Distribuição de Eletricidade por Rede Monofásica Bifilar

Existem diversas maneiras de projetar uma rede elétrica para distribuição de energia de 11 a 38 kV. As redes são projetadas seguindo o padrão IEEE norte-americano, contando com um sistema de quatro fios com conexões de transformador fase-terra, ou o padrão IEC de estilo europeu, que conta principalmente com transformadores trifásicos maiores.

Dentro do estilo europeu de distribuição de eletricidade, existem três métodos de design de rede. Em ordem decrescente de capacidade de transferência de energia, são eles:

• Trifásica Trifilar
• Monofásica Bifilar
• Retorno à Terra Monofilar

A maior parte da distribuição de energia europeia emprega o método trifásico trifilar. Os dois métodos restantes de distribuição de eletricidade são geralmente aplicados a alimentadores rurais de carga leve, nos quais a carga não justifica o custo de operar a rede trifásica em locais remotos.

A distribuição de retorno à terra monofilar utiliza apenas uma linha, na qual o caminho de retorno do circuito se dá por meio de uma conexão de aterramento na extremidade da linha. Este é o método mais barato de distribuição de energia, mas apresenta problemas de segurança. Aterramentos com falta interrompem o circuito e, pior ainda, os aterramentos com falta na extremidade da linha podem introduzir perigos quanto à tensão de passo.

A alternativa mais segura é contar com uma fase monofásica bifilar, em que o caminho de retorno da corrente não dependa da ligação à terra, que fica próxima ao público.

Neste artigo, revisaremos a aplicação da distribuição monofásica bifilar e como proteger e controlar esses alimentadores com disjuntores de religamento automático.

Distribuição Monofásica Bifilar

Linhas de distribuição bifilares são conectadas ao alimentador de backbone trifásico estilo europeu. Elas são geralmente conectadas fase-fase, conforme mostra a Figura 1.

Desvio Monofásico Conectado Fase-Fase

Essa topologia de ligação equivale a um ramal trifásico, mas com a omissão de uma das linhas.

A tensão entre as duas linhas do arranjo monofásico é a tensão fase-fase do backbone. Ou seja, se o backbone do alimentador for de 22 kV fase-fase, a tensão monofásica bifilar também será de 22 kV fase-fase, com tensões separadas por 120 graus.

A corrente, no entanto, é separada por 180 graus. Isso introduz uma limitação na distribuição monofásica de um backbone trifásico: desequilíbrio de corrente na linha principal.

A carga na extremidade da linha é conectada por meio de um transformador fase-fase.

Proteção Monofásica Bifilar – Conectando um Religador OSM

Na Figura 1, os dois ícones do disjuntor representam um dispositivo bifásico do Religador OSM NOJA Power.

Cada fase tem um transformador de corrente e sensores de tensão em cada lado do interruptor.

Os terminais do Religador OSM da NOJA Power são designados como ABC e RST. Na topologia de conexão bipolar, apenas as fases AR e CT são conectadas, com a fase B a S ausente (ao usar um dispositivo bipolar) ou desconectada ao usar um dispositivo trifásico.

O uso de um dispositivo trifásico é uma prática comum quando um aumento futuro da rede sugere uma provável conversão para trifásico.

Cenários de Falta para Uma Linha Monofásica Bifilar

A proteção para linhas monofásicas bifilares é projetada para disparar em casos de faltas fase-fase e fase-terra.

Faltas Linha a Linha

Quando ocorre uma falta linha a linha a jusante do dispositivo de proteção, um curto-circuito é introduzido. Isso aumenta muito a corrente através do dispositivo, mas o ângulo permanece a 180 graus.

Uma proteção contra sobrecorrente de fase convencional é usada para proteger ativos nesta situação. A configuração selecionada está acima da carga de linha máxima. O Religador OSM NOJA Power também pode usar a Restrição de Inrush neste ponto para o caso de reenergização da linha sem disparos indevidos.

Faltas à Terra

As faltas à terra ocorrem quando há uma falha no isolamento do sistema, levando ao contato de um condutor com a terra. Isso pode ocorrer devido a uma árvore encostada no fio ou animais fazendo ponte entre os isoladores de fase e o solo. A Figura 3 mostra um exemplo deste caso.

Quando ocorre uma falta à terra, uma conexão à terra introduz dois caminhos para a corrente. Um deles é o retorno através da fase CT do religador e o outro através da extremidade, dos enrolamentos do transformador, e de volta por meio da fase AR do religador.

A corrente provavelmente será diferente nas duas fases. A fase mais próxima da falta (fase CT na Figura 4) provocaria uma corrente mais alta. O caminho da corrente da fase AR apresenta maior impedância, uma vez que a corrente precisa fluir pelo transformador na extremidade da linha.

Quanto mais próxima a falta à terra estiver dos religadores, maior será a disparidade e a corrente de falta detectada pelo terminal mais próximo. A magnitude da corrente depende da impedância da falta propriamente dita, mas para a maioria das faltas do mundo real, uma proteção contra sobrecorrente é suficiente para detectar esse cenário.

A adição de um caminho de terra altera as relações do ângulo de fase e, portanto, uma corrente neutra aparecerá.

Assim, a proteção de falta à terra é possível em redes monofásicas bifilares. Os exemplos de configurações gerais aplicadas em campo estão em torno de 20 a 25 A de corrente neutra calculada. No entanto, um estudo de proteção do alimentador seria necessário para calcular as configurações corretas.

O próprio religador pode se beneficiar da proteção de falta à terra da linha principal.

Limitações e Considerações de Proteção de Falta à Terra em Linhas Monofásicas Bifilares

Linhas monofásicas bifilares são comumente vistas em redes que também incluem redes de retorno à terra monofilares (SWER). Todas as redes SWER introduzem correntes neutras inatas permanentes. À medida que esta corrente neutra permanente aumenta, a sensibilidade a faltas à terra diminui.

Em redes que não possuem SWER, a inclusão de uma proteção de falta à terra sensível em fase monofásica bifilar torna-se tecnicamente plausível. A corrente neutra permanente pode ser suficientemente baixa para que a aplicação de SEF não provoque disparos indevidos.

Conclusão

“Fabricamos nossos religadores em configurações trifásicas, single triple trifásicas, bifásicas e monofásicas para atender a qualquer aplicação em todo o mundo”, afirma o Diretor Geral do Grupo NOJA Power, Neil O'Sullivan.

“ Este é um ótimo exemplo de como nossos dispositivos bipolares são usados em uma aplicação monofásica bifilar, garantindo a proteção contra sobrecorrente e falta à terra ”

A rede monofásica bifilar é uma topologia de rede de distribuição válida. A NOJA Power oferece uma opção de construção de Religador OSM bipolar para este cenário, e os principais recursos de proteção do Religador OSM usados são a proteção contra sobrecorrente e falta à terra. Para mais informações, visite www.nojapower.com.br ou entre em contato com seu distribuidor local NOJA Power.