Desmistificando a Proteção de Corrente de Sequência de Fase Negativa

Para proteções de distribuição modernas, a Proteção de Sequência de Fase Negativa (NPS) é frequentemente desconsiderada em favor de elementos comuns como Sobrecorrente (OC) ou Falta à Terra (EF), mas a NPS é, por si só, uma função incrivelmente poderosa que agrega seletividade e especificidade a esquemas de proteção com a capacidade de detecção de falhas completamente ignoradas por elementos comuns.

Embora seja mais difícil compreender quando comparada a seus semelhantes em OC e EF, a NPS é baseada essencialmente nos mesmos sinais da sobrecorrente convencional. Para desmistificar sua funcionalidade, devemos observar a Teoria de Componentes Simétricos, que explica como as leituras de fase física para corrente, tensão e ângulo de fase são transformadas no domínio de Sequência, fornecendo métricas dos componentes de Sequência Positiva, Negativa e Zero.

Para uma maior compreensão dos Componentes Simétricos, podemos considerar que as leituras obtidas a partir dos valores da Fase não possuem relação mútua garantida. Ou seja, se a corrente na Fase A é conhecida, isso não significa que seja possível inferir qual corrente está presente na Fase B ou C.

Convertendo para componentes simétricos, podemos obter as leituras de todas as três fases e transformá-las em um conjunto de três elementos (sequência positiva, negativa e zero) que, por definição, explicam cada um dos valores em todas as fases. Por exemplo, se a corrente de sequência positiva é conhecida, será possível saber qual é o elemento de sequência positiva total para todas as três fases.

Ao fazer essa conversão, independentemente do desequilíbrio nas leituras das Fases A, B e C, haverá uma combinação específica de componentes simétricos para descrever esse cenário, preservando a relação entre as leituras de fase no dispositivo principal. Na notação matricial:

Os três elementos simétricos são Sequência Positiva (referenciada com 1 subscrito), Sequência Negativa (com 2 subscrito) e Sequência Zero (com 0 subscrito). Estas são grandezas vetoriais, nas quais a Sequência Positiva assume um sistema perfeitamente equilibrado, com rotação de fase de 120 graus na direção convencional. O mesmo se aplica à sequência Negativa, com a exceção da rotação na direção inversa e, finalmente, a sequência zero, que não possui separação de fases entre seus três componentes.

Uma vez que conhecemos, fundamentalmente, a relação entre os subelementos em um componente de sequência (ou seja, Vb,0 é sempre = Va,0, ou Vb,1 está sempre 120o atrás de Va,1)), precisamos apenas dos valores de Va,0, Va,1 e Va,2 para representar qualquer estado possível de tensão para Va,b,c. O mesmo pode ser dito para as correntes medidas.

Ao fazermos essa conversão, criamos uma relação entre as três fases, o que nos permite inferir diferentes tipos de falhas com base apenas nesses 3 vetores.

O Que Cada Elemento Representa

Com a conversão para domínio de sequência, cada elemento implica um cenário de falha específico.

A sequência positiva trata exclusivamente da corrente de carga equilibrada. O excesso de sequência positiva implica condições de sobrecarga, razão pela qual é comumente usada na proteção contra sobrecorrente ou sobretensão. Uma rede saudável e equilibrada deve possuir apenas tensão e corrente de sequência positiva presentes, sem qualquer um dos outros elementos. Uma comparação do ângulo entre a corrente e a tensão de sequência positiva é frequentemente usada para determinar a direção do fluxo de corrente para proteção de sobrecorrente.

O elemento de sequência zero aparece quando há uma conexão de uma das fases à terra. Esta fuga a terra, ou perda de energia para fora do sistema, denota um desequilíbrio nas correntes trifásicas. A corrente de sequência zero e a corrente residual/neutra estão intimamente relacionadas pela seguinte equação:

Essa relação com a corrente de fuga explica a razão pela qual os elementos de sequência zero são usados para falta à terra. Sistemas mais antigos de detecção de falta à terra simplesmente conectavam 3 transformadores de corrente em série em todas as fases. Sob condições de equilíbrio, Irsd (e, portanto, I0) seria zero. Sob condições de falta à terra, o equilíbrio seria perdido com a fuga de energia à terra, resultando em um Irsd diferente de zero, acionando o relé.

Os componentes de sequência zero são frequentemente usados para detectar a direção das Faltas à terra, permitindo que os engenheiros de proteção possam distinguir entre faltas à terra a jusantes genuínas e correntes capacitivas simpáticas.

O que nos deixa com o último elemento, a Sequência Negativa.

Para compreender esse elemento, podemos imaginar um cenário de falta que seria ignorado pelas condições de sequência positiva e zero. E se houvesse uma descontinuidade de fase, como uma quebra na fase A?

A corrente continuaria a fluir nas fases B e C, que estariam funcionando adequadamente, mas a corrente na Fase A seria zero. O aumento no fluxo de energia pelas fases B e C pode não ser alto o suficiente para acionar uma operação de sobrecorrente e, portanto, uma sequência positiva pode não detectar esta falta. Supondo que o cabo danificado não está tocando a terra e não há corrente de fuga, a corrente baseada na sequência zero/residual não ativaria uma atuação protetiva. Como podemos detectar esse cenário?

A Sequência de Fase Negativa detecta desequilíbrios na rede que não causam perda de energia para fora do sistema. Para danos em condutores ou falhas linha a linha, a NPS é sensível a cenários de falta que seriam ignorados por sobrecorrente e falta à terra. O desequilíbrio entre as fases faz com que a NPS seja diferente de zero e, ao definir uma proteção com base no nível de NPS, podemos ativá-la mesmo se uma das fases estiver em subcorrente, não apenas sobrecorrente.

“A NPS pode ser usada para melhorar a sensibilidade da proteção, detectando cenários que muitas vezes passariam despercebidos pelos métodos convencionais de relés de sobrecorrente e falta à terra”, relata o diretor do Grupo NOJA Power, Neil O’Sullivan. Uma extensão desta função é a proteção para danos nos condutores ANSI 46 BC, disponível em nossos disjuntores religadores, que combina nossa detecção NPS com A Corrente de Sequência Positiva para determinar a relação I2/I1. Essa simplificação permite a configuração simples do relé, uma vez que a quantidade de operação é definida em porcentagem ao invés de amperes, tornando a função viável quando os parâmetros de impedância da NPS não estão disponíveis para os engenheiros.”

A proteção de sequência negativa preenche a lacuna de proteção deixada pela proteção de sobrecorrente e de falta à terra, detectando as possibilidades de danos nos condutores ou falhas de aterramento, como falhas linha a linha. Um benefício adicional é a insensibilidade à carga - a NPS não considera a corrente de carga, atuando somente no desequilíbrio entre as fases, fornecendo maior especificidade de proteção, independentemente da corrente ser 10 A ou 10.000 A.

O sistema de disjuntores religadores OSM da NOJA Power oferece proteção de sequência de fase negativa como padrão, juntamente com a proteção contra sobrecorrente e falta à terra, mais comumente usadas. Ao incorporar a NPS na proteção padrão da rede, os engenheiros podem garantir maior segurança e confiabilidade da rede, melhorando a seletividade e a precisão na detecção de falhas. Com 56.000 instalações em 90 países em todo o mundo, a NOJA Power pode ajudar-lhe a implantar a proteção de sequência de fase negativa em sua rede, garantindo maior segurança e confiabilidade.