Riscos Inerentes ao Chaveamento Monopolar em Redes Trifásicas

Nas redes de distribuição de energia, os dispositivos de chaveamento desempenham um papel vital para:

• Controlar o fluxo de energia
• Isolar seções de falta
• Manter a estabilidade do sistema
• Permitir a manutenção dos equipamentos de rede

Embora um dispositivo de chaveamento não mecanicamente agrupado possa parecer econômico em termos de fabricação, transporte e instalação, sua discrepância inerente entre polos elétricos atribui diversos riscos técnicos à aplicação.

Apresentamos, abaixo, um breve resumo dos desafios técnicos introduzidos pelo chaveamento não agrupado em redes trifásicas.

Monofasismo

O “monofasismo” ocorre quando uma fase de um sistema trifásico (estilo europeu) é perdida. Neste caso, temos uma operação não agrupada de um polo em um arranjo de chaveamento trifásico, deixando as demais fases ativas.

O monofasismo não detectado pode resultar rapidamente em condições perigosas, falhas de equipamentos e inatividade.

Sob condições de perda de fase, motores, bombas, ventiladores e outros equipamentos consomem corrente excessiva nas duas fases restantes, superaquecendo rapidamente os enrolamentos do motor. Nessa condição, a potência é drasticamente reduzida e o arranque é impossibilitado. Isso pode deixar o equipamento em um estado de “travamento do rotor”, com rápido superaquecimento e, consequentemente, danos ao equipamento.

Cargas monofásicas conectadas podem sofrer condições de queda de energia, em que há fornecimento de tensão abaixo da nominal.

O monofasismo causado por dispositivos de chaveamento não agrupados é frequentemente comparado com uma operação de fusível trifásico. No entanto, a principal diferença é que os fusíveis falham ao abrir, enquanto nem todos os dispositivos de chaveamento falham. Se um único fusível queimar, causando um consumo excessivo de corrente nas outras fases, os outros fusíveis também interromperão a corrente.

O chaveamento não agrupado pode falhar na posição fechada, contando com a proteção a montante para detectar e interromper a falta. Essa situação apresenta seus próprios desafios.

As tensões e correntes de um sistema trifásico, normalmente, não caem para zero quando uma fase é perdida. A alimentação de retorno através de transformadores trifásicos e acoplamento capacitivo das linhas de energia à terra garantem a permanência de uma certa quantidade de tensão.

Com esses efeitos práticos, as medições geram valores confusos, que exigem grande quantidade de análises complexas para serem interpretados corretamente. Este problema é resolvido com o uso de dispositivos de chaveamento trifásicos agrupados para proteger redes trifásicas.

Ferrorressonância

A ferrorressonância é um fenômeno elétrico associado ao chaveamento monopolar de certos circuitos de alta tensão, em que a reatância da rede causa grandes sobretensões quando uma única fase é desconectada.

Ocorre comumente durante o chaveamento monofásico, em que transformadores levemente carregados são conectados por meio de longas linhas ou cabos subterrâneos.

Sob carga zero, ou condições de cargas muito leves, a capacitância do alimentador é suficiente para precipitar o comportamento ferrorressonante quando o chaveamento monofásico é realizado.

Se as fases restantes não forem rapidamente interrompidas e o fenômeno continuar, a sobretensão pode levar à ruptura do isolamento dos componentes conectados, resultando em falha.

É possível evitar a ferrorressonância na fase de design, garantindo a implantação de dispositivos de chaveamento trifásicos agrupados mecanicamente na rede.

Requisitos para simultaneidade de polos durante as operações de fechamento e abertura

De acordo com a norma IEC 62271-100 para disjuntores, quando não houver exigências especiais para a operação simultânea de polos, como em casos de chaveamento de ponto em onda (POW), a diferença máxima permitida de separação de contato entre todas as fases durante a abertura não deve exceder 1/6 de um ciclo da frequência nominal.

Além disso, durante o fechamento, a diferença máxima permitida entre contatos em todas as fases não deve exceder ¼ do ciclo da frequência nominal.

Isso significa que, durante a abertura, a diferença máxima não deve exceder 3,33 ms a 50 Hz e 2,78 ms a 60 Hz, e, durante o fechamento, a diferença máxima não deve exceder 5 ms a 50 Hz e 4,17 ms a 60 Hz.

Esses limites de tempo restritos não são viáveis ao longo da vida útil do equipamento sem o agrupamento mecânico entre os três polos.

As razões técnicas pelas quais esses requisitos estão incluídos na norma são:

• Em sistemas com neutro não efetivamente aterrado, caso a diferença máxima permitida entre contatos não seja mantida, então, no caso de fechamento em uma falta trifásica, condições de geração de pico mais altas podem ocorrer, em comparação com o caso de fechamento simultâneo.
  Os equipamentos conectados em série com os dispositivos de chaveamento também serão expostos a correntes de pico aumentadas.
  Por exemplo, para redes com constante de tempo de 45 ms, o fator de geração de pico é 3,0 em vez de 2,5 na frequência nominal de 50 Hz.
• Quando uma linha aérea é ligada a uma rede energizada, uma onda de tensão é imposta à linha.
  Essa onda imposta é refletida na extremidade da linha e, quando a linha é aberta na extremidade (ou terminada por uma carga de alta impedância para altas frequências), a onda refletida resulta na duplicação da amplitude.
  Uma tensão ainda maior é obtida quando a linha tem sua carga retida antes de ser energizada e o dispositivo de chaveamento fecha em um instante em que a polaridade da tensão da rede é oposta à da tensão anteriormente presente na linha.
  A tensão na linha pode, teoricamente, ser de até três vezes a tensão da rede após a reflexão da onda. Esta situação pode ocorrer simultaneamente ao religamento automático de uma linha. Tensões ainda mais altas podem se desenvolver em uma linha trifásica, quando os três polos não estão fechando simultaneamente.
  A onda de uma fase gerará, então, ondas induzidas nas outras fases e, em circunstâncias desfavoráveis, isso pode levar a um aumento adicional da tensão em outra fase.
  A operação trifásica agrupada reduz o risco de sobretensão nas outras fases.
• A magnitude da tensão de recuperação transitória, após a interrupção da corrente, depende de múltiplos parâmetros, incluindo a simultaneidade dos polos.
  Dispositivos de chaveamento projetados para abrir simultaneamente estarão sujeitos a tensões transitórias de recuperação maiores se os contatos perderem sua sincronicidade em serviço.
  Por exemplo, se um religador operar para eliminar uma falta não aterrada trifásica, a segunda fase a ser eliminada pode ter que ser eliminada contra a tensão fase-fase total caso os contatos da terceira fase não tenham se separado antes da corrente zero.
  Este aumento de tensão transitória pode chegar a 16% em relação ao seu valor de projeto, podendo impor uma preocupação sobre o desempenho, a confiabilidade e a vida útil do religador.

Conclusão

O chaveamento monofásico é projetado para redes monofásicas. A aplicação de equipamentos monofásicos não agrupados em redes de distribuição trifásicas representa riscos à segurança e operação da rede.

Embora os dispositivos de chaveamento não agrupados encontrem aplicações em redes de quatro fios, a aplicação em redes trifásicas europeias pode resultar em problemas de segurança.

“Dispositivos mecanicamente agrupados em redes trifásicas continuarão sendo fundamentais para segurança e confiabilidade à medida que a rede se desenvolve“, comenta o Diretor Geral do Grupo NOJA Power, Neil O’Sullivan.