Monitoramento de sistemas de distribuição de baixa tensão TT

Autor: Andy Sagl

O método tradicional utilizado para detectar falhas de aterramento (terra) nos sistemas de distribuição TT é monitorar a corrente no condutor neutro. "No entanto, esse método não é totalmente satisfatório", diz Andrew Sagl, da Megger, que prossegue para ilustrar uma abordagem alternativa e muito mais eficaz baseada no uso de um gravador de qualidade de energia de nove canais.

Em sistemas de distribuição de baixa tensão, o método de aterramento é identificado por um código de letras, onde T (terra) indica uma ligação direta à terra, N indica uma ligação neutra, I indica isolado da terra, S indica separado e C indica combinado. Diversos tipos de métodos de aterramento são amplamente utilizados, sendo os sistemas TN-S e TN-C, por exemplo, principalmente no Reino Unido. Em várias partes do mundo, os sistemas TT são, entretanto, os mais amplamente utilizados e, mesmo nos países onde o TT não é o método de aterramento dominante, ainda é comum encontrá-lo em áreas rurais e em instalações temporárias. 

Em um sistema TT, o transformador que alimenta o sistema de distribuição possui uma conexão direta com o terra, e a carga também tem uma conexão direta (separada) com o terra, conforme ilustrado na Figura 1.

Figura 1: Um sistema de aterramento TT

Alguns benefícios dos sistemas TT incluem a simplicidade e o baixo custo de implementação, além de falhas em BT e MT não migrarem para outros clientes conectados à mesma rede de BT. No entanto, os sistemas TT apresentam várias desvantagens, sendo uma delas a necessidade de os consumidores manterem seus próprios eletrodos de aterramento, o que implica que a confiabilidade total não pode ser garantida. Também é possível que altas tensões apareçam entre os componentes do sistema e o condutor neutro, o que pode sobrecarregar o isolamento dos equipamentos conectados ao sistema. 

Em um sistema TT em que as fases estão equilibradas e não há falhas de aterramento nem harmônicas de sequência zero, a corrente no neutro será zero, pois as correntes de retorno correspondentes a cada fase se cancelam no neutro. Além disso, não haverá corrente fluindo pela conexão de aterramento – veja na Figura 2.

Figura 2: Em um sistema sem falhas, a corrente neutra é zero

Caso ocorra uma falha de aterramento, a corrente da falha fluirá pela haste de aterramento até a terra, através da terra e de volta à fonte (veja a Figura 3). Como é muito improvável que a falha afete igualmente todas as três fases, as correntes de fase agora estarão desequilibradas e não serão mais canceladas no neutro. Uma falha de aterramento, portanto, causará fluxo de corrente não só no condutor de aterramento, mas também no condutor neutro (consulte a Figura 4).

Figura 3: Uma falha de aterramento causa o fluxo de corrente através do terra

Figura 4: Uma falha de aterramento também causa o fluxo de corrente no condutor neutro

Em condições de falha, a magnitude da corrente que passa pelo condutor de aterramento depende da integridade da conexão de aterramento. Quanto maior a impedância do caminho de aterramento, menor a corrente que fluirá nele. No entanto, com uma conexão de aterramento deficiente, a tensão de toque nos componentes do sistema será maior, pois esta tensão é diretamente proporcional à impedância da conexão de aterramento. A tensão de toque é a tensão que uma pessoa sentiria se, com uma falha presente, tocasse um item de equipamento nominalmente aterrado enquanto estivesse sobre uma superfície aterrada. É evidente, portanto, que tensões de toque superiores a 50 V são perigosas. Essa é uma preocupação relevante, pois, como mencionado, uma das desvantagens dos sistemas TT é que a confiabilidade dos eletrodos de aterramento não pode ser assegurada. 

Para proteger contra altas tensões de toque e garantir a detecção rápida de falhas de aterramento nos sistemas TT, a abordagem tradicional é monitorar a corrente neutra, normalmente com algum dispositivo de corrente 

residual (RCD). Infelizmente, essa abordagem por si só não é suficiente para oferecer proteção confiável com o mínimo de disparos indesejados e para auxiliar no diagnóstico de falhas. Isso acontece porque outros fenômenos de qualidade de energia, como cargas desequilibradas e harmônicos de sequência zero, também podem gerar fluxo de corrente no condutor neutro. 

No entanto, ao contrário das falhas de aterramento, cargas desequilibradas e harmônicos de sequência zero não provocam aumento na corrente de aterramento. Assim, monitorar tanto a corrente neutra quanto a corrente de aterramento não apenas ajuda a identificar falhas de aterramento, mas também a diferenciá-las de outros eventos relacionados à qualidade de energia. 

Além disso, medir a tensão entre o aterramento e o neutro fornece um indicativo da integridade da conexão de aterramento. Quanto pior a conexão – ou seja, maior a sua impedância – maior será a tensão entre os condutores de aterramento e neutro. 

Certamente, realizar medições instantâneas pontuais – como, por exemplo, para entender o motivo de disparos indesejados de um dispositivo de corrente residual – pode não detectar nem localizar uma falha de aterramento, já que essas falhas são frequentemente intermitentes. Essas falhas geralmente acontecem apenas quando um equipamento defeituoso é energizado ou na presença de umidade. A solução é utilizar um instrumento de registro para monitorar os circuitos afetados. A configuração adequada, utilizando um gravador com nove canais (quatro para tensão e cinco para corrente), está ilustrada na Figura 5. Essa configuração fornecerá informações detalhadas, permitindo uma detecção e diagnóstico de falhas rápidos e confiáveis.

Figura 5: Configurações para gravação com qualidade de energia de nove canais 

Nesta configuração, o canal de tensão 1 conecta-se entre a fase A e o neutro, o canal de tensão 2 entre a fase B e o neutro, o canal de tensão 3 entre a fase C e o neutro e o canal de tensão 4 entre o aterramento e o neutro. O canal de corrente 1 monitora a corrente na fase A, o canal de corrente 

2 na fase B, o canal de corrente 3 na fase C, o canal de corrente 4 no condutor neutro e o canal de corrente 5 no condutor de aterramento. Devem ser usados transformadores de corrente de baixa faixa (5 a 20 A) nos canais de monitoramento de corrente. 

Os resultados de um sistema de monitoramento desse tipo podem ser interpretados facilmente. Se a corrente de aterramento aumentar apenas quando um determinado item do equipamento for ligado (com a indicação de que a carga está sendo conectada, identificável por meio de medições individuais de tensão e corrente de fase), isso indicaria que a falha de aterramento está localizada nesse item. Se a corrente de aterramento aumentar durante clima úmido, isso provavelmente indica que a falha de aterramento é causada pela entrada de água em um cabo exposto. E se a tensão de aterramento subir excessivamente, isso indica que o eletrodo de aterramento necessita de atenção. 

Concluindo, em um sistema TT trifásico com ligação em estrela (Y), uma gravação de qualidade de energia com nove canais oferece diversas vantagens. É a melhor forma de identificar falhas de aterramento e diferenciá-las de outros fenômenos de qualidade de energia, identificar aterramentos inadequados e condições de segurança perigosas na presença de falhas de aterramento, detectar falhas intermitentes e determinar as fontes dessas falhas.