Proteção a sistemas elétricos de média tensão

Até recentemente, os engenheiros não trabalhavam muito frequentemente no projeto de sistemas de média tensão (MT), principalmente porque qualquer coisa acima de 600 V era tratada principalmente pelas concessionárias de energia elétrica. Com exceção dos grandes consumidores elétricos, como instituições governamentais, indústria de mineração, ou instalações industriais. Entretanto, nos últimos 15 anos, tem havido uma explosão de sistemas de distribuição elétrica de MT, utilizados em grandes complexos comerciais. Muitos destes complexos também têm edificações altas com tubulação de subida que dão atendem subestações da unidade em locais estratégicos, em vários níveis. Outra característica dos grandes complexos comerciais é a função da usina central com chillers de MT e subestações da unidade.

Este artigo analisa os requisitos de proteção contra sobrecorrente para transformadores de MT e a conexão de transformadores aos sistemas comuns de distribuição em MT. Os projetos de MT são subjetivos e determinados pela aplicação. A intenção é ilustrar índices mínimos do código elétrico e das normas que devem ser considerados na coordenação de dispositivos de proteção de MT. Dimensionar componentes de MT, como motores, geradores, transformadores, sistemas de cabos, a arquitetura dos sistemas de MT ou o projeto de esquemas de proteção complexos, como dispositivos religadores, intertravamentos de zona, proteção diferencial etc., está fora do escopo deste artigo.

Objetivos fundamentais

Existem três objetivos fundamentais para que a proteção contra sobrecorrente inclua proteção contra curto ao terra:

1. Segurança: Os requisitos de segurança pessoal somente são atendidos se os dispositivos de proteção forem dimensionados para transportar e interromper a corrente de carga máxima disponível, bem como suportar as correntes de falha máximas disponíveis. Os requisitos de segurança asseguram que os equipamentos têm capacidade suficiente para suportar a energia disponível máxima no pior caso.

2. Proteção dos equipamentos: Os requisitos de proteção são atendidos se os dispositivos contra sobrecorrentes estiverem configurados acima dos níveis de operação da carga e abaixo das curvas de dano aos equipamentos. A proteção do alimentador e do transformador é definida por normas aplicáveis para os equipamentos. As curvas de motores e geradores são específicas das máquinas e são normalmente fornecidas nos pacotes de documentação enviados pelo fornecedor.

3. Seletividade: Os requisitos de seletividade se destinam a limitar a resposta a falha ou sobrecarga no sistema para uma área ou zona de impacto específica, e limitar a interrupção do serviço ao mesmo dispositivo. A seletividade compreende duas principais categorias:

a. Devido às limitações de operação do sistema e a escolha dos equipamentos, a seletividade nem sempre é possível para sistemas não-emergenciais ou sistemas reserva opcionais.

b. NFPA 70: O National Electrical Code (NEC) exige seletividade nos seguintes casos:

i. Artigo 517.17(C): Seletividade para curto ao terra em hospitais

ii. Artigo 700.27: Coordenação de Sistemas de Emergência

iii. Artigo 701.27: Coordenação de Sistemas Reserva Exigidos por Lei

Exceção: O artigo 240.4A e 695 da NEC permitem que os condutores estejam sem proteção contra sobrecarga onde a interrupção do circuito pudesse criar um risco, tal como me bombas de incêndio. A proteção contra curto-circuito ainda é necessária.

Definição de MT

MT (média tensão) é um termo usado pelo setor de distribuição de energia elétrica. entretanto, existem várias definições.

A norma IEEE 141 divide as tensões do sistema em “classes de tensão”. Tensões de 600 V e abaixo são referidas como “baixa tensão”, tensões de 600 V a 69 kV são referidas como “média tensão”, tensões de 69 kV a 230 kV são referidas como “alta tensão”, e tensões de 230 kV a 1.100 kV são referidas como “tensão extra alta” e a tensão de 1.100 kV também é denominada de “tensão ultra-alta.”

Pela IEEE 141, os seguintes sistemas de tensão são considerados sistemas de MT:

O fabricante de fusíveis Littelfuse afirma em sua literatura que “os termos ‘média tensão’ e ‘alta tensão’ foram usados alternadamente por muitas pessoas para descrever fusíveis que operam acima de 600 V.” Tecnicamente falando, fusíveis de “média tensão” são aqueles destinados a uma faixa de tensão de 2.400 a 38.000 Vac. 

A Norma ANSI/IEEE C37.20.2 – Standard for Metal-Clad Switchgear define a faixa de MT como 4,76 a 38 kV.

Para este artigo, uma boa definição da faixa aplicável para MT é de 1 a 38 kVac, pois qualquer nível de tensão acima de 38 kV é uma tensão de nível de transmissão versus uma tensão de nível de distribuição.

Escolha da MT

A escolha da tensão de serviço é limitada pelas tensões que a concessionária elétrica fornece. Na maioria dos casos, há uma única opção de concessionária elétrica disponível e, tipicamente, existe um limite de escolha na tensão do serviço. Na medida em que mais energia é requerida, o mesmo acontece com a probabilidade de que a rede elétrica necessite de uma tensão de serviço mais elevada. Tipicamente, se a demanda máxima se aproximar de 30 MW, a concessionária elétrica geralmente pode exigir uma subestação local. A norma, entretanto, é que a concessionária elétrica fornecerá vários serviços de MT, que o engenheiro terá de integrar no sistema de distribuição MT de um proprietário.

Em alguns casos, a concessionária elétrica pode fornecer opções para a tensão do serviço. Neste caso, deve ser conduzida uma análise das opções para determinar a melhor opção para o projeto. Em geral, tensões de serviço mais elevadas resultam em mais despesa com equipamentos. Os custos de manutenção e de instalação também aumentam com tensões de serviço mais altas. Entretanto, para empreendimentos de grande porte, equipamentos como grandes motores, podem requerer uma tensão de serviço de 4.160 V ou maior. A confiabilidade do serviço tende a crescer, à medida que as tensões de serviço aumentam.

Ao se conectar a uma rede elétrica existente, a concessionária normalmente informa os requisitos da interconexão, incluindo os dos dispositivos de proteção. A concessionária elétrica incluirá os parâmetros de configuração e as limitações, com base no fabricante dos dispositivos de proteção.

Proteção de transformadores de MT

Para fins da nossa análise, considere um transformador de tamanho adequado com uma potência nominal conhecida. Para ser claro, um transformador corretamente dimensionado e avaliado inclui as seguintes características:

• Capacidade adequada para a carga a ser alimentada
• Capacidade adequada para sobrecarga temporária (tamanho ou especificações em KVA)
• Tensões primárias ou secundárias corretamente especificadas para o sistema de distribuição elétrica.
• Se transformadores do tipo seco ou preenchidos com líquido foram corretamente selecionados para a aplicação.

O código NEC 2011 estabelece que os transformadores devem ser protegidos contra sobrecorrente (NEC Artigo 450.3). Além disso, o Artigo 450.3(A) da NEC trata especificamente de transformadores com mais de 600 V, para incluir os transformadores de MT.

Transformadores trifásicos de MT são obrigados a ser equipados com dispositivos de proteção contra sobrecorrente (OPD) no primário e no secundário, principalmente porque os condutores do primário e secundário não são considerados protegidos pela proteção de sobrecorrente primária. Isto é especialmente verdadeiro para a rede primária em configuração triângulo e secundário em estrela, onde uma curto ao terra no secundário pode não desarmar a proteção do primário. O artigo 240.21 (C)(1) e o Artigo 450.3(A) da NEC confirmam que essa afirmação é verdadeira.

Embora os enrolamentos do primário sejam dimensionados para MT, o projetista deve escolher ou fusíveis ou disjuntores para protegerem o transformador. Como regra geral, transformadores de 3.000 kVA ou menores, instalados como uma unidade autônoma ou como subestações de unidades, são geralmente protegidos por fusíveis. Proteções com disjuntores de MT são usadas para transformadores maiores que 3000 kVA.

Ao contrário de fusíveis e disjuntores de 600 V típicos, os disjuntores de MT dependem de dispositivos separados, como transformadores de corrente (TC), transformadores de potencial (TP), e relés de proteção para fornecer a proteção contra sobrecorrente. A maioria dos relés modernos é do tipo multifuncional com a proteção designada por números que se correlacionam com as funções que eles executam. Estes números são baseados em normas da IEEE reconhecidas mundialmente, conforme definido na Norma IEEE C37.2. Uma amostra de alguns números de funções de proteção que são usados nessa norma é mostrada na Tabela 1.

Vários fatores influenciam as configurações da proteção do transformador:

• A proteção contra sobrecorrente necessária para transformadores é considerada proteção somente para o transformador. Tal proteção contra sobrecorrente não protege necessariamente os condutores do primário e do secundário, ou os equipamentos conectados no lado secundário do transformador.
• É importante notar que o dispositivo contra sobrecorrente no lado primário deve ser dimensionado com base na especificação em kVA do transformador e com base na carga do secundário do transformador.
• Antes de se determinar o tamanho ou a capacidade dos dispositivos contra sobrecorrente, deve-se observar que as Notas 1 e 2 da Tabela 450-3 (A) da norma NEC permitem que a especificação ou a configuração do dispositivo de proteção contra sobrecorrente (OPD) do primário e/ou do secundário seja aumentada para o próximo padrão ou configuração mais elevada, quando o valor calculado não corresponder a uma especificação ou configuração padrão.
• Quando a tensão é ligada para energizar o transformador, o núcleo do transformador normalmente satura, o que resulta em uma corrente de partida elevada. Para acomodar essa corrente de partida, a proteção contra sobrecorrente é selecionada normalmente com valores de tempo/corrente admissível de, pelo menos, 12 vezes a corrente nominal do primário do transformador, para 0,1 s e 25 vezes para 0,01 s.
• Os engenheiros devem garantir que as configurações para o esquema de proteção estejam abaixo das curvas de dano por curto-circuito, conforme definido na norma ANSI C57.109 para transformadores de potência a óleo e na norma ANSI C57.12.59 para transformadores de potência do tipo seco.
• As curvas dos relés de proteção não podem ser utilizadas da mesma forma que as curvas de disjuntores ou fusíveis de baixa tensão. A curva do relé de proteção representa somente a ação de um relé calibrado e não se responsabiliza pelas ações do disjuntor associado ou pela precisão dos transformadores de corrente que conectam o relé ao circuito monitorado.

A curva representa a operação ideal do relé, e as tolerâncias de fabricação não são refletidas na curva. Para coordenar um relé de sobrecorrente com outros dispositivos de proteção, uma margem mínima de tempo deve ser incorporada entre as curvas. A tabela 15.1 da norma IEEE 242, margens recomendas para o tempo de retardo do relé estão na Tabela 2.

Fusíveis e painel de distribuição

Fusíveis de potência Categoria E são tipicamente utilizados em transformadores que alimentam comutadores com fusíveis. O objetivo do fusível é permitir a plena utilização do transformador e proteger o transformador e os cabos contra falhas. Para alcançar este objetivo, a curva do fusível deve estar à direita do ponto de corrente de partida do transformador e à esquerda da curva de danos em cabos. Tipicamente, o fusível cruzará a curva de danos ao transformador na região do tempo longo (região de sobrecorrente). O dispositivo principal do secundário fornece proteção contra sobrecorrente para o circuito. Fusíveis Categoria “E” devem ser sempre maiores que a corrente de carga total (FLA) do transformador. A curva de dano aos cabos deve estar acima da corrente máxima de falha em 0,01 s.

Para transformadores de 3 MVA e menores, esquemas padrão de proteção contra sobrecorrente para disjuntores de painéis de distribuição de MT devem incluir uma combinação de relé instantâneo e relé para sobrecorrente e (dispositivo 50/51). Par transformadores maiores que 5 MVA, os esquemas de proteção se tornam mais complexos. Os números de dispositivos IEEE da norma IEEE C37.2 são usados para delinear o esquema de proteção. Disjuntores de MT para transformadores podem conter os seguintes números de dispositivo de proteção:

Em sistemas de MT, transformadores de corrente (TCs) conectam dispositivos de proteção ou de medição. Os TCs se conectam aos dispositivos eletrônicos e ao primário do sistema de MT. Os níveis de tensão e corrente do primário de MT são perigosamente altos e não podem ser conectados diretamente a um relé ou medidor. Os TCs proporcionam isolamento contra os níveis de alta tensão e corrente dos cabos e transformam a corrente do primário em um nível de sinal que pode ser processado por relés/medidores sensíveis. A corrente nominal do secundária é comumente de cinco amperes, embora correntes inferiores, como 1 ampere, não sejam incomuns.

Os TCs dos relés de proteção devem fornecer cerca de 5 amperes ou menos em boas condições de carga. A corrente irá para um nível mais elevado quando ocorrer uma falha. Pela norma ANSI C57.13, o secundário da classe de TCs de proteção normais deve suportar até 20 vezes, por um curto período de tempo, sob condições de falha. Como consequência, TCs de proteção são precisos o suficiente para acionar um conjunto de instrumentos de indicação, mas não tem precisão suficiente para medição de consumo de energia acumulada, para fins de faturamento.

Outros fatores a serem considerados:

• Os TCs para relés de proteção devem ser dimensionados entre 150% a 200% da corrente de carga total (FLA).
• Ao contrário dos fusíveis e disjuntores de baixa tensão, os disjuntores de MT não possuem disparos fixos. As configurações não correspondem àquelas listadas como padrão na NEC [Artigo 240-6(a) da NEC]
• O dispositivo 51, de sobrecorrente, deve ser configurado entre 100% a 140% da FLA e abaixo da ampacidade dos cabos do transformador.
• O temporizador deve ser ajustado abaixo da curva de dano ao transformador e acima do disjuntor principal do secundário.
• O disparo instantâneo, dispositivo 50, deve ser ajustado abaixo das curvas de danos ao transformador, abaixo da curva de danos aos cabos no ponto de 0,1 s, e aproximadamente com 200% da corrente de partida. Adicionalmente, o engenheiro deve assegurar que o ajuste não exceda a corrente de falha disponível máxima, caso contrário o dispositivo o disparo instantâneo perderá sua função.
• Para os alimentadores de emergência e os de reserva exigidos legalmente, os artigos 700.26 e 701.26 da NEC estabelecem que o dispositivo de curto ao terra seja apenas um alarme. Para sistema de MT, pode haver consequências negativas significantes. A instalação de um resistor de aterramento no neutro deve ser considerada para limitar correntes de falha ao terra a um nível seguro, para sistemas de geração em MT.

Painel de distribuição de baixa tensão

Os esquemas de proteção padrão do setor para o secundário do transformador incluem um disjuntor equipado com funções de tempo longo, tempo curto, instantâneo, e de falha ao terra.

Os artigos 215.10, 230-95, e 240.13 da norma NEC requerem proteção de falha ao terra para sistemas em configuração estrela aterrados solidamente, para circuitos com mais de 150 V ao terra, o que inclui sistemas de 277/480 V, conectados em “estrela”. O relé ou sensor de falha ao terra deve ser configurado para captar faltas ao terra de 1.200 amperes ou mais, e acionar o comutador principal ou o disjuntor para desconectar todos os condutores não aterrados do circuito em falha, em um 1 s, no máximo.

Para hospitais, a subestação que alimenta o sistema de distribuição é tipicamente com transformadores a óleo com primário/secundário de 480/277 V MT, conectados a painéis de distribuição com ambos os disjuntores – o principal e o do alimentador. Os painéis de distribuição devem ser equipados com detecção de falha ao terra de dois níveis, em conformidade com o artigo 517.17 (B) da NEC. O artigo 517.17 (B) requer que, tanto o disjuntor principal como o primeiro conjunto de OPDs a jusante do disjuntor principal tenham proteção de falha ao terra. Além disso, a proteção contra falha ao terra deve ser coordenada seletivamente pelo artigo 517.17 (C) da NEC.

Para os alimentadores de emergência e os de reserva exigidos legalmente, os artigos 700.26 e 701.26 da NEC estabelecem que o dispositivo de curto ao terra seja apenas um alarme.

Para circuitos no lado normal, a montante de um comutador de transferência automática (ATS), a proteção contra curto ao terra é exigida pelo artigo 230.95 da NEC.

As configurações sugeridas são:

• Dispositivo 51 ou função detecção de tempo longo (LTPU): Recomenda-se de 100% a 125% da FLA do transformador e ajuste abaixo das curvas de danos ao transformador e aos cabos.
• Tempo longo de retardo (LTD), STPU e Tempo curto de retardo (STD): Ajuste para coordenar com os dispositivos a jusante e abaixo da curva de danos ao transformador.
• Dispositivo 50 ou instantâneo: Ajuste para coordenar abaixo da curva de danos aos cabos e deve ser acima da corrente máxima de falta, na curva de liberação total do disjuntor.

Proteção para o sistema de distribuição de MT

Após a proteção dos transformadores de média tensão ter sido configurada, o próximo passo é conectar vários transformadores a um sistema de distribuição e na rede elétrica da concessionária. Em projetos de distribuição, os três objetivos ainda se aplicam:

1. Segurança à vida
2. Proteção dos equipamentos:
3. Seletividade:

Por exemplo, se os requisitos da NEC para a proteção de transformadores contra sobrecorrente são considerados sem consultar as normas aplicáveis e os requisitos do código, o sistema pode tratar questões relativas à proteção de transformadores, mas os outros elementos do sistema de distribuição (como os alimentadores que conectam o(s) transformador(es) ao sistema de distribuição) podem não estar protegidos de acordo com o código.

O artigo 450 é específico e limitado aos requisitos concernentes ao transformador. A ampacidade de condutores de MT que alimentam o transformador e se estendem a partir do mesmo, assim como a necessária proteção contra sobrecorrente dos condutores e equipamentos, são tratadas nos artigos a seguir:

• Os artigos 240-100 e 240-101 da NEC aplicam-se à proteção contra sobrecorrente de MT acima de 600 V para alimentador e circuito de ramais.
• O artigo 310.60 (C) da NEC e as Tabelas 310.77 até 310 lista aa ampacidade de condutores de MT de 2001 a 35000 V.
• O artigo 210.9 (B) (1) da NEC requere que a ampacidade dos condutores do circuito de ramais elétricos não seja inferior a 125% da carga potencial do projeto.
• O artigo 493.30 da NEC relaciona os requisitos para painéis de distribuição em gabinete de metal.
• A Seção II da NEC (artigos 300.31 até 300.50) trata de métodos de cabeamento de MT.
• O artigo 310.10 da NEC requer cabo de MT blindado para distribuição acima de 2000 V.
• O artigo 490.46 da NEC determina que disjuntores de MT devem ser capaz de ser bloqueado ou, se instalado em um mecanismo extraível (gaveta), o mecanismo deve ser capaz de ser bloqueado.
• O artigo 215.2 (B) (1) a (3) da NEC descreve a bitola dos condutores de aterramento do circuito.
• O artigo 490 da NEC trata dos equipamentos, acima de 600 V de tensão nominal.

Detecção de corrente com carga fria é definida a seguir: Sempre que um serviço for interrompido para um alimentador de distribuição durante 20 minutos ou mais, pode ser extremamente difícil re-energizar a carga sem disparar os relés de proteção ou queimar os fusíveis. Isto acontece por causa do fluxo de corrente de partida elevado, fora do normal, que resulta da perda de diversidade das cargas. A corrente de partida elevada é causada por:

• Correntes magnetizantes de partida em transformadores
• Correntes de partida dos motores
• Corrente para elevar a temperatura de lâmpadas e elementos de aquecedores.

Pelo artigo 240.101 da NEC, o valor nominal em ampères em condição constante de um fusível não deve exceder três vezes a ampacidade dos condutores, e o valor nominal em ampères em condição constante, de um disjuntor, não deve exceder seis vezes a ampacidade do condutor.

Na prática industrial, um ajuste do relé de alimentador, de 200% a 400% da carga total é considerado razoável. Entretanto, a menos que sejam tomadas precauções, este ajuste pode ser muito baixo para prevenir o mal funcionamento do relé quando ocorrer correntes de partida após uma queda de energia. Aumentar essa configuração pode restringir a proteção ao alimentador ou impedir uma configuração razoável de fusíveis e relés de proteção a montante ou lado de alimentação. Uma solução satisfatória para este problema é o uso de curvas de relé extremamente inversas. O ajuste de relé extremamente inverso é superior, pois o tempo de liberação da falha, substancialmente mais rápido, é alcançado nos níveis de corrente mais elevadas.

O problema de ajustar a sensibilidade do relé de falha ao terra para incluir todas as falhas, mesmo não disparando para correntes de carga elevada ou de partida, não é tão grande quanto é para os relés de fase. Se a carga trifásica estiver balanceada, as correntes normais ao terra ficam próximas a zero. Entretanto, o relé de corrente ao terra não deve ser afetado pelas correntes de carga. Para sistemas de distribuição balanceados, o relé de falha ao terra pode ser configurado para acionar em valores baixos, por volta de 25% da corrente de carga. Se as cargas trifásicas estiverem desbalanceadas, então o relé de falha ao terra deve ser configurado para acionar perto de 50% da corrente de carga.

Sob uma condição de falha, a corrente de falha pode facilmente exceder a capacidade de proteção da fita de blindagem do cabo ou do cabo concêntrico do neutro ao terra; Assim, é necessário um fio terra separado. Por exemplo, a Southwire Co. publicou que a capacidade de corrente de curto-circuito de fitas de blindagem deve ser de 1893 ampères com 12,5% de sobreposição da fita e 2045 ampères com 25% de sobreposição da fita. Grande parte das correntes de curto-circuito em sistemas de distribuição de MT, devido a um aterramento sólido, podem ser bem maiores que 10.000 A. Além disso, o artigo 215.2 (B) da NEC requer um terra separado para conduzir correntes de curto circuito. É necessário que o condutor terra seja da bitola estabelecida pela Tabela 205.122.

Para os esquemas de coordenação apresentados nos exemplos, as curvas de disparo do disjuntor ou do fusível não se sobrepõem. Na prática, pode haver esquemas de proteção não seletivos sobrepostos. Nos casos que envolvem dispositivos de proteção redundantes, a operação não seletiva de um disjuntor é de pouca ou nenhuma preocupação. Dispositivos de proteção são redundantes – não importa qual dispositivo abra, a mesma interrupção ocorre. Para melhorar a proteção e coordenação geral do sistema, os dispositivos redundantes são configurados intencionalmente para se sobreporem (isto é, coordenados de forma não seletiva em relação aos outros).

Para sistemas de média tensão mais complexos, um engenheiro de proteção de sistemas deve ser consultado.