Resistores de neutro MT: Avanços na especificação

20 de setembro de 2017 - 18 minutes read

AVANÇOS NA ESPECIFICAÇÃO E APLICAÇÃO DOS RESISTORES DE ATERRAMENTO DO NEUTRO DOS SISTEMAS ELÉTRICOS INDUSTRIAIS EM MÉDIA TENSÃO

 

Eng. Paulo Fernandes Costa

 

  1. INTRODUÇÃO

 

Este é o segundo artigo de uma série de seis, sobre aterramento do neutro em sistemas elétricos industriais. O primeiro artigo tratou dos aspectos conceituais mais importantes que dizem respeito á escolha do tipo de resistor para a aplicação em questão. Foi mostrado que em sistemas elétricos industriais de baixa tensão aplica-se Resistor de Alto Valor Ôhmico, que não exige o desligamento imediato do sistema na ocorrência de uma falta à terra, enquanto que na maioria dos sistemas de média tensão deve ser aplicado Resistor de Baixo Valor Ôhmico, que, ao contrario, exige o desligamento imediato do sistema na ocorrência da falta à terra. Neste segundo artigo serão discutidos os critérios de especificação dos resistores para sistemas elétricos industriais de média tensão, isto é os Resistores de Baixo Valor Ôhmico.

 

 

  1. AVANÇOS NA APLICAÇÃO DE RESISTORES DE VALOR BAIXO VALOR ÔHMICO

 

Os Resistores de Baixo Valor Ôhmico têm sido aplicados nos sistemas de média tensão por muitas décadas, e algumas modificações importantes na sua aplicação ocorreram bem recentemente, podemos afirmar a pouco mais de uma década. As modificações mais importantes referentes á sua aplicação podem ser descritas da seguinte forma:

 

  • Em sistemas de média tensão, uma vez definida a aplicação de Resistores de Baixo Valor Ôhmico e consequentemente desligar o sistema durante uma falta á terra, a corrente escolhida para limitação, além de atender o critério de ser igual ou superior á corrente capacitiva, deve atender ainda a outro critério que é o de fornecer corrente suficiente para operação segura da proteção de falta á terra.

 

  • Até a entrada em operação dos relés digitais modernos a mais de uma década atrás, utilizavam-se relés de proteção eletromecânicos para proteção de falta á terra. Estes relés possuíam alto consumo, notadamente quando ajustados em baixas correntes, não sendo possível utilizar transformadores de corrente toroidais de baixa relação de transformação para sua alimentação. A solução era aumentar a corrente de falta á terra, o que possibilitava também aumentar a relação dos TCs toroidais e, por conseguinte sua potência.

 

  • Até esta época os valores de limitação eram bastante elevados, sendo padrão os valores de 400A, 600A, 800A, 1000A e maiores.

 

  • Atualmente a situação se modificou, os relés digitais possuem baixíssimo consumo permitindo utilizar TCs toroidais de baixa relação, com baixa potência. Com esta solução pode-se utilizar atualmente níveis de limitação reduzidos desde que atendam os quesitos de dimensionamento estipulados anteriormente. Os valores mais utilizados na atualidade são: 25A, geralmente aplicado em sistemas de mineração, e, para sistemas industriais os valores de 50A, 100A, 150A, 200A e 300A.

 

  • Ao substituir um resistor de 400A, por outro de 50A, com atendimento dos critérios de dimensionamento, a corrente de falta á terra é reduzida de 8 (oito) vezes, e os efeitos térmicos e dinâmicos que variam com o quadrado da corrente são reduzidos de 64 (sessenta e quatro vezes).

 

  • Com a utilização de recursos modernos, [1] como o emprego de relés digitais que permitem utilizar a seletividade lógica, e ainda com a aplicação de relés de sobrecorrente associados a relés/sistemas de detecção de arco, recursos estes que permitem reduzir significativamente o tempo de desligamento do sistema durante faltas á terra, é possível evitar a evolução da falta á terra para faltas entres fases, em sistemas com Resistor de Baixo Valor Ôhmico. Como a rapidez da evolução depende do valor da corrente de arco, limitar o curto em valores mais baixos auxilia significativamente no processo de evitar a referida evolução. Se o valor da corrente de limitação for elevado e a evolução ocorrer, por exemplo, dentro de um quadro de manobra, mesmo com o desligamento rápido podem ocorrer paralizações necessárias para limpeza dos isoladores e alguns reparos.

 

  • Outro aspecto importante da aplicação dos Resistores de Baixo Valor Ôhmico na atualidade, diz respeito ao reconhecimento da absoluta necessidade de supervisionar continuamente a integridade do circuito neutro-resistor-terra, uma vez que se este circuito for interrompido e ocorrer uma falta á terra muitos equipamentos podem ser danificados por sobretensões transitórias. Existem vários casos reais, recentes, destas ocorrências, envolvendo queima de transformadores e motores em sistemas de média tensão.

 

A figura 1 seguinte ilustra as possibilidades de ruptura do circuito neutro-resistor-terra. A ênfase em supervisionar continuamente o circuito deve ser explicada uma vez que existem circuitos utilizando relés de sobrecorrente e sobretensão  associados a TCs e TPs que realizam a supervisão somente no momento da ocorrência da falta à terra, [2] o que não é aceitável. De fato se houver uma ruptura do circuito neutro-resistor-terra antes da ocorrência da falta à terra, situação esta que não é detectada pelo sistema de proteção/supervisão descrito, o sistema elétrico poderá ser submetido á sobretensões transitórias no momento da falta á terra, antes do desligamento pelas proteções.

 

 

Figura 1: Algumas possibilidades de interrupção do circuito Neutro-resistor-terra

  • A supervisão contínua deve ser executada utilizando circuito digital apropriado que faça a circulação permanente de uma corrente através do circuito neutro-resistor-terra, e não somente através do resistor [3].

 

O circuito de supervisão pode ser adaptado em resistores existentes como forma de “retrofit”. A referência [4] indica equipamentos que atendem as características descritas.

 

A seguir são vistas figuras de resistores danificados, conforme referencia [5], que aborda também a questão da importância da verificação da continuidade dos resistores.

 

As causas da ruptura do circuito neutro-resistor-terra são diversas, como sobretensões transitórias (descargas atmosféricas, chaveamentos), sobrecargas além do tempo suportável, vibrações no transporte e na operação normal, vida útil vencida, corrosão, defeitos de fabricação, defeitos de montagem e outros.

 

Figura 2: Exemplos reais de resistores interrompidos

3. ITENS IMPORTANTES DA ESPECIFICAÇÃO DOS RESISTORES DE BAIXO VALOR ÔHMICO

 

Na especificação dos Resistores de Baixo Valor Ôhmico para aterramento do neutro de sistemas de média tensão, devem ser observados no mínimo os seguintes aspectos:

 

  • Estimar o valor da corrente capacitiva do sistema onde será aplicado o resistor, por medição ou por cálculo, conforme orientações do artigo anterior.

 

  • Acrescentar ao valor estimado cerca de 20% a 30% para atender eventual crescimento futuro do sistema.

 

  • Utilizar o valor padronizado mais próximo do valor estimado (valores como 25A, 50A, 100A, 150A, 200A, 300A, 400A). Observar que ao optar pela padronização, o valor padronizado pode atender o percentual de crescimento desejado para o sistema, não sendo necessário acrescentar os percentuais sugeridos no item anterior.

 

  • Evitar especificar derivações nos resistores o que os encarece desnecessariamente. É preferível substituir o resistor no futuro, se houver acréscimo muito grande da corrente capacitiva do sistema, o que raramente acontece.

 

  • Definir o tipo de resistor, o material de sua fabricação e a sua temperatura de trabalho acordo com o tempo ou regime de carga a que será submetido. A IEEE Std 32 [6], que é praticamente a única norma estruturada que contém capítulo que rege o fornecimento de resistores para aterramento do neutro estabelece as informações contidas na tabela abaixo. Deve ser observado que o material para confecção de resistores cujo regime de operação não é contínuo, é definido na norma como sendo o aço inox. Para resistores de uso contínuo, a referida norma não estabelece o tipo de material que deve ser aplicado. Para resistores de alto valor ôhmico, pode-se em tese aplicar a classificação de tempo estendido (extendend-time rating), que significa que o resistor pode ser submetido a tempo de carga superior a 10 minutos, com a restrição de que o número de vezes que isto acontece não seja superior a 90 dias no ano. No entanto, devido á questões de segurança (temperatura do invólucro, que pode ser tocado inadvertidamente com o resistor em carga), é preferível utilizar regime continuo que fornece temperaturas bem menores para os elementos resistivos e consequentemente para os invólucros.

 

  • A chapa estrutural do invólucro metálico dos resistores não deve ser inferior a 12 USG (2,78 mm), enquanto que a chapa de fechamento não deve ser inferior a 14 USG (1,98mm). Observa-se que a fragilidade dos invólucros dos resistores constitui uma das principais causas de rompimento dos elementos resistivos, bem como de alguns outros danos sofridos pelos mesmos.

 

  • Para os resistores de média tensão de baixo valor Ôhmico, deve ser solicitado o teste de tensão aplicada, bem como devem ser mantidas as distâncias entre qualquer parte energizada do resistor e o invólucro metálico de acordo com o estabelecido na tabela 21 da norma NBR 14039, cujos valores são reproduzidos abaixo. Observar que para resistores não se aplica o teste de impulso atmosférico (Tensão Suportável de Impulso, TSI). Os valores de TSI que os equipamentos de média tensão devem suportar estão também presentes na mesma tabela da norma em questão, mas se aplicam a outros equipamentos que não resistores para aterramento do neutro, e por isto foram suprimidos da tabela abaixo.

  • Deve ser informado na especificação o tipo de invólucro a ser fornecido, que deve ser apropriado para as condições do ambiente de instalação (grau IP). Observar que o grau de proteção IP 54 atende à exigência de impedimento de entrada de pós e de água (projeção) sendo adequado para uso ao tempo. Para ambientes abrigados sem presença de pós, é suficiente utilizar o grau IP 23.

 

  • Para resistores especificados para regime de curto tempo, deve ser solicitado que o fabricante forneça a capacidade de corrente em regime contínuo dos mesmos, para eventualmente acomodar correntes harmônicas presentes principalmente em aplicações nas quais existem acionamentos com velocidade variável (inversores de frequência) no nível de tensão de aplicação do resistor. Em geral esta capacidade é de no mínimo 10% da capacidade de curta duração do resistor, para resistores construídos com apenas uma camada de elementos, sendo de 8% para construções com mais de uma camada.

4.CONCLUSÃO

 

Este artigo abordou as principais modificações que devem ser introduzidas na especificação dos resistores de aterramento do neutro em sistemas de média tensão, principalmente devido à introdução nestes sistemas de relés digitais, inversores de frequência, e também do aumento de conhecimento dos fenômenos transitórios que podem ocorrer durante uma falta à terra. A redução do valor de limitação associado á constatação da obrigatoriedade da supervisão correta e permanente da integridade do circuito neutro-resistor-terra, são dignos de destaque. Deve ser destacado também que os resistores devem ser inerentemente robustos, não sendo aceitável uma especificação que permita um fornecimento de conjuntos mecanicamente e eletricamente frágeis. O custo dos resistores quando comparado aos dos equipamentos principais do sistema elétrico é irrisório, e sua falha pode resultar em falhas destes equipamentos principais, tendo como consequência a paralização da produção e perdas associadas.

 

5. BIBLIOGRAFIA

 

[1] Costa, P.F, “Redução dos riscos proporcionados pelos arcos elétricos”, Eletricidade Moderna, Dezembro, 2009.

 

[2] Selkirk, D., Savostianik, M., Crawford, K “Why neutral – grounding resistor need continuous monitoring”, IEEE Petroleum and Chemical industry Conference, 2008.

 

[3] Catálogo Técnico: Resistor de aterramento em média tensão com supervisão de continuidade “on-line” modelo RAM-SC2, disponível no site www.seniorequipamentos.com.br.

 

[4] Catálogo Técnico: “Upgrade” para monitorar a continuidade do circuito neutro-terra em Resistores de Aterramento em Média Tensão existentes, disponível no site www.seniorequipamentos.com.br.

 

[5] Selkirk, D., Savostianik, M., Crawford, K. “The dangers of grounding resistor failures”, IEEE Industry Application Magazine, Sep/oct  2010.

 

[6] ANSI/IEEE Std 32-1972 (Reaffirmed 1990), Neutral Grounding Devices “IEEE Std Requirements, Terminology, and Test procedures for Neutral Grounding Devices”

 

 

Biografia resumida:

 

Paulo Costa é Engenheiro Eletricista e Msc pela Universidade Federal de Minas Gerais, professor aposentado dos cursos de engenharia elétrica da UFMG e CEFET-MG e diretor da Senior Engenharia e Serviços LTDA, Belo Horizonte-MG. É palestrante e autor de vários artigos na área de aterramento, proteção, descargas atmosféricas, segurança, qualidade de energia e sistemas elétricos industriais em geral. Atua como consultor, bem como na área de desenvolvimento tecnológico, com experiência de mais de 40 anos. E-mail: pcosta@seniorengenharia.com.br