Tipos de Falhas no Sistema Elétrico

Falhas no Sistema de Energia: Definição e Classificação

Uma falha em um sistema de energia é definida como uma anomalia ou defeito que faz com que a corrente elétrica se desvie do seu caminho de fluxo pretendido. Quando ocorre uma falha, cria-se condições operacionais anormais, principalmente reduzindo a resistência à insulação entre condutores. Esta degradação da insulação pode levar a danos graves aos componentes do sistema de energia, interromper o fornecimento normal de energia e representar riscos de segurança.

As falhas no sistema de energia são primariamente classificadas em dois tipos principais:

• Falha de Circuito Aberto: Este tipo de falha ocorre quando há uma ruptura ou descontinuidade no circuito elétrico, impedindo o fluxo normal de corrente. Pode resultar de condutores danificados, conexões soltas ou falha de componentes elétricos.

• Falha de Curto-Circuito: Em uma falha de curto-circuito, há um caminho de baixa resistência não intencional entre dois ou mais condutores, causando o fluxo de uma grande quantidade de corrente. Isso pode ser devido ao rompimento da insulação, contato físico entre condutores ou malfuncionamento de equipamentos.

As várias subtipos e manifestações dessas falhas no sistema de energia são ilustradas na imagem fornecida abaixo.

Causas e Classificação das Falhas no Sistema de Energia

As falhas no sistema de energia podem surgir devido a uma variedade de perturbações naturais. Eventos como descargas elétricas, ventos de alta velocidade e terremotos podem todos desencadear falhas. A descarga elétrica, com suas descargas elétricas intensas, pode danificar a insulação e interromper o fluxo normal de corrente. Ventos de alta velocidade podem derrubar linhas de energia ou fazer com que os condutores balancem e entrem em contato com outros objetos, enquanto terremotos podem deslocar infraestruturas, levando a condutores quebrados e componentes elétricos danificados.

As falhas também podem ser resultado de diversos acidentes. Por exemplo, uma árvore caindo sobre linhas de energia, um veículo colidindo com uma estrutura de suporte ou um avião se chocando contra a infraestrutura elétrica podem todos levar a interrupções no sistema de energia. Esses eventos acidentais podem danificar diretamente condutores, isoladores ou outras partes vitais da rede elétrica, causando falhas.

1. Falha de Circuito Aberto

Uma falha de circuito aberto ocorre predominantemente quando um ou dois condutores falham. Como este tipo de falha ocorre em série com a linha elétrica, também é conhecido como falha em série. As falhas de circuito aberto têm um impacto significativo na confiabilidade do sistema de energia, frequentemente levando a interrupções no fornecimento de energia e potencialmente danificando equipamentos conectados.

As falhas de circuito aberto podem ser categorizadas ainda mais nos seguintes tipos:

• Falha de Condutor Aberto: Isso ocorre quando um único condutor no circuito elétrico quebra ou fica desconectado, interrompendo o fluxo de corrente por esse caminho específico.

• Dois Condutores Abertos: Neste cenário, dois dos condutores no sistema falham, criando uma interrupção mais severa no fluxo elétrico. Este tipo de falha pode levar a condições desequilibradas e pode causar estresse adicional nos componentes restantes do sistema.

• Três Condutores Abertos: A forma mais rara e severa de falha de circuito aberto, envolve a falha de todos os três condutores em um sistema trifásico. Isso resulta em uma perda completa de transmissão de energia e pode ter consequências amplas para a rede elétrica e as cargas conectadas.

As diferentes configurações de falhas de circuito aberto são ilustradas na figura abaixo, fornecendo uma representação visual de como essas falhas se manifestam dentro do sistema de energia.

2. Falha de Curto-Circuito

Uma falha de curto-circuito ocorre quando condutores de fases diferentes entram em contato uns com os outros dentro de uma linha de energia, transformador de potência ou outros elementos do circuito. Esta conexão não intencional causa o fluxo de uma grande quantidade de corrente através de uma ou duas fases do sistema elétrico. As falhas de curto-circuito podem ser classificadas ainda mais em duas categorias principais: simétricas e assimétricas.

Falha Simétrica

Falhas simétricas são aquelas que envolvem as três fases de um sistema elétrico. Notavelmente, essas falhas mantêm um estado de equilíbrio mesmo após o evento de falha. As falhas simétricas ocorrem predominantemente nos terminais dos geradores. A ocorrência dessas falhas pode ser atribuída a vários fatores, como a resistência do arco elétrico formado entre condutores durante a falha ou a presença de baixa resistência de aterramento no sistema de aterramento.

As falhas simétricas são subcategorizadas em dois tipos distintos: falha fases-fase-fase e falha trifásica fase-terra.

a. Falha Fase-Fase-Fase

As falhas fases-fase-fase (F-F-F) são caracterizadas por sua natureza equilibrada. Mesmo após a ocorrência da falha, o sistema elétrico mantém sua simetria. Embora relativamente raras, as falhas F-F-F são entre os tipos mais severos de falhas de curto-circuito. Elas geram as maiores correntes de falha no sistema, que desempenham um papel crucial na determinação dos requisitos de classificação dos disjuntores. A capacidade dos disjuntores de interromper essas correntes de magnitude extremamente alta de forma segura e eficaz é informada diretamente pelas características das falhas F-F-F, tornando-as uma consideração-chave no design e proteção do sistema de energia.

b. F–F–F–T (Falha Trifásica Fase-Terra)

Uma falha trifásica fase-terra (F–F–F–T) abrange todas as três fases do sistema elétrico. Neste cenário de falha, é estabelecida uma conexão entre as três fases e o terra do sistema. Embora menos comum em comparação com alguns outros tipos de falhas, a falha F–F–F–T tem uma importância significativa na análise do sistema de energia. Estatisticamente, a probabilidade de tal falha ocorrer é de aproximadamente 2 a 3 por cento. Apesar dessa probabilidade relativamente baixa, quando uma falha F–F–F–T ocorre, ela pode gerar correntes de falha substanciais e causar interrupções generalizadas no sistema de energia, necessitando medidas protetoras robustas e cuidadosa consideração no design e operação do sistema.

Falha Assimétrica

Uma falha assimétrica é definida como uma condição no sistema de energia que gera correntes assimétricas, onde as magnitudes e fases das correntes nas três fases diferem significativamente umas das outras. Este tipo de falha geralmente envolve uma ou duas fases, como fase-terra (F-T), fase-fase (F-F) ou dupla fase-terra (F-F-T). Como resultado dessas falhas, o sistema elétrico se torna desequilibrado, o que pode levar a uma variedade de problemas operacionais e potencial dano a equipamentos.

As falhas assimétricas podem ser principalmente classificadas em três tipos distintos:

• Fase Única-para-Terra (F–T) Falha

• Fase-para-Fase (F–F) Falha

• Dupla Fase-para-Terra (F–F–T) Falha

Entre todos os tipos de falhas no sistema de energia, as falhas assimétricas são as mais comumente ocorrentes.

1. Fase Única-para-Terra (F–T) Falha

Uma falha de fase única-para-terra ocorre quando um dos condutores entra em contato com o solo ou toca o condutor neutro. Este tipo de falha é extremamente prevalente, representando 70-80 por cento de todas as falhas que ocorrem dentro dos sistemas de energia. Sua alta frequência de ocorrência a torna uma preocupação crítica para operadores e engenheiros de sistemas de energia, que devem implementar medidas protetoras eficazes para mitigar seus potenciais impactos na estabilidade e confiabilidade do sistema.

3. Dupla Fase-para-Terra (F–F–T) Falha

Em uma falha de dupla fase-para-terra, dois condutores simultaneamente entram em contato um com o outro e com o solo. Este cenário de falha cria um caminho elétrico complexo que perturba a operação normal do sistema de energia. Embora menos comum do que as falhas de fase única-para-terra, as falhas de dupla fase-para-terra ainda representam riscos significativos para a estabilidade do sistema e a integridade do equipamento. Estatisticamente, a probabilidade de uma falha de dupla fase-para-terra ocorrer é de aproximadamente 10% de todas as falhas no sistema de energia. Esta probabilidade relativamente baixa, mas não negligenciável, destaca a importância de incorporar estratégias de proteção e mitigação abrangentes nos sistemas de energia para proteger contra o dano potencial e as interrupções operacionais causadas por tais falhas.