A escolha do regime do neutro em instalações eléctricas

Texto

(1)

A escolha do regime do neutro em i nstalações eléctricas

de baixa tensão

L. 1. VILEL 1)1 TO

Engenheiro Electrotécnico U. P.)

reSUI11

e colha do regime do neutro numa instalação eléctrica em baixa ten ão é fundamental para a garan-

tia da qualidade de erviço oferecida. e te trabalho faz-se uma abordagem do problema com ênfa e para a análise de potenciai , apontando- c alguns critérios de escolha.

1 Introdução

A selecção do regime de exploração do neutro nu- ma instalação eléctrica de baixa tensão assume urna importância enorme na fase de projecto uma vez que dependerá do acerto e adequação da escolha efectuada a qualidade de serviço oferecida, em termos econo-

, ;

.

rmcamente rmrumos.

Uma primeira análise do problema foi já efec- tuada

CL

tendo sido apon tados, na ocasião, alguns cri- térios orien tadores.

Assim, foram apresentados parâmetros em quatro áreas fundamentais de trabalho: exigências regulamen-

tares ou do distribuidor de energia, concepção e utili-

abstract

T he choice of neutral's operating

system tn

lozo uoltage electric plants

is

mainly important

to

the

garanty of seroice quality oftered. This

paper

presents

a brief concept's

reoision

under lhe

point

of view of potential analysis and refers some decision's criteria.

zação das instalações, exploração e aspectos globais de economia de meios e equipamentos.

Afirmou-se, a propósito, que urna referenciação do potencial do neutro é importante sob o ponto de vista da segurança das pessoas e das coisas, havendo, por isso, todo o interesse em analisar o que se passa em relação a esta variável em presença de situações de de- feito de isolamento.

Com este trabalho pretende fazer-se urna aborda- gcrn simplificada do problema tendo em vista salien-

tar outros tipos de critérios de escolha disponíveis,

(1) Revista «Electricidade. Energia. Electrónica» n." 165, Julho de 1981, págs. 312 a 315.

ELECTRICIDADE. ENERGIA. ELECTRÓNICA - N.O 205 - Novembro 1984 413

(2)

2 - O potencial do neutro em relação à

terra e sua elevação

Num sistema de distribuição de energia eléctrica os potenciais do neutro em relação às fases (tensões

simples) são nnpostos pela fonte de energia, sendo iguais os três valores possíveis (em sistemas trifásicos) salvo ocorrência de qualquer situação de defeito, por exemplo, um curto circuito unipolar fase-neutro.

Estes potenciais não devem ser confundidos, no entanto, com os potenciais do neutro em relação à

terra, dependendo estes de outros parâmetros.

De facto, cada fase de um sistema de distribuição apresenta em relação à terra uma dada capacidade C e resistência de isolamento

Ri,

Assim, apenas no caso de se verificar

e

(em sistemas trifásicos) o conjunto das impedâncias determina um ponto neu-

tro (neutro artificial) confundido com a terra.

Nestas circunstâncias. o potencial do neutro é igual ao potencial da terra (fig. 1).

De uma maneira geral, os valores de C bem como os de RI são diferentes [3]. Em particular, quando um defeito coloca uma fase à terra (a fase L3, por exem- plo, sendo então R13== 0, como mostra a figura 2) o potencial desta fase é o mesmo da terra, elevando-se o potencial do neutro em relação a esta (fig. 3 a).

---~--- L~

~---~----~~--- L2

~--~----~----~--~---l3

- - -

L2 Li

T

1...2.

-

VL)N: VL3r

-

Fig 1 - Característtcas de um sistema de distribuição e definição de tensões neutro-terra

N

L1

L2

L3

.. _.L._ ..---

-

Id.

Fig 2 - Sistema de distribuição com defeito

r

2.

--'--

- -

T

--

ft) b)

Fig. 3 - Defeito fase-terra (fase L3 afectada) a) Análise vectorial das tensões

b) Colocação do ponto representativo da terra

do potencial

Nas condições apontadas, em princípio, o sistema pode continuar a operar «normalmente», mas um novo defeito, noutra fase, implicará a existência de um curto- -circuito bifásico. exigindo o funcionamento das pro- teccões contra sobreintensidades~ existentes no sistema.

No entanto, a situação inicial não pode manter-se.

De facto, o excessivo afastamento do potencial do neutro do potencial de referencia poderá ocasionar sobretensões de valor assinalável (contornamento e fenómenos de ressonância série [3]) acompanhadas das naturais destruições de equipamento.

A admissão de análises equivalentes para outras situações extremas permite concluir que o potencial do neutro nesta situação é variável e o ponto que traduz o potencial da terra (T) se encontra no interior do triângulo de tensões indicado (fig. 3 b) [3].

Nestas circunstâncias, verifica-se que o potencial do neutro em relação à terra está sempre compreendido entre zero e a tensão simples de sistema alternado.

Há, no entanto, situações diferentes da apontada que implicam igualmente a subida do potencial do neutro. Entre estas, são de referir, pela sua importân- cia [3J, as seguintes:

Existência de equipamentos rectificadores;

sobretensões de origem externa à instalação;

sobretensões de origem interna à instalação.

414 ELECTRICIDADE. ENERGIA. ELECTRóNICA _ N.O 20S - Novembro 1984

(3)

3.1 - Si tema de ligação directa do neutro ,fi terra TT (CEI 364..3·')

\ 'i

un

is

l ida l ISU.

Frequentemente "I uns uuxilinre de cquipnm '11- m rrcnre

conuuu

1 (bebi-

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ti\. I criflca leres ILi meia

onda.

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Inm t n t ) .1 jII fint dl 1ui P 1111(:'nt d c l' C (iii I

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tiO pi 0- , "'~ uma subida I poren ial til! Icde ',cln part icular ti neutro I"). 1srn subida de potencial, em geral, não

sa l' 1'.1 U in tnla ão I sue iuc O defeitos

ou 110111 sej: III limin I m tempo util

e).

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I

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feita normalmente

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i- de para-r io nos ondutor a th o d rcsi ..

\ urL.n ti 0n1 fi tensão aplicada.

"

.

ten ra

uando h ontorn 111 nto urre um nrolam nt I.T. um enrolam nto B.T. de UTIl tran formador de distribui â O nutro do tran

r

miador é levado a um

otencial el vad [ 1,8], podendo ha. er inreress na utiliza ão d lirnitadore d obr t n ão ntr o neutro

a terra (em espe ial, n s si terna de nutro isolado ou irnpedante (2] .

'o que r _p ita às sobret o ..õ s de origem interna

à instala ão (ln p cial a con id rar eru in talaçõ s corn rede priv ati, a de 1.T. de comprimento a sinalâ-

\ 1) há qu prex er os ef ilOS das sobrei nsõe d ma- nobra (ab rtura em carga t/ou fecho COl vazio d apa-

relhos alimentadore de cargas [3] .

Situações d st tipo provo arn transitórios cuja fr - quência e amplitude depend m, entre outros parâme- tros, das características das in talaçõ s.

3 Análise de potenciais nos diversos regimes do neutro

Como é sabido, existem vários sistemas normali- zados internacionalmen te para exploração do neutro em relação à terra em instalações de baixa tensão [5]:

os sistemas designados simbol icamente por TT, T (nas versões TN-C (anterior TI -1\) e T -S (anterior T '-8) c IT (nas versões ITCl e ITSN (4).

Em Portugal. o sistema que tem vindo a ter utiliza- ção preferencial é o primeiro dos referidos, embora se note, de algum modo, uma penetração crescente dos outros sistemas, em especial do sistema IT, cm insta- lações de dimensão apreciável (indústria) (5).

O sistema operativo de cada alternativa, cm ter- mos de potenciais, é analisado seguidamente.

De acordo com o princípio de operação, neste sís-

tcmn, o lH.:uII'O está directamente ligado fi terra através de um eléctrodo de terra próprio (terra de serviço), cm geral de pequeno valor (). Por isso, O potencial de te é aproximado do potencial da terra.

Em ca () de defeito de isolruucnto, as capacidades LIi Iri bu ída cios cond lital cs não têm praticamente im-

J r túneis, dado o va 101' rel at ivarncn te bai o da impe- dâncin ela malha de defeito (limitada

basicamente

pelos

\ a I(Irc S <.Ie R\I, R e RII)

I

5] .

.orrentc de deleito pode tornar-se importante pelo que o potência di sipada ao nível da terra de

CI \ iço e clev ada, ju tiíicando

complementarmente

o

inrerc e de um controlo permanente do estado do elé trodo ( ).

anãli e do e querna da figura 4 permite rapida- mente \ erif'icar que, em termos de potenciais,

LI = ----

U

R +

Ro

UN

= R» .

o qu equiv ale a dizer que UN é função crescente de RN (para con tante).

E ta ituação 111 reforçar o intere se em reduzir, tanto quanto possf el, o \ alor de R .

(2) esta cicunstâncias poderá aparecer uma tensão con- tínua no neutro em relação à terra, numa rede em corrente altei nada. o que à primei: a \ ista pode parecer difícil de ocor-

rer.

{~} O que de, c ocorrer pOI' razõe de scguran a.

l4) Versão com distribuição do condutor neutro e sem distribuição do condutor neutro. rcspcctix arnente.

(5) Cada vez mais os processos industriais exibem uma continuidade de erv iço rigorosa, assumindo o sistema em re-

ferência uma \ antagern assinaláv el em relação às alternativas.

(6) O \ alor operacional deverá cr o menor possh el, para melhor garantia da protecção de pessoas [5].

(7) lo(m que o controlo das resistências de terra no sis- tema TT é necessário para garantir as condições de protec- ção de pessoas contra contactos indirectos. A passagem fre-

quente de intensidades de corrente elevadas pelo eléctrodo de terra pode prov oca; um aumento do \ alor inicial da resis- tência de terra (efeito de aquecimento do solo). Nesta situa- ção e, sem o conhecimento do pessoal de exploração, o sis-

tema poderá tornar-se equivalente a outro de neutro à terra através de resistência elevada com a consequente alteração

operativa.

ELECTRICIDADE. ENERGIA. ELECTRÓNICA - N," 205 - Nouembro 1984 415

(4)

~--- u

___________ L2.

______ -+__ - o

N

u".

- - -

Td

Fig. 4 - Analise de potenciais no sistema TT

3.2 - Sistema de ligação do neutro directamente à terra e das massas ao neutro, TN (CEI 364-3-1) De acordo com o princípio de funcionamento do sistema, a impedância da malha do defeito (versões TN-C e TN-S) não inclui resistências de terra, pelo que o seu baixo valor permite elevados níveis de cor- rentes de defeito (aproximados dos de curto-circuito previsível para defeitos fase-neutro do sistema).

Para a situação de defeito fase-terra (possível nas instalações de utilização, em especial naquelas com distribuição por condutores nús (8) a impedância de defeito conterá a resistência de terra do neutro, pelo que, sob o ponto de vista do potencial do neutro, relati- vamente à terra uma situação destas torna-se manifes- tamente inconveniente e perigosa se não forem tomadas medidas que impeçam uma subida não controlada dessa variável (fig. 5).

A análise do esquema permite verificar que o po- tencial do neutro vem dado por uma expressão do tipo.

Uma vez que este potencial será «acessível» a todas as massas do sistema (como se vê na figura 5), a pro- tecção de pessoas exigirá a tomada de medidas espe- ciais de limitação de RN [6].

3.3 - Sistemas de neutro isolado ou impedante

IT

(CEI 364·3·1)

De acordo com o princípio de funcionamento do sistema, o potencial eléctrico do neutro é igual ao po- tencial da terra na ausência de defeito e, no máximo igual ao potencial equivalente à tensão simples do sis- tema, em caso de defeito unipolar à terra (se ID~O ou despresável). conforme esquematiza a figura 6.

Tal situação resulta da possibilidade de trocas de energia realizadas entre a fase em defeito (no caso a fase L3) e as fases não afectadas, tanto maiores quanto

_________________ L1

---t---

L'2

---~t_"_r_--t---L3

M

- - -

rei

-

Fig. 5 - Análise de potenciais no sistema TN (situação defeito fase-terra)

-

______________ -+ l1

--~---~~--- Ll

I

---t-t--:---+---i.~- L3

ri r

Fig. 6 - Análise de potenciais no sistema IT (versão isolada)

______________ -+-__ [.1

I

___________-+ ~~-~z

~---..

> --'" , -- ~--

- - -

Fig. 7 - Análise de potenciais no sistema IT (versão impedante)

maiores forem as capacidades distribuídas do sistema (redes extensas).

Na situação do neutro ligado à terra através de uma impedância - impedância de neutro ZN - (9), o po- tenc aI do neutro é idêntico ao da situação anterior na ausência de defeito (fig. 7):

Na situação de defeito, a corrente de defeito sub- divide-se em duas: uma é equivalente à verificada na versão isolada (corrente I) e outra, atravessando a im- pedância do neutro ZN (corrente I» vai provocar um

aumento do potencial deste relativamente à terra.

Este potencial deverá ser controlado através de uma escolha conveniente de ZN, em geral um compromisso

(8) Em instalações de pontes rolantes, por exemplo.

(9) Uma análise para dimensionamento de ZN foi feita na «electricidade. Energia. Electrónica» D.O 168, Outubro de 81, págs. 415 a 418.

416 ELECTRICIDADE. ENERGIA. ELECTRÓNICA _ N.O 205 - Novembro 1984

(5)

ent ' os valores elevado irio a minimiznçfio

a · rrcutc I defeito c o "di IlS reduzido (neles-

x irlos li minhnizu :'íl tI0 Pl)ICIH.:i ti do neutro) (III).

4 Análise das situações de defeito de isolamento

Iefeitr S h:

is

ilam nro na

di tribuição

estão nu

orig III da quu e toinlidnrle do incide nres que origi-

nam subi la 0Ih. r mui do I rcn ial do n ulro relatl-

'8tH nte à t rra.

:; to subidas do potencial, cm gernl, não são pe-

ln

i

m mo,

1

xc

I

ão

da situa 'ão descrita

para

sistema

Ti .

o defeito d i lnm nto cm ma [IS são peri- go_ow para n~ p s~oas.

dmitindo que as impedância en IIe condutores activos a 1t:ITH não são muito elevadas (casos cio

istema

TT

e

TN

em relação aos outros traj cto

\ i€.,

L da orrcnte de defeito. e, por is o. não 50 dcs- prezáveis, é pos ível ub tituí-ln por uma impcdân-

ia Zr entre o neutro e a terra.

[estas cir un ..tâncias, urna análise detalhada da influên ia de ...ta impedância para o estudo de defeitos

de isolamento (simples e duplo)

r"'].

permite concluir:

a)

Em

si ternas de neutro i olado ou impedante, com elex ado valor de Z~ não há defeito pré- existente. ... condições de seguran a serão res- peitadas desd que o potencial das massas não ultrapas e os valores das ten ões limite con- vencionais admitidas.

h,

no entanto, necessá-

ria a sinalização do primeiro def ito e obriga- tória a interrupção do circuito ern caso de du- plo defeito [9];

b) em sistemas de neutro dire tamcnte à terra ou impedantes de reduzido valor de ZN, pode ha- ver defeito prée cistente entre o neutro e a

terra e é obrigatória a interrupção ao primeiro defeito [5] :

c) os sistemas de neutro directamente à terra são os mais aconselhados quando há distribuição

do condutor neutro (manutenção constante da tensão fase-terra, evitando-se transitórios de

tensão de valor assinalável).

5 - Conclusões

Em seguimento dos critérios já apontados anterior- mente para escolha do regime do neutro numa instala- çao de baixa tensão, aparece agora o escalonamento do potencial do neutro relativamente à terra como crité- rio de certa importância.

Assim, se ri instalação em questão está sujeita a

obrcren U'S frequentes, é preíerfvcl fixar o potencial do IlClI tI'O ltl tn V0S dn consideração de um sistema de Ii- gl'~uu directa do neutro ti terra, a menos que impedi-

m ntos fortes de qualidade de serviço se lhe oponham.

A hipótese de utilização mista de sistemas, sob O ponto de vísra de solução global para uma instalação, apre cntn vantagens assinaláveis na medida em que

torna po sível. 0111 áreas localizadas das instalações, II

QUADRO I

E cmplo pura elecção de regimes do neutro em instalações de baixa tensão

C r crer! III! I d 18 1tl5lnll!.úe

TT

Regimes de neutro aconselhados c graus de vi bilídade

Adequado PO! Ivel Desacon-

selh do

1n talaçâo exten com boa terra nu utilização

(R 1 10 O bm) ...

Instalação exten a com terra nu utilização

R 1

>

10 O hm) ..

- ln ralação u ceptivel 3

obreeten - es ... ,.. , ..

ln talaçôe com corren-

te de fuga elev adas (Ir

>

500 mA .. ,.

- Instalaçôe com linhas

1''1' TN

TI' TNeIT

'lN TI

TN TI' IT

.

,

acrea extenorc .. , . . - Jn talaçôe com recepto-

res de baixo ní vel de iso- lamento forno eléctri- co , aparelhos de solda- dura, cozinhas indus-

triai etc.) ...

- ln talaçâo com nume- ro o aparelhos eléctricos

portá rei monofá icos ...

ln talaçâo com locais sujeito fi risco de in-

cêndio e

t=

explo ão ..

- Insralaçôe com possibi- lidade elevada de modi-

'11' TN

TN '1"1' e IT

'1*1'

-

TI e IT TN

ficaçõe

. ..

... ... ... 'rI' IT

ln ralação com incerte.

Z.\ no comportamento

do i temas de terra (resistência e continui- dade dos circuitos de

protecção) ..

(a) A partir de certo comprimento é ilu 6rio falar em sistemas ele neutro i olndo em virtude da capacidade parasita, exi (entes.

(h) O contornamento do L. T, transforma o sistema neutro fie neu tro n terra.

(C) O riSCO io acrescidos devido à humidade e presença de

poeiras condutoras.

('I) OS ri-cos de manutenção ineficiente não aconselham a utilização deste sistema.

(e) f: aleatória 3 garantia de equipotencializ ação das massas,

(10) Os valores usuais são da ordem de 1500 O [3].

ELECTRICIDADE. ENERGIA. ELECTRÓNICA - N.O 205 - Novembro 1984 417

(6)

utilização de um regime discreto de neutro que me- lhor se adapte às características específicas do local

(continuidade de serviço, simplicidade de: manutenção, eficácia de operação) (11).

A conjugação dos diversos critérios citados permite estabelecer um exemplo do Quadro I [10] para acon-

selhamento na selecção do regime do neutro global- mente mais adequado, em função de um conjunto de características das instalações.

REFERtl JCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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[2] L. M. Vilela Pinto, Análise dos sistemas de protecção de pessoa contra contactos indirectos: o sistema IT (CEI 364-

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[ 6] L. M. Vilela Pinto, Análise dos sistemas de protecção de pessoas contra contactos indirectos: o sistema TN (CEI 364-3-1) - Análise da concepção do sistema de terras de

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ludo ou impedante IT), Comunicação na Sessão «Segu- rança dt SIstemas Eléctricos», E1:\TOIEL 81, Jan., 1981.

[8] C. Dragan, D. Critescu, Les schémas de protection des installations à inoyennc teusum centre les surtensions at- mosphériques, R. G. E. n." 7/8, Tome 81, Iulhoz' Agosto

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[9] L. lYL Vilela Pinto, Análise dos sistemas de protecção de pessoas contra contacir : indirectos: o sistema de neutro isolado ou impedante IT - CEI 364-3-1) - Análise das

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Energia. Electrónica n." 169, .1. Tovembro 1981, págs. 461

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[ 14] \\1. L. Leicester, Earthing pratices ouer seas, Electrical Times, April 1972.

(11) A Regulamentação Nacional, de momento. não en- cara com interesse a solução apontada. ~ evidente que a utili- zação de sistemas mistos terá como contrapartida a exigência de regras complementares de protecção mais restritivas.

418 ELECTRICIDADE. ENERGIA. ELECTRONICA _ N. 205 _ Novembro 1984

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Referências

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