I. O que é um Ponto Neutro?
Em transformadores e geradores, o ponto neutro é um ponto específico no enrolamento onde a tensão absoluta entre esse ponto e cada terminal externo é igual. No diagrama abaixo, o ponto O representa o ponto neutro.
II. Por que o Ponto Neutro Precisa de Aterramento?
O método de conexão elétrica entre o ponto neutro e a terra em um sistema de energia trifásico de corrente alternada é chamado de método de aterramento do neutro. Este método de aterramento afeta diretamente:
- A segurança, confiabilidade e economia da rede elétrica;
- A seleção dos níveis de isolamento para os equipamentos do sistema;
- Os níveis de sobretensão;
- Os esquemas de proteção por relé;
- A interferência eletromagnética com linhas de comunicação.
Geralmente, o método de aterramento do neutro de uma rede elétrica refere-se à configuração de aterramento dos pontos neutros dos transformadores em várias tensões nas subestações.
III. Classificação dos Métodos de Aterramento do Neutro
Antes de introduzir métodos específicos de aterramento, dois conceitos-chave devem ser esclarecidos: sistemas de alta corrente de falha ao solo e sistemas de baixa corrente de falha ao solo.
- Sistema de Alta Corrente de Falha ao Solo: Quando ocorre uma falha de fase única ao solo, a corrente de falha resultante é muito grande. Exemplos incluem sistemas classificados como 110 kV e acima, bem como sistemas trifásicos de quatro fios 380/220 V. Também conhecidos como sistemas efetivamente aterrados.
- Sistema de Baixa Corrente de Falha ao Solo: Durante uma falha de fase única ao solo, não se forma um curto-circuito completo, portanto, a corrente de falha é muito menor do que a corrente de carga normal. Também conhecidos como sistemas não efetivamente aterrados.
Sistemas efetivamente aterrados incluem:
- Neutro aterrado solidamente
- Neutro aterrado através de um resistor
Sistemas não efetivamente aterrados incluem:
- Neutro não aterrado
- Neutro aterrado através de um bobinador de extinção de arco (bobinador Petersen)
1. Neutro Aterrado Solidamente
Características:
- Uma falha de fase única requer o desligamento imediato do equipamento defeituoso, interrompendo o fornecimento de energia e reduzindo a confiabilidade.
- A corrente de curto-circuito elevada gera estresse eletrodinâmico e térmico significativo, potencialmente expandindo o dano.
- Campos magnéticos fortes de correntes de falha elevadas causam interferência eletromagnética em circuitos de comunicação e sinalização próximos.
- Durante uma falha de fase única, a tensão da fase com falha cai para zero, enquanto as tensões das fases sem falha permanecem próximas à tensão de fase normal. Assim, o isolamento do equipamento pode ser projetado apenas para a tensão de fase, reduzindo o custo, especialmente benéfico em níveis de tensão mais altos.
Aplicação:
Usado em sistemas de 110 kV e tensões superiores.
2. Neutro Aterrado Através de um Resistor
Este método é subdividido em:
- Aterramento de alta resistência
- Aterramento de resistência média
- Aterramento de baixa resistência
Vantagens:
- Permite a limpeza automática de falhas e simplifica a operação/manutenção.
- Isola rapidamente as falhas ao solo, resultando em sobretensões baixas, eliminação de sobretensões ressonantes e permitindo o uso de cabos e equipamentos de isolamento inferior.
- Reduz o envelhecimento do isolamento, prolonga a vida útil do equipamento e melhora a confiabilidade.
- Correntes de falha ao solo (centenas de amperes ou mais) garantem alta sensibilidade e seletividade da proteção por relé, sem necessidade de seleção complexa de linha de falha.
- Reduz o risco de incêndio.
- Permite o uso de descarregadores de surtos de ZnO sem lacuna com alta absorção de energia e baixa tensão residual para proteção contra sobretensões.
- Suprime componentes de 5ª harmônica em sobretensões de aterramento por arco, prevenindo a escalada para falhas entre fases.
Escopo de Aplicação:
- Aterramento de alta resistência: Adequado para redes de distribuição com corrente de terra capacitiva <10 A, grandes geradores onde a corrente de terra de fase única excede os limites permitidos, mas permanece <10 A. Os valores de resistência geralmente variam de centenas a milhares de ohms.
- Aterramento de resistência média e baixa: Sem fronteira estrita, mas geralmente:
- Resistência média: Corrente de falha do neutro entre 10 A e 100 A
- Resistência baixa: Corrente de falha do neutro >100 A
Estes são utilizados em redes de distribuição urbana dominadas por cabos, sistemas auxiliares de usinas de energia, e grandes plantas industriais—onde as correntes capacitivas são altas e falhas de terra transitórias são raras.
3. Neutro Não Aterrado
Características:
- Corrente de falta de fase única <10 A; o arco se extingue automaticamente e a isolação pode se recuperar automaticamente.
- A simetria do sistema é mantida; o sistema pode operar temporariamente com uma falta para permitir tempo para localização da falha.
- Interferência mínima de comunicação.
- Simples e econômico.
- No entanto, se a corrente capacitiva >10 A, sobretensões intermitentes de arco de alta magnitude podem ocorrer. Essas sobretensões são de longa duração, afetam toda a rede e representam ameaças sérias para equipamentos com isolamento fraco, especialmente máquinas rotativas. Tais sobretensões já causaram repetidamente falhas de terra em múltiplos pontos, queima de equipamentos e grandes interrupções de energia.
Sobretensões ressonantes frequentemente levam à queima de fusíveis em transformadores de tensão (VTs), queima de VTs ou até danos ao equipamento principal.
Aplicação:
Apropriado para redes de distribuição dominadas por linhas aéreas com corrente de terra capacitiva <10 A, onde 60-70% das faltas de fase única são transitórias e a desenergização imediata não é desejável.
4. Neutro Aterrado Através de um Bobinado de Supressão de Arco (Bobinado Petersen)
Características:
- A corrente indutiva do bobinado de supressão de arco compensa a corrente de terra capacitiva do sistema, reduzindo a corrente de falha para <10 A—permitindo a extinção automática do arco.
- A isolação no ponto de falha pode se recuperar automaticamente.
- Reduz a probabilidade de sobretensões intermitentes de arco de terra.
- Mantém a simetria do sistema durante faltas de fase única, permitindo a operação temporária para localização da falha.
- No entanto, ele apenas reduz a probabilidade—não elimina—a sobretensão de arco de terra, e não reduz sua magnitude. O multiplicador de sobretensão permanece alto, causando estresse significativo na isolação—especialmente perigoso para quadros de baixa tensão compactos e sistemas de cabos, que podem sofrer ruptura de isolamento ou curto-circuito entre fases, levando a falhas catastróficas de equipamentos.
Aplicação:
Usado em redes dominadas por linhas aéreas onde a corrente de terra capacitiva >10 A e faltas de fase única transitórias são frequentes.
IV. Aplicação em Parques Eólicos
- O lado de alta tensão de 110 kV ou 220 kV dos parques eólicos geralmente usa aterramento neutro através de um disjuntor (isolador).
- O lado do sistema coletor de 35 kV geralmente emprega aterramento por bobinado de supressão de arco ou resistência.
- Se o sistema coletor usar linhas totalmente em cabo, a corrente capacitiva é relativamente grande; portanto, recomenda-se o aterramento por resistência.
