Considerações sobre Ocorrências de Faltas Simultâneas em Sistemas Elétricos (Cross-Country Faults)

por Éverson Júnior de Mendonça e Nelson Clodoaldo de Jesus*

Diferentemente da maioria dos sistemas elétricos de distribuição que são utilizados por concessionários de energia elétrica no Brasil, os  quais  geralmente adotam a configuração com  neutro  do  tipo solidamente  aterrado, em sistemas elétricos industriais ou aqueles empregados  em sistemas de geração de energias renováveis, normalmente com tensões de fornecimento em 13,8kV, ou, mais recentemente, com  tensões  de  operação em  34,5kV,  a  filosofia  de  aterramento tem como  premissa  a  limitação  das  correntes de faltas à terra. Sendo assim, os sistemas industriais ou de alimentadores coletores são normalmente aterrados por transformadores e/ou  resistores de  aterramento. Um artigo técnico [1] apresentado na XIII CBQEE 2019 – Conferência Brasileira sobre Qualidade da Energia Elétrica, realizada no Instituto Mauá de Tecnologia, em São Caetano do Sul (SP), de 01 a 04 de Setembro de 2019, avalia o referido tema, com o objetivo de apresentar uma análise de ocorrências de faltas simultâneas (Cross-Country Faults) envolvendo sistemas elétricos de média tensão. Tem-se verificado que, em diversos sistemas industriais e de geração de energias renováveis, a ocorrência de  faltas simultâneas provoca  sérios danos em equipamentos  elétricos, tais como transformadores, religadores, cabos, além de possíveis falhas nos esquemas de proteção, que podem levar à indisponibilidade parcial ou total do referido sistema elétrico. A análise de eventos envolvendo danos em equipamentos elétricos ou falhas na operação de relés de proteção tem evidenciado a ocorrência deste tipo específico de falta, conhecida como Cross- Country Faults (CCF), ou seja, ocorrências de faltas cruzadas ou faltas simultâneas [2], [3]. De forma simplificada, a Figura 1 ilustra o conceito relacionado às ocorrências de faltas cruzadas.

Eventos  do  tipo   Cross-Country  Faults são  definidos como  ocorrências simultâneas de   faltas  fase-terra  em   diferentes   fases de um mesmo alimentador, ou ainda em alimentadores distintos ou em pontos diferentes  de  um  mesmo  sistema elétrico [2], [5]. Os sistemas que operam com neutro aterrado por impedâncias ou no caso de neutro isolado são particularmente mais afetados por esse tipo  de distúrbio. Nestes sistemas, a ocorrência  inicial  de  uma falta fase-terra causa sobretensões nas fases sãs, resultando em solicitações aos materiais isolantes e, desta forma, pontos fracos no isolamento do sistema (junção de cabos, buchas antigas, isoladores afetados pelo tempo  etc.) podem  induzir à ocorrência de uma segunda ou demais falhas subsequentes, devido à superação da capacidade dielétrica nestes pontos, resultando em possíveis defeitos do tipo Cross-Country Faults.

Em  sistemas  isolados, a ocorrência do primeiro defeito fase-terra resulta em sobretensões e correntes de falta à terra com valores  reduzidos, fluindo através das capacitâncias de  cabos, transformadores e outros equipamentos elétricos pertencentes ao sistema [5].  As respectivas correntes de faltas à terra com valores reduzidos, muitas vezes, não são suficientes  para  sensibilizar os dispositivos de proteção, dificultando tanto a identificação do  defeito quanto a localização de falhas no sistema. Já para o caso de sistemas aterrados por impedâncias, é verificado que a corrente inicial  de falta à terra será limitada pelo valor equivalente da impedância de aterramento. Com a ocorrência do segundo defeito, esta corrente de falta não mais será limitada, atingindo altas magnitudes. As elevadas amplitudes das correntes durante a subsequente ocorrência de CCFs podem  causar severos danos aos equipamentos elétricos da instalação, ou ainda afetar as tensões vistas pelos relés de proteção, provocando falhas de atuação dos dispositivos [2]. O Artigo técnico de referência [1] apresenta oscilografias e registros de eventos de relés durante ocorrências em sistemas industriais, assim como resultados de simulações de faltas do tipo Cross-Country, a fim de caracterizar e subsidiar as análises  para este tipo de perturbação.

A Figura 2 apresenta o diagrama unifilar de um sistema elétrico industrial  e as oscilografias das correntes em uma ocorrência real envolvendo eventos de faltas cruzadas no sistema elétrico analisado.

No artigo técnico, foram apresentados conceitos gerais sobre faltas [4], bem como outros registros de oscilografias de relés durante defeitos do tipo Cross-Country, evidenciando que, em sistemas de  média tensão isolados ou aterrados por impedância, após uma falta fase-terra, as sobretensões nas fases sãs podem  afetar os sistemas de isolamento de cabos, isoladores degradados em função da própria vida útil ou contaminados pelo ambiente (poluição, poeira, produtos químicos), implicando no surgimento de arco voltaico  nas fases sãs, condução  de  para- raios, entre outros fenômenos indesejados, ocasionando o segundo defeito que, normalmente, ocorre  próximo ao valor de pico das tensões, caracterizando, deste modo, falhas típicas de faltas simultâneas [3]. Estes tipos de eventos com faltas simultâneas nem sempre são considerados nas análises de desempenho  de  sistemas elétricos, sendo de suma importância considerá-los, principalmente em relação à coordenação e seletividade da proteção, uma vez que a ocorrência de faltas simultâneas pode resultar em atuações  indevidas dos dispositivos de proteção, devido à indicação de falsa corrente de  sequência zero verificada  pela proteção residual dos circuitos alimentadores neste tipo de evento. Este fato dificulta a atuação da proteção de faltas à terra, cuja detecção normalmente não é possível de ser realizada facilmente  de  modo coordenado e seletivo. Portanto, eventos dessa natureza se caracterizam como um tema relevante relacionado à avaliação  de   perturbações na QEE, bem como análises de sistemas de proteção.

*Éverson Júnior de Mendonça possui graduação em Engenharia Elétrica com ênfase em Sistemas Elétricos de Potência pela Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI) em 2018, onde participou como aluno bolsista do Programa de Educação Tutorial de Engenharia Elétrica – PET. Atualmente, trabalha na área de estudos elétricos na empresa GSI – Engenharia e Consultoria Ltda. Áreas de interesse: Estudos de Transitórios Eletromagnéticos, Qualidade de Energia, Proteção e Análise de Sistemas Elétricos.

*Nelson Clodoaldo de Jesus possui graduação em Engenharia Elétrica pela Universidade de Taubaté (UNITAU) em 1992 e grau de Mestre em Ciências em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI) em 1995. Trabalhou como professor e pesquisador na Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul (UNIJUÍ) e como Coordenador de Engenharia da AES Sul. Desde 2009, atua como sócio consultor na empresa GSI – Engenharia e Consultoria Ltda. É sócio fundador da Sociedade Brasileira de Qualidade da Energia Elétrica (SBQEE). Possui mais de 150 artigos técnicos publicados em revistas, conferências e congressos nacionais e internacionais. Atualmente, é secretário executivo da Diretoria da SBQEE. As principais áreas de interesse referem-se à Qualidade da Energia Elétrica, Sistemas Elétricos Industriais, Sistemas de Geração de Energias Renováveis e Transitórios Eletromagnéticos.