Falhas e Tratamento de Aterramento Monofásico em Linhas de Distribuição de 10kV

Rockwill

Campo: Manufatura

China

Características e Dispositivos de Detecção de Faltas à Terra Monofásicas

1. Características das Faltas à Terra Monofásicas

Sinais de Alarme Central:
A campainha de advertência soa e a lâmpada indicadora rotulada como “Falta à Terra na Seção de Barramento [X] kV [Y]” acende. Em sistemas com ponto neutro aterrado por bobina de Petersen (bobina de supressão de arco), o indicador “Bobina de Petersen em Operação” também acende.
Indicações do Voltímetro de Monitoramento de Isolação:
- A tensão da fase defeituosa diminui (no caso de aterramento imperfeito) ou cai a zero (no caso de aterramento sólido).
- As tensões das outras duas fases aumentam — acima da tensão de fase normal no caso de aterramento imperfeito, ou atingindo a tensão de linha no caso de aterramento sólido.
- No aterramento estável, a agulha do voltímetro permanece imóvel; se oscilar continuamente, a falha é intermitente (arco de aterramento).
Em Sistemas com Aterramento por Bobina de Petersen:
Se um voltímetro de deslocamento de neutro estiver instalado, ele apresentará uma leitura determinada durante o aterramento imperfeito ou atingirá a tensão de fase durante o aterramento sólido. A luz de alarme de aterramento da bobina de Petersen também acende.
Fenômenos de Arco de Aterramento:
O arco de aterramento gera sobretensões, fazendo com que as tensões das fases não defeituosas aumentem significativamente. Isso pode fundir os fusíveis de alta tensão dos transformadores de potencial (TPs) ou até mesmo danificar os próprios TPs.

2. Diferenciação entre Faltas Reais à Terra e Alarmes Falsos

Fusível de Alta Tensão Fundido no TP:
Um fusível fundido em uma fase do TP pode acionar um sinal de falta à terra. Contudo:
- Em uma falta real à terra: a tensão da fase defeituosa diminui, as outras duas fases aumentam, mas a tensão de linha permanece inalterada.
- Com um fusível fundido: a tensão de uma fase diminui, as outras duas não aumentam, e a tensão de linha diminui.
Transformador Alimentando um Barramento Descarregado:
Durante a energização, se o disjuntor fechar de forma assíncrona, o acoplamento capacitivo desequilibrado à terra causa deslocamento do neutro e tensões trifásicas assimétricas, acionando um sinal falso de falta à terra.
→ Isso ocorre apenas durante operações de manobra. Se o barramento e os equipamentos conectados não apresentarem anormalidades, o sinal é falso. A energização de uma linha de alimentação ou de um transformador de serviço da subestação geralmente elimina essa indicação.
Assimetria do Sistema ou Ajuste Incorreto da Bobina de Petersen:
Durante mudanças de modo operacional (por exemplo, alterações de configuração), a assimetria ou a compensação incorreta da bobina de Petersen podem causar sinais falsos de falta à terra.
→ É necessário coordenar com o centro de despacho: retornar à configuração original, desenergizar a bobina de Petersen, ajustar seu comutador de derivação e, em seguida, reenergizá-la e alternar os modos novamente.
→ A ferroressonância durante a energização de um barramento sem carga também pode produzir sinais falsos. A energização imediata de uma linha de alimentação interrompe as condições de ressonância e elimina o alarme.

3. Dispositivos de Detecção

O sistema de monitoramento de isolação tipicamente consiste em um transformador de potencial trifásico de cinco colunas magnéticas, relés de tensão, relés de sinalização e instrumentos de monitoramento.

Estrutura: Cinco colunas magnéticas; um enrolamento primário e dois enrolamentos secundários, todos enrolados nas três colunas centrais.
Configuração de Ligação: Ynynd (primário em estrela, secundário em estrela com neutro e terciário em delta aberto).

Vantagens dessa configuração de ligação:

O primeiro enrolamento secundário mede tanto as tensões de linha quanto as de fase.
O segundo enrolamento secundário é ligado em delta aberto para detectar a tensão de sequência zero.

Princípio de Funcionamento:

Em condições normais, as tensões trifásicas são equilibradas; teoricamente, uma tensão nula aparece nos terminais do delta aberto.
Durante uma falta à terra monofásica sólida (por exemplo, fase A), surge uma tensão de sequência zero no sistema, induzindo uma tensão nos terminais do delta aberto.
Mesmo durante um aterramento não sólido (de alta impedância), uma tensão é induzida nas extremidades abertas.
Quando essa tensão atinge o limiar de acionamento do relé de tensão, tanto o relé de tensão quanto o relé de sinalização são acionados, disparando alarmes sonoros e visuais.

Os operadores utilizam esses sinais e as leituras do voltímetro para identificar a ocorrência e a fase da falta à terra, reportando em seguida ao despachante.
⚠️ Observação: O dispositivo de monitoramento de isolação é compartilhado por toda a seção do barramento.

Causas das Faltas à Terra Monofásicas

Condutor partido caindo no solo ou pousando sobre um braço transversal;
Fixação ou amarração frouxa dos condutores nos isoladores, fazendo com que eles caiam sobre braços transversais ou no solo;
Ventos excessivos fazendo com que os condutores se aproximem demais de edificações;
Fio de alta tensão partido proveniente do transformador de distribuição;
Falha de isolamento em para-raios ou fusíveis de 10 kV instalados nas plataformas de transformadores;
Rompiemento de isolamento ou aterramento em uma fase do enrolamento de alta tensão do transformador;
Flashover ou perfuração do isolador;
Falha de isolamento em fusíveis de ramais;
Cabo de sustentação solto do braço transversal superior em postes de múltiplos circuitos entrando em contato com condutores inferiores;
Descargas atmosféricas;
Contato com árvores;
Falhas causadas por aves;
Objetos estranhos (por exemplo, folhas plásticas, galhos);
Outras causas acidentais ou desconhecidas.

Riscos das Faltas à Terra Monofásicas

Danos aos Equipamentos da Subestação:
Após uma falta à terra de 10 kV, o TP do barramento não detecta corrente, mas desenvolve tensão de sequência zero e corrente aumentada no delta aberto. A operação prolongada pode danificar o TP.
Além disso, sobretensões ferroressonantes (várias vezes a tensão normal) podem ocorrer, rompendo a isolação e causando falhas graves nos equipamentos.
Danos aos Equipamentos de Distribuição:
O arco intermitente de aterramento e as sobretensões podem perfurar a isolação, levando a curtos-circuitos, transformadores queimados, e para-raios/fusíveis defeituosos, podendo causar incêndios elétricos.
Ameaça à Estabilidade da Rede Elétrica Regional:
Faltas à terra severas podem desestabilizar a rede elétrica local, desencadeando falhas em cascata.
Risco para Humanos e Animais:
Condutores caídos energizam o solo, criando perigos de tensão de passo. Pedestres, linheiros (especialmente durante patrulhamentos noturnos) e animais domésticos próximos ao local da falha correm risco de choque elétrico ou eletrocussão.
Impacto na Confiabilidade do Suprimento de Energia:
- Exige seleção manual da linha defeituosa.
- Linhas não defeituosas podem ser desnecessariamente desenergizadas durante a investigação, interrompendo o fornecimento a clientes não afetados.
- A localização e reparo da falha exigem a interrupção da linha, especialmente desafiadores durante as estações de cultivo, condições climáticas adversas (vento, chuva, neve), ou em áreas montanhosas/florestais e à noite, resultando em interrupções prolongadas, abrangentes.
Perdas de Energia nas Linhas:
As faltas à terra causam consideráveis correntes de fuga para a terra, representando perda direta de energia. Os regulamentos normalmente limitam a operação com falta à terra a não mais de 2 horas para evitar desperdício excessivo.
Quantificação da Perda de Energia Elétrica:
A corrente média de falta à terra varia entre 6 e 10 A. Em níveis típicos de 10 kV, isso resulta em aproximadamente 34.560 kWh de energia desperdiçada por período de 24 horas.

Métodos e Procedimentos para Tratamento de Faltas à Terra Monofásicas

Dispositivos Automáticos de Seleção de Falta à Terra em Sistemas de Corrente Reduzida:
Instalar dispositivos automáticos de seleção de linha com falta à terra nas subestações. Esses dispositivos operam em conjunto com transformadores de corrente de sequência zero (TCZs) em cada saída de linha de alimentação para identificar com precisão a linha defeituosa antes de sua isolamento.
Sistemas de Detecção de Falta à Terra Monofásica:
Sistemas modernos de distribuição empregam injetores de sinal no início, meio e fim das linhas de alimentação. Indicadores de falha localizam com exatidão o local exato da falha, permitindo resposta rápida.
Medidas Preventivas:
- Realizar inspeções regulares nas linhas: verificar distâncias de segurança dos condutores em relação a árvores/edificações, ninhos de aves em postes, fixação adequada dos condutores nos isoladores, parafusos soltos em isoladores/braços transversais/cabos de sustentação, cabos de sustentação rompidos ou desfiados, e flecha anormal dos condutores.
- Testar periodicamente a isolação de isoladores, fusíveis de ramais e para-raios; substituir unidades defeituosas imediatamente.
- Realizar ensaios periódicos em transformadores de distribuição; reparar ou substituir unidades defeituosas.
- Instalar fusíveis de ramal em linhas de alimentação rurais para limitar o escopo da falha, reduzir a área/duração das interrupções e acelerar a localização da falha.
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