e deve seccionar os condutores de fase, mas não necessariamente o condutor neutro. Para o seccionamento do neutro ver 5.3.2.3”.

Nota: para requisitos adicionais relativos à proteção do condutor neutro ver 6.2.

Ainda:

“5.3.2.3 Seccionamento e fechamento do condutor neutro

Quando exigido o seccionamento do condutor neutro, as operações de abertura e fechamento dos circuitos correspondentes devem ser de modo a garantir que o condutor neutro não seja seccionado antes nem restabelecido após os condutores de fase”.

 Fica claro que a contribuição da revisão da Norma apresenta a preocupação com a necessidade de se prever um sistema de proteção adicional a possíveis sobrecorrentes no neutro que considere a detecção do comportamento das correntes nas fases com proteção diferencial residual ou mesmo de medição de corrente no neutro e todos os cuidados para atuação desta proteção sem o desligamento do neutro propriamente dito, mas das fases de forma indireta. Caso seja desejável a abertura do neutro, deve-se atentar para que as fases sejam antes desligadas e inversamente ligadas anteriormente durante o processo de religamento do neutro, lembrando que a operação da instalação sem neutro causará má operação, queima de equipamentos e sobretensões, não se recomendando efetuar tal manobra intempestivamente.

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