Tratamento de Falha de Fase Única ao Terra em Linha de Distribuição de 35kV

Linhas de Distribuição: Um Componente Chave dos Sistemas de Energia

As linhas de distribuição são um componente importante dos sistemas de energia. Na mesma barra de tensão, múltiplas linhas de distribuição (para entrada ou saída) estão conectadas, cada uma com numerosos ramos organizados radialmente e ligados a transformadores de distribuição. Após serem reduzidas para baixa tensão por esses transformadores, a eletricidade é fornecida a uma ampla gama de usuários finais. Nesse tipo de rede de distribuição, falhas como curtos-circuitos entre fases, sobrecorrente (sobrecarga) e falhas de fase única para terra ocorrem frequentemente. Entre elas, as falhas de fase única para terra são as mais comuns, representando mais de 70% das falhas totais do sistema. Além disso, muitas falhas de curto-circuito evoluem a partir de falhas de fase única para terra que se transformam em falhas multiphasicas para terra.

Falhas de fase única para terra referem-se a situações em que qualquer uma das três fases (A, B ou C) de uma linha de distribuição se rompe e cai no chão, entra em contato com árvores, edifícios, postes ou torres, formando um caminho condutor com o solo. Elas também podem resultar de sobretensões causadas por raios ou outras condições atmosféricas, que danificam a isolamento do equipamento de distribuição, causando uma queda significativa na resistência de isolamento para terra.

Quando uma falha de fase única para terra ocorre em um sistema de aterramento de corrente baixa, não se forma imediatamente um loop de falha completo. A corrente de aterramento capacitiva é muito menor que a corrente de carga, e as tensões de linha do sistema permanecem simétricas, portanto, o fornecimento de energia aos usuários não é interrompido imediatamente. Portanto, os regulamentos permitem a operação contínua com uma falha de aterramento por até 2 horas. No entanto, a tensão nas fases não afetadas aumenta em relação ao solo, representando uma ameaça à isolamento. Assim, as linhas com falha de aterramento existente devem ser identificadas e resolvidas rapidamente.

I. Identificação de Falhas de Fase Única para Terra em Barras Auxiliares de 35kV

Quando ocorrem falhas de fase única para terra, ferroressonância, perda de fase ou disparo de fusíveis de alta tensão em transformadores de tensão (VTs), os fenômenos observados podem ser semelhantes, mas uma análise cuidadosa revela diferenças distintas.

• Falha de Fase Única para Terra:
  A subestação e o sistema SCADA emitirão sinais como "aterramento da barra de 35kV" ou "Coil de Supressão de Arco N° X ativado." A proteção por relé não dispara, mas gera sinais de alarme. A tensão da fase com falha diminui, enquanto as tensões das outras duas fases aumentam. A luz indicadora do VT da fase com falha fica fraca, enquanto as outras duas ficam mais brilhantes. Em uma falha de aterramento sólida (metálica), a tensão da fase com falha cai para zero, e as tensões das outras duas fases em relação ao solo aumentam por √3 vezes, enquanto as tensões de linha permanecem inalteradas. A saída 3V₀ do VT lê cerca de 100V, e a luz de supressão de harmônicos acende. O coil de supressão de arco carrega corrente, igual à corrente de compensação correspondente à sua configuração. Se um seletor de linha de falha de corrente baixa estiver instalado, ele será ativado e identificará a linha com falha. Se a falha estiver dentro da subestação, sinais físicos como arco visível, fumaça e ruídos elétricos altos tornam o ponto de falha mais fácil de identificar.

• Ferroressonância:
  É gerada uma tensão de deslocamento do ponto neutro, alterando as tensões de fase trifásicas. Geralmente, a tensão de uma fase aumenta, enquanto as outras duas diminuem, ou vice-versa, e as tensões de linha também mudam de acordo. Como a tensão neutra não é zero, a corrente flui pelo coil de supressão de arco, e sinais de "aterramento da barra" podem aparecer dependendo da magnitude da tensão de deslocamento.

• Perda de Fase:
  A tensão do lado a montante da fase perdida aumenta para 1,5 vezes a tensão normal, enquanto a tensão a jusante cai para zero. A corrente na fase com falha se torna zero, e as tensões das outras duas fases diminuem ligeiramente. As tensões de linha permanecem inalteradas. 3V₀ lê cerca de 50V, o coil de supressão de arco carrega corrente, e um sinal de aterramento é emitido. Os usuários provavelmente relatarão falta de energia.

• Disparo de Fusível de Alta Tensão do VT:
  A tensão da fase com fusível disparado diminui significativamente (geralmente abaixo da metade da tensão de fase normal), enquanto as tensões das outras fases não aumentam. As tensões de linha tornam-se desequilibradas. Todos os circuitos de saída na barra acionam um alarme de "circuito de tensão aberto". 3V₀ lê aproximadamente 33V, e um sinal de aterramento é emitido.

Embora essas quatro condições—falha de fase única para terra, ferroressonância, perda de fase e disparo de fusível do VT—exibam sintomas semelhantes, uma análise minuciosa da tensão de fase, tensão de linha, 3V₀, corrente do coil de supressão de arco, sinais de automação SCADA e relatórios dos operadores da sala de controle pode distinguir precisamente uma falha de fase única para terra.

II. Processo de Tratamento de Falhas de Fase Única para Terra em Barras Auxiliares de 35kV

Quando ocorre uma falha de aterramento em uma linha de 35kV, a barra de 35kV da subestação Wan’an emite um alarme de aterramento. O pessoal da estação central de controle deve ser notificado imediatamente para inspecionar o equipamento e o status de proteção na estação (incluindo tensão 3V₀, status do seletor de linha de falha de corrente baixa, temperatura/corrente do coil de supressão de arco, etc.), e a equipe de operação de linha deve ser despachada para patrulhar a linha. Após receber feedback da estação central confirmando a falha de aterramento, deve-se realizar a comutação experimental (tentativa de desligamento) das linhas. Antes da comutação experimental, os usuários críticos devem ser notificados. 

Para sistemas sem dispositivos de comutação experimental, o desligamento remoto via SCADA é possível, mas as cargas nas subestações a jusante devem ser transferidas primeiro. Em sistemas com conexões internas de ponte, os interruptores automáticos de transferência (ATS) devem ser desabilitados para evitar que transfiram a falha para seções saudáveis.Uma vez identificada uma linha específica como falha, a prioridade deve ser dada à transferência de sua carga antes de tirar a linha com falha de serviço. A equipe de operação de linha e o pessoal da estação central devem ser notificados para patrulhar a linha de 35kV e inspecionar o equipamento de 35kV na subestação associada de 35kV. 

Para prevenir que a falha se transforme em um curto-circuito entre fases, que poderia causar interrupções repentinas, o equipamento com falha deve ser localizado e isolado rapidamente. Além disso, para prevenir o superaquecimento e danos ao coil de supressão de arco, o equipamento com falha geralmente deve ser isolado dentro de 2 horas. A elevação de temperatura do coil deve ser monitorada e mantida abaixo de 55°C. Se for excedida, a operação de fase única para terra deve ser interrompida imediatamente, e o equipamento com falha desconectado. Se a condição de aterramento persistir além de 2 horas, a situação deve ser reportada à gerência sênior.

III. Conclusão

Quando ocorre uma falha de fase única para terra em uma linha de distribuição, a magnitude e a fase da tensão da linha permanecem inalteradas, permitindo a operação contínua de curto prazo sem desconectar o equipamento com falha. Embora isso melhore a confiabilidade do fornecimento, a tensão nas duas fases saudáveis aumenta para níveis de linha para linha, aumentando o risco de ruptura da isolamento e subsequente curto-circuito de duas fases para terra. Isso representa riscos significativos para a operação segura e econômica do equipamento da subestação e da rede de distribuição. Portanto, tais falhas devem ser prevenidas sempre que possível, e, quando ocorrerem, o ponto de falha deve ser localizado e eliminado rapidamente para melhorar a confiabilidade geral do fornecimento de energia.