Conceito Obrigatório 2: Proteção Direcional de Falta à Terra

Dando sequência a segunda parte da nossa minissérie sobre Proteção Direcional, a Proteção de Falta à Terra Direcional é, em nossa experiência, a segunda forma mais comum de proteção direcional implantada em redes de distribuição, porém sua utilização aumenta o grau de complexidade para implementação. Enquanto a Falta à Terra Direcional também usa o conceito de um Ângulo Característico do Relé para determinar a direção, ela observa um valor vetorial diferente da sobrecorrente convencional: a Componente de Sequência Zero. Neste artigo, explicamos alguns dos conceitos por trás da Falta À Terra direcional, compartilhando nossa experiência para apoiar a implantação de campo desse valioso elemento de proteção.

Para aqueles que perderam nosso primeiro artigo, a Geração distribuída em todo o mundo é uma tendência tecnológica emergente, que representa um novo conjunto de desafios para o setor de energia. Com a possibilidade real do fluxo de potência bidirecional e a degradação da ideia da sequência convencional de Geração, Transmissão, Distribuição e Varejo, o resultado inevitável é que as redes de distribuição precisam lidar com sua proteção em ambos cenários de fluxo de potência direto e reverso.

“A proteção contra faltas à terra em geral se torna mais complicada em redes com neutro isolado ou compensado”, diz o diretor administrativo do Grupo NOJA Power, Neil O'Sullivan. “A corrente de falta à terra pode ser acoplada capacitivamente à alimentadores adjacentes e fluir para trás em direção a barra da subestação, causando operações de proteção falsas. A proteção direcional de falta à terra pode ser efetivamente usada para detectar a corrente de falta à terra capacitivamente acoplada e bloquear a operação de proteção nessas circunstâncias. É realmente essencial a utilização de proteção direcional de falta à terra nas redes de distribuição atuais, mas particularmente onde são implementados aterramentos de neutro compensado e neutro isolado.”

Falta à Terra Direcional

Assim como a Sobrecorrente Direcional, a Falta à Terra Direcional (DEF) é usada para diferenciar os tipos de faltas para garantir que a coordenação entre os dispositivos de proteção, como os disjuntores de distribuição e os religadores, seja mantida. Este princípio é chamado de "Seletividade" na engenharia de proteção. Faltas à Terra representam um grau de complexidade, já que elas não representam a diretamente os valores de sobrecorrente que passam pelo cabo, mas, em vez disso, levar em conta o caminho e sentido que é percorrido pela corrente de falta. A magnitude da falta à terra e sua complexidade podem ser brevemente resumidas como:

• A corrente resistiva
• O componente Capacitivo ou Reativo

A chave para compreender a Falta à Terra Direcional é visualizar e entender o caminho da corrente de falta, para que a seletividade de proteção possa ser ajustada apropriadamente. Ou seja, nós desarmamos apenas as faltas que queremos e configuramos outros disjuntores para cobrir outros cenários de falta. Queremos evitar "falsos disparos" (disparos que não deveriam acontecer), mas devemos evitar a falha em uma falta genuína.

Faltas à terra ocorrem quando há uma perda indesejada de energia fora do sistema de distribuição. Alguns exemplos incluem árvores encostando nas linhas de distribuição, linhas de distribuição rompidas em contato com o solo, objetos ou pessoas. Essas faltas à terra monofásica ou bifásica podem ser muito sérias, uma vez que causam riscos à vida quando uma pessoa encosta em uma linha de distribuição.

Quando as Faltas à Terra ocorrem, um novo “circuito” é fechado, criando um caminho à terra. Isso resulta em um desequilíbrio nas correntes e tensões, e a corrente flui através do local da falta à terra e retorna em outros pontos da rede. Isto não é o mesmo que uma falta de sobrecorrente de fase, porque na sobrecorrente temos apenas as linhas do circuito existentes (linhas de distribuição) estão envolvidas, sem energia saindo do sistema.

Neste artigo, vamos explorar 3 casos diferentes. As faltas à terra são muito afetadas pelas instalação do aterramento da rede de distribuição e, para explicar esses efeitos, veremos três casos:

• Redes Solidamente Aterrada ou Aterrada por Resistência
• Redes sem Aterramento
• Redes Compensadas

Na figura 1, é mostrada uma rede simples com sistema de aterramento por resistência, onde ocorre uma falta à terra monofásica em um alimentador. Ao desenhar o esquema de falta, a corrente resistiva flui através do local do curto e retorna através do ponto estrela do transformador a montante. Em uma rede aterrada de resistência ou solidamente aterrada, a maior componente da corrente de falta será a componente resistiva.

No entanto, a componente resistiva não é o único caminho disponível para corrente de falta. Podemos imaginar que uma linha de transmissão com um transportador de carga formado por uma substância dielétrica (ar) e um plano aterrado (solo) formam um capacitor gigante. Quanto mais longos forem os cabos, maior será a capacitância. As faltas à terra são únicas, e o caminho da corrente de falta também inclui uma componente capacitiva onde a corrente de falta sai no local da falta e retorna através de todos os outros alimentadores conectados na direção reversa.

Esse é uma razão para utilização da proteção de DEF (Falta à Terra Direcional): Como você distingue entre uma falta à terra genuína e um efeito de corrente capacitiva reversa. Essas correntes capacitivas reversas às vezes são chamadas de correntes “simpáticas”, pois são causadas por falhas em outros alimentadores, mas ainda aparecem como uma falta à terra nas linhas sem falhas. O caminho de corrente para isso pode ser visto na figura 1, onde todos os outros alimentadores retornam corrente capacitiva na direção reversa.

Isso traz a primeira observação da DEF - dependendo da relação entre a corrente capacitiva e a resistiva, determinamos qual deve ser o nosso ângulo de característica de relé (RCA) ou ângulo de torque.

Como a sobrecorrente, a proteção de falta à terra usa um vetor de tensão como referência para o cálculo do ângulo, porém a DEF, utiliza como referência a tensão e ângulo de sequência zero em vez da sequência positiva. A Figura 2 mostra um cálculo simples para sistemas de aterramento por resistência.

É interessante notar que o ângulo de tensão de Sequência Zero está 180 graus defasado (é um valor negativo) com a sequência positiva de condição normal. É importante entender que na configuração do relé requer um tombo de 180º.

Com este vetor de tensão de sequência zero calculado, tudo o que resta é calcular a corrente de falta Resistiva e Reativa (geralmente capacitiva). Portanto, o RCA (Ângulo de Característico do Relé) e a zona de disparo são provavelmente similares à Figura 3, com uma variação mínima de uma corrente de falta à terra resistiva sendo determinada como “Direta”.

Na Figura 4, vemos uma rede desaterrada. Como não existe um caminho à terra resistivo aparente, isso implica que faltas à terra de linha única tendem a ter baixa magnitude, mas certamente não significa que as linhas sejam seguras para se tocar. Em uma rede não aterrada, a corrente de falta é apenas capacitiva, o que significa que a proteção direcional de falta à terra deve distinguir entre o sinal do componente reativo, ou seja, a corrente capacitiva está fluindo para frente ou para trás?

Para este cenário, usamos o mesmo princípio para calcular a tensão de referência. No entanto, para a corrente, não há componente resistiva, portanto, o alimentador com falha verá a soma de todas as correntes capacitivas, e os alimentadores sem falha só verão uma corrente capacitiva reversa, proporcional à capacitância dos alimentadores.

O último caso é o conceito de redes de neutro compensado. Quase 100 anos atrás, foi identificado que os engenheiros poderiam compensar os efeitos capacitivos colocando um indutor no caminho à terra do transformador a montante. Se a indutância na terra do transformador correspondesse à capacitância da rede, e não houvesse um caminho de falta resistivo, então as correntes faltas à terra seriam reduzidas a quase zero. Na prática, todos os indutores do mundo real têm alguma resistência e é impossível combinar perfeitamente com a capacitância, no entanto, esses dispositivos foram bastante eficazes na redução da magnitude da corrente de falta à terra, e muitos estão em serviço hoje. Estes são chamados “bobinas Petersen”.

As técnicas modernas hoje incluem compensação ativa, dispositivos que deliberadamente medem e injetam compensação de energia para equilibrar a falha e trazer a corrente para níveis muito baixos. Embora sejam eficazes, também reduzem a capacidade de medição delas em dispositivos convencionais e tornam a proteção mais desafiadora. Estes normalmente exigem cálculos especializados e estão além do escopo deste artigo1.

Não obstante, a figura 5 mostra um exemplo com uma bobina Petersen e uma resistência paralela no caminho à terra do transformador. O Resistor de Aterramento de Neutro permite uma corrente de falta à terra resistiva, que fornece aos dispositivos de proteção um valor sobre o qual atuar. O princípio de falta à terra é o mesmo, já que somaremos os efeitos resistivos e capacitivos no local da falta, e todos os alimentadores sem falha só verão os efeitos capacitivos proporcionais ao seu valor "X".

Em resumo:

• A proteção direcional de Falta à Terra pode ser usada para classificação de alimentadores não radiais, mas é mais utilizada em redes radiais para diferenciar entre faltas reais a jusante e correntes capacitivas simpáticas.
• Correntes simpáticas são quase completamente capacitivas e viajam na direção reversa, portanto, se um engenheiro de proteção desejar evitar o disparo de correntes simpáticas, pode ser utilizada proteção direcional de falta à terra para atuar apenas em faltas a jusante.
• Dependendo do esquema de aterramento, as falhas genuínas variam em sua quantidade de corrente resistiva, mas são a soma de todas as correntes capacitivas e da componente resistiva.
• O ajuste do ângulo de torque de falta à terra direcional / RCA é baseado na captura de todas as faltas à terra a jusante, ignorando os efeitos capacitivos.

A partir disso, também podemos ver que a RCA de sobrecorrente de fase não corresponde necessariamente à RCA de falta à Terra. Finalmente, quando se trata de testar a Falta à Terra Direcional, é necessário levar em conta o desequilíbrio de tensões, pois isso fornece o ângulo de tensão de sequência zero necessário para calcular a direção da falta.

Referências

• Bender, D., Marx, S., ©2013 An Introduction to Symmetrical Components, System Modelling and Fault Calculation, Presented at 30th Annual Hands on Relay School, March 11- 15 2013. Washington State University, Pullman Washington.
• Prévé, C., ©2006 ISTE, “Protection of Electrical Networks”, ISBN-13: 978-1-905209-06-4

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