DISPONIBILIDADE E SEGURANÇA NAS REDES DE DISTRIBUIÇÃO POR MEIO DO NEUTRALIZADOR DE FALTAS À TERRA, Teses (TCC) de Distribuição e Utilização de Energia

Baixe DISPONIBILIDADE E SEGURANÇA NAS REDES DE DISTRIBUIÇÃO POR MEIO DO NEUTRALIZADOR DE FALTAS À TERRA e outras Teses (TCC) em PDF para Distribuição e Utilização de Energia, somente na Docsity!

1 FACULDADE DOCTUM LUCAS CAETANO DE SOUZA DISPONIBILIDADE E SEGURANÇA NAS REDES DE DISTRIBUIÇÃO POR MEIO DO NEUTRALIZADOR DE FALTAS À TERRA Juiz de Fora 2018

LUCAS CAETANO DE SOUZA

DISPONIBILIDADE E SEGURANÇA NAS REDES DE DISTRIBUIÇÃO POR MEIO

DO NEUTRALIZADOR DE FALTAS À TERRA

Monografia de Conclusão de Curso, apresentado à Faculdade Doctum de Juiz de Fora, como requisito parcial para conclusão do curso de Engenharia Elétrica Orientação: MSc. Pedro Laguardia Tavares Projeto: Lucas Caetano de Souza Juiz de Fora 2018

LUCAS CAETANO DE SOUZA

DISPONIBILIDADE E SEGURANÇA NAS REDES DE DISTRIBUIÇÃO POR MEIO

DO NEUTRALIZADOR DE FALTAS À TERRA

Monografia de Conclusão de Curso, apresentado à Faculdade Doctum de Juiz de Fora, como requisito parcial para conclusão do curso de Engenharia Elétrica e aprovada pela seguinte banca examinadora: Prof. MSc. Pedro Laguardia Tavares Orientador e Docente da Faculdade Doctum - Unidade Juiz de Fora Guilherme Henrique Gonçalves Sócio Diretor da Sonnenwind Energie Prof. MSc. Mozart Ferreira Braga Júnior Docente da Faculdade Doctum - Unidade Juiz de Fora Examinada em: //____.

AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente a Deus por ter me dado saúde e força para superar as dificuldades. Agradeço aos meus pais e à minha esposa, pelo amor, incentivo e apoio incondicional. Agradeço ao meu professor orientador pelo auxílio na preparação desse trabalho.

ABSTRACT

The search for better indexes of availability and security in the electricity distribution networks encourage concessionaires, large industries and scientists to investigate new ways to improve these facilities. The researches point out the transient monophasic faults as of higher recurrence in electric power system contributing to the high rates of disconnections and accidents these days. A feature that unites the Petersen coil to a residual current compensator, called the Ground Fault Neutralizer, can reduce single-phase fault currents to extremely low values that not requiring power shutdown to preserving network equipment and human life. The main advantages of this technique in relation to conventional neutral grounding methods, are presented in the paper as an alternative to obtain better levels of availability and security in the networks. A resonant grounding model with faults neutralizer installed in Brazil is cited in the paper to expose its results achieved comparing with the statistical events, as well as the main difficulties for application of this technology. Through computational simulations, the paper shows the different levels of short-circuits monophasic for each network topology cited. KEYWORDS: Ground Fault Neutralizer. Petersen Coil. Eletrical distribution. Electrical protection. Resonant ground.

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

Abracopel AES Sul ANEEL CNI CPFL FEC GFN IEEE RGE Sul SEP Associação Brasileira de Conscientização para os Perigos da Eletricidade Distribuidora Gaúcha de Energia Agência Nacional de Energia Elétrica Confederação Nacional da Industria Companhia Paulista de Força e Luz Frequência Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora Ground Fault Neutralizer Institute of Electrical and Electronics Engineers Rio Grande Energia Sistema Elétrico de Potência

LISTA DE SÍMBOLOS

A Amper V S Hz VA Z Ω S F Volt Segundos Hertz Potência aparente Impedância Ohm Siemens Faraday

12

1 INTRODUÇÃO

1.1 Considerações iniciais

As buscas por melhores índices de disponibilidade e segurança nas redes de distribuição elétrica levam concessionárias, grandes indústrias e pesquisadores a investigarem novos meios para aperfeiçoamento dessas instalações. Os estudos avaliam as principais causas de faltas e desligamentos das redes e as mais adequadas maneiras de controle do problema. Por possuir seus condutores nus e expostos, as redes aéreas estão susceptíveis a contatos com pessoas, galhos de árvores, animais e descargas atmosféricas que, quando ocorrem, produzem faltas. As pesquisas apontam as faltas monofásicas transitórias como de maior recorrência no SEP, justificando o estudo para mitigação de ocorrência dessas faltas na rede de distribuição. Uma invenção em 1917 na Alemanha (DARMSTADT, 2014) fundamenta na atualidade sistemas sofisticados de proteção capazes de reduzir significativamente os níveis de curto-circuito de fase-terra. A bobina de Petersen, equipamento que levou o nome de seu criador, é o principal componente dos modelos de aterramento ressonante famosos por propiciarem índices de disponibilidade e segurança satisfatórios às redes que os utilizam.

1.2 Motivação do trabalho

Os indicadores que apontam a falta monofásica transitória como causa majoritária de desligamentos e acidentes nas redes elétricas motivam o trabalho na busca por meios viáveis para reduzir esses índices. A capacidade do aterramento ressonante em evitar faltas monofásicas é primordial na escolha para a proposta do trabalho. Além disso, a minimização de correntes de faltas reduz danos a componentes de redes e a consumidores, propicia ampliação da segurança de pessoas próximas à rede, continuidade e confiabilidade de fornecimento de energia elétrica, bem como a qualidade do produto.

13

1.3 Objetivo

O presente trabalho tem como objetivo apresentar o estudo de redução do nível de curto-circuito em faltas monofásicas nas redes de distribuição de energia elétrica através do aterramento ressonante via Neutralizador de Faltas à Terra (GFN – Ground Fault Neutralizer ). Este estudo compreende a descrição das características da topologia de aterramento proposta (funcionamento, processo de implementação e comparação com as demais configurações de aterramento), bem como simulações computacionais de configurações de aterramento diferenciadas para consolidação de estudos.

1.4 Metodologia de apresentação do trabalho

O segundo capítulo deste trabalho inicia a abordagem do tema com a contextualização da proposta embasada em eventos estatísticos que confirmam o problema. Em seguida, expõe-se o referencial teórico utilizado para fundamentar as afirmações de que uma rede com o Neutralizador de Faltas à Terra apresenta melhores índices de disponibilidade e segurança do que redes com topologias convencionais. Apresenta ainda, uma aplicação prática de um sistema com aterramento ressonante e faz comparações de seus resultados com os eventos estatísticos mencionados na problematização. É exposto no terceiro capítulo simulações em PSIM que ilustram o comportamento das redes durante uma falta monofásica nas topologias citadas no capítulo anterior. No quarto e último capítulo é apresentada as conclusões obtidas no trabalho e sugestões para trabalhos futuros.

15 custos financeiros e danos à imagem corporativa das concessionárias de energia (FREITAS JÚNIOR, 2013).

2.2 Acidentes nas redes de distribuição

Desde 2005 a Associação Brasileira de Conscientização para os Perigos da Eletricidade – Abracopel, divulga estatísticas e campanhas sobre acidentes de origem elétrica. Em 2017, foram divulgadas 628 mortes por choque elétrico em todo o Brasil, das quais, 181 foram em redes aéreas de distribuição (ABRACOPEL, 2018). Esses números apontam que 28,8% do total de mortes são nas redes aéreas de distribuição, ficando atrás apenas das mortes em residências, que lidera com 34,7%, segundo a própria associação. Quando uma pessoa sofre um choque elétrico por tocar, direto ou indiretamente um ponto energizado, parte de seu corpo se torna caminho da corrente até a terra. Nota-se a gravidade de um choque na rede de distribuição, quando se compara a corrente de falta monofásica (ordem de 10 kA) com a corrente mínima para produzir fibrilação ventricular no corpo humano que é a partir de 50 mA, para frequências entre 15 e 100 Hz (UNESP, 2006). O anuário estatístico da Abracopel (2018) também indica as profissões das vítimas por choque elétrico nas redes de distribuição. Os profissionais da área de construção e manutenção civil somam 35% das mortes (incluindo pedreiro/ajudante e pintor/ajudante), esse aspecto alerta os riscos de serviços próximos à rede. Em seguida, os eletricistas (incluindo autônomos e profissionais da empresa) com 22,2% das mortes, o que implica que mesmo com os conhecimentos e cuidados inerentes à profissão, ainda há índices relevantes de acidentes.

16

2.3 Comportamento das redes de distribuição durante faltas

monofásicas

2.3.1 Considerações iniciais

O comportamento da rede de distribuição elétrica durante uma falta monofásica depende, principalmente, da forma de equipotencialização do ponto zero da fonte à massa, ou seja, da forma de aterramento do neutro de seu transformador. Essa forma irá afetar os níveis de corrente de curto-circuito e de sobretensão que surgem durante essa falta. A forma de aterramento do neutro não influencia no funcionamento do sistema elétrico. O aterramento tem caráter principal de proteção do sistema e das pessoas quanto às falhas envolvendo a terra (COSTA, 1995). Dentre as formas de aterramentos existentes, as que possuem características antagônicas e que servem de base fundamental às demais, são as de neutro solidamente aterrado e de neutro isolado (TEIXEIRA, 2012). Enquanto o sistema com neutro solidamente aterrado apresenta elevadas correntes e baixas sobretensões em curtos-circuitos monofásicos, quando o neutro é isolado as correntes são relativamente baixas e as sobretensões entre as fases sãs e a terra são elevadas (ROBERTS 2001). As demais formas de aterramento convencionais estão entre esses dois extremos. O aterramento ressonante é empregado em redes de distribuição com intuito de evitar os desligamentos de energia oriundos de faltas monofásicas transitórias. Sabido que essas classes de faltas ocorrem majoritariamente nos sistemas, como já citado, o método concede benefícios de confiabilidade à rede. O Neutralizador de Faltas à Terra é uma forma evoluída do aterramento ressonante e é capaz de anular as correntes de faltas monofásicas com mais eficiência.

2.3.2 Redes com neutro solidamente aterrado

Neutro solidamente ou diretamente aterrado significa que não existe nenhuma impedância intencional entre o ponto zero da fonte e a massa (SILVEIRA 2013). É realizada uma ligação física do cabo neutro que sai do transformador a um aterramento, como indica a figura 1.

18 Figura 2 : Sistema com Neutro Solidamente Aterrado sob Falta Aplicando a lei de Ohm obtém-se o valor de corrente de falta: 𝐼𝐶𝑇 = 𝑉𝐶𝑇 Z DO SOLO

A referida forma de aterramento apresenta correntes de curto-circuito monofásico elevadas, amplitudes na ordem de 10 kA como já mencionado. Correntes a qual proporcionam maior probabilidade de danos a componentes da rede e, consequentemente, mais chances de desligamento. As lesões provocadas por acidente com esse nível de corrente são graves e podem levar a óbito em poucos segundos (UNESP, 2006). À vista desses dados, constata-se uma vulnerabilidade para disponibilidade e segurança nessa topologia. No entanto, essas altas correntes é consequência da condutibilidade natural do solo e isso possibilita a instalação de cargas monofilares, que utilizam apenas um cabo em toda a extensão da linha e a terra como condutor de retorno, o que torna o ramal mais barato. As tensões de uma rede de distribuição, independente da forma de aterramento, operando sem faltas, exibem um comportamento de acordo com o diagrama fasorial ilustrado na figura 3.

19 Figura 3 : Diagrama Fasorial das Tensões no Sistema sem Falta O potencial de neutro (N) e de massa são nulos, as tensões de fase (VAN, VBN e VCN) é a diferença de potencial entre fase e neutro e as tensões de linha (VAB, VBC e VCA) é a diferença de potencial entre fases. As tensões de linha são (^) √ 3 vezes maiores que as tensões de fase, sendo as seguintes expressões verificadas: 𝑉𝐴𝑁 = 𝑉𝐴𝐵 √^3

𝑉𝐵𝐶 √^3

𝑉𝐶𝐴 √^3

Nessas condições, os elementos de fixação e suporte de cabos, que estão entre o condutor, energizado, e a estrutura de sustentação, que está aterrada, são submetidos a tensão de fase. Durante uma falta monofásica, o sistema com neutro solidamente aterrado torna a tensão de fase do condutor faltoso nula e mantém a diferença de potencial entre os condutores sem falta e a terra em tensão de fase, como mostra o diagrama da figura 4, portanto, VAN = VCA, VBN = VBC e VCN = VT = 0. Figura 4 : Diagrama Fasorial das Tensões no Solidamente Aterrado sob Falta