Quando consultados, os engenheiros podem mencionar relés, disjuntores ou transformadores de corrente (CTs) para discutir como a proteção contra falhas à terra é realizada. No entanto, a decisão real sobre a intensidade da falha e se toda a instalação será desligada ou apenas um alimentador é feita por um resistor. O resistor de aterramento neutro (NER) é considerado um dos componentes mais críticos relacionados a sistemas de média tensão (MV), no entanto, há pouca informação sobre ele para pessoas fora da engenharia elétrica. Este artigo aborda o que é NER, como funciona, suas partes, como escolher NERs e quanto custa.
Resposta rápida: NER/NGR ou resistor de aterramento neutro significa um resistor que conecta o neutro do gerador ou transformador ao solo. Este dispositivo tem como objetivo restringir a corrente de falha à terra de curto-circuito monofásico dentro de limites que são aceitáveis e gerenciáveis, ou seja, na faixa de dezenas ou centenas de amps, em vez de milhares.
O que é um Resistor de Aterramento Neutro?
Um resistor de aterramento neutro é exatamente o que parece: um resistor conectado entre o ponto de neutralidade de um gerador ou transformador e o solo em sistemas que possuem condutores neutros (bobinas conectadas em estrela). É um elemento inserido no circuito para limitar o fluxo de corrente de falha à terra em casos em que uma das fases toca o solo. A quantidade de corrente limitada é grande o suficiente para que o relé reaja a ela e pequena o suficiente para não danificar cabos de energia ou afetar pessoas.
O resistor de aterramento neutro ocupa uma posição intermediária em comparação com dois extremos, a saber, sistemas aterrados de forma sólida (onde as correntes de falha da falha à terra podem atingir milhares de Amperes) e sistemas não aterrados (sem o neutro aterrados intencionalmente e, portanto, falha à terra invisível). Um resistor de aterramento neutro permite controlar o fluxo da corrente de falha à terra, detectar falhas e transientes de sobretensão.
A visão mais ampla do aterramento — por que e como os neutros dos transformadores são aterrados — é abordada em nosso fundamentos de aterramento de transformadores artigo; o NER é o componente que faz uma filosofia de aterramento específica funcionar.
Como Funciona
Considere a situação em que há uma falha de fase C para terra em um transformador conectado em formação Y. O caminho da corrente de falha consiste em: o ponto de falha, o solo, NER, neutro do transformador e bobina da fase C. Há um resistor no NER e, de acordo com a lei de Ohm, a solução é evidente.
De acordo com a fórmula apropriada (de fato IEEE Std 32): R = Vln / (√3 × If), onde Vln representa as tensões de linha do sistema entre fases e If refere-se ao valor desejado da corrente de falha à terra. Em outras palavras, se tomarmos para cálculo o caso do sistema de 6kV com o conector resistivo tendo uma resistência de 10 Ohm, a corrente de falha cai de 1000 A em um sistema efetivamente aterrado para cerca de 346 A, que ainda é suficiente para disparar o relé, mas baixa o suficiente para permitir que cabos, equipamentos de manobra e a área de falha sejam recuperáveis, apesar dos danos.
Há três coisas acontecendo simultaneamente durante um evento de falha. A corrente é limitada pelo resistor, as tensões são determinadas pela unidade NER apropriada permitindo que o relé de proteção detecte a falha corretamente, e a energia da falha é dissipada no resistor na forma de calor, o que comprova o fato de que os NER são classificados apenas para curto prazo, mas não para operação contínua.
Tipos de NER
Os NERs são classificados dependendo da quantidade de corrente de falha que permitem, e a escolha do tipo de NER é uma decisão guiada pela filosofia de proteção em vez de custo:
| Tipo | Corrente de Falha | Comportamento em Falha | Aplicação Típica |
|---|---|---|---|
| NER de baixa resistência (LRG) | 100-1.000A (alguns designs até 2.500A) | O relé dispara rapidamente; alimentador isolado | Redes de utilidade MV e industriais, aterramento de geradores |
| NER de alta resistência (HRG) | ≤10A | Sem disparo; apenas alarme; o sistema continua funcionando | Plantas de processo contínuo, onde a parada é pior do que uma falha |
| Conectado permanentemente | — | Sempre em circuito | Subestações e redes industriais sensíveis |
| Conectado temporariamente / portátil | — | Conectado durante falhas, ou usado para testes | Comissionamento, manutenção, trabalho de campo |
Ao tomar uma decisão entre LRG e HRG, a questão a ser respondida é se a parada é pior do que a falha. Se um alimentador de utilidade pode suportar uma curta interrupção, ele optará pelo LRG, que é rápido e seletivo. Se uma planta química estiver envolvida em atividades onde uma parada não planejada possa resultar na solidificação de material, então o HRG será escolhido para permitir que a falha seja reconhecida enquanto a instalação se prepara para uma parada ordenada. Para a coordenação de proteção em torno dessas escolhas, nosso fundamentos de proteção contra falhas à terra artigo mostra como o valor do resistor e as configurações do relé trabalham juntos.
Componentes e Construção
Um sistema NER moderno compreende mais do que apenas um elemento resistor embalado em uma caixa. Aqui está do que uma unidade típica consiste:
- Os elementos resistivos: grades de aço inoxidável (304/316/316L) para a maioria dos casos, liga níquel-cromo (Cr20Ni80) para áreas desafiadoras ou ferro-cromo-alumínio (FeCrAl) para designs econômicos. Elementos de aço inoxidável são capazes de operar em modos de curto prazo a não mais de 760ºC (IEEE 32) e ≤385ºC sob operação contínua.
- Sistema de isolamento: o sistema deve atender aos requisitos de tensão e ser eficaz tanto na resistência à frequência de potência quanto no nível de impulso básico (BIL) em relação às características da rede (por exemplo, um NER de 10 kV deve ser capaz de suportar 42 kV na frequência de potência e 75 kV de impulso).
- Invólucro: IP20/IP23 para uso interno e IP54/IP55 com ventilação em grelha para uso externo.
- Dispositivos de monitoramento: incluindo um transformador de corrente para medição de corrente de falha, um isolador ou contator a vácuo para desconectar o NER e um dispositivo de monitoramento NGR com resistência de circuito aberto, temperatura PT100 e gravadores de eventos.
Quando você compra um NER, o transformador de corrente interno é uma parte pequena, mas crítica — é o que o relé lê, e o gama de produtos do transformador de corrente explica a família de CT e suas classificações.
O Símbolo e a Posição do Circuito
Em diagramas unifilares, o resistor de aterramento neutro (NER) é representado pela notação do resistor (seja retângulo ou zig-zag) conectando um terminal ao ponto neutro do transformador ou do gerador e o outro terminal ao símbolo de aterramento (a forma triangular de três linhas). Nesses casos em que o ponto neutro não está presente (conexão delta), um transformador de aterramento é usado para criar o ponto neutro; posteriormente, o NER é conectado a esse neutro. Em todos os casos, o resistor está sempre conectado entre o ponto neutro e a terra e nunca em série com os condutores de fase.
Se alguém olhar para desenhos de projetos de transformadores ou geradores, o NER pode ser encontrado no diagrama de aterramento neutro junto com o transformador de corrente neutro (CT), o interruptor de aterramento e a proteção do barramento neutro, provando assim o conceito de aterramento de uma só vez.
Como Dimensionar e Selecionar um NER
Escolher a unidade certa é um processo de seis etapas, omitir qualquer uma delas pode comprometer a segurança ou levar a custos elevados:
- Tensão nominal — a tensão medida da terra à fase no sistema (Vln), bem como a tensão de impulso suportada que atende aos requisitos da instalação.
- A corrente de falha alvo (If) deve ser maior que a corrente de carga capacitiva do sistema (para evitar arco elétrico ou sobretensão de ressonância), mas menor que os limites da capacidade térmica de cabos e equipamentos, enquanto ainda está consideravelmente acima da ativação do relé (não menos que 10A).
- Valor da resistência = R = Vln / (√3 × If).
- Classificação de tempo = 10s-30s para LRG, contínua no caso de HRG e levando à determinação do projeto térmico e classificação de energia I²t (por exemplo, capaz de suportar 400 kA²s a 10kA/0.4s).
- Material dos elementos = aço inoxidável para aplicações gerais, ligas de níquel-cromo para uso em regiões costeiras.
- Invólucro e monitoramento = se será interno ou externo, e valor do CT e unidades de monitoramento integradas (grau de proteção IP).
Além disso, há uma recomendação prática da IEEE 32 sobre o uso da classificação contínua de um sistema saudável = 5%-10% de corrente de carga total para instalações que estão constantemente conectadas. E ao escolher o dispositivo, sempre indique a duração: “classificação de 10 segundos, 400A” é um produto completamente diferente de “contínuo, 10A” – um exemplo de erro de especificação. Para ajuda na transformação de um estudo de sistema em uma especificação de componente, entre em contato com nossa equipe de engenharia com sua tensão, filosofia de aterramento e configurações de proteção.
Benefícios e Comparação com Outros Aterramentos
Quais são as vantagens de usar NER em vez de um sistema de aterramento sólido ou nenhum sistema de aterramento?
| Método de Aterramento | Corrente de Falha | Detecção de Falhas | Controle de Sobretensão | Continuidade |
|---|---|---|---|---|
| Aterramento sólido | Muito alto (1.000s A) | Excelente | Boa | Desliga em caso de falha |
| NER (LRG) | 100-1.000A | Excelente | Bom (supressão de arco) | Desliga em caso de falha, seletivamente |
| NER (HRG) | ≤10A | Baseado em alarme | Excelente | Continua funcionando |
| Não aterrado | Nenhum (primeira falha) | Ruim | Ruim — sobretensões de arco | Funciona, mas perigosamente |
A principal vantagem de usar NER é a segurança (a tensão de toque máxima é inferior a 50V conforme IEC 60479), proteção contra danos ao equipamento (não haverá sobretensões de ordem de quilovolt), limitação de danos quando a falha ocorre (a corrente de falha será limitada), proteção seletiva (o relé funcionará sem operação desnecessária) e estabilidade do sistema (as fases não falhas terão tensões iguais até 10% da tensão normal, o que significa que mais de 90% do sistema estará operando). Em casos em que qualquer tempo de inatividade não é aceitável para o negócio, o uso de NER é a diferença entre uma parada não planejada e a ocorrência de um alarme controlado.
Faixas de Preço
O preço do NER depende do grau de tensão, classificação de corrente e do tempo de classificação, bem como de quaisquer acessórios necessários.
| Configuração | Preço típico |
|---|---|
| Unidade HRG de baixa tensão (pequena, interna) | $1,500-5,000 |
| NER de média tensão, classificação de 10s, invólucro básico | $3,000-12,000 |
| NER de média tensão com CT + unidade de monitoramento | $8,000-20,000 |
| Unidade de alta especificação (classe 35kV, elementos de NiCr, externa IP55, monitoramento completo) | $15,000-30,000+ |
Além disso, haverá custos de instalação, como contratação de uma equipe licenciada, terminações de cabos e testes de comissionamento, todos os quais adicionarão aproximadamente 10%-25% aos seus custos totais. Além disso, comprar o resistor e o relé de uma única fonte garantirá a compatibilidade das peças em seu sistema.
Perguntas Frequentes
Qual é a diferença entre aterramento e resistência neutra?
O aterramento representa a prática usual de fazer conexões para segurança, conectando o ponto neutro, estruturas e invólucros do sistema. Por outro lado, a resistência neutra é o método em que um resistor é usado entre o neutro e o terra para limitar a corrente de falha à terra. O aterramento por resistência é um dos tipos de filosofia de aterramento, enquanto outros incluem aterramento sólido, aterramento por impedância e sistemas não aterrados.
Como calcular o resistor de aterramento neutro?
O cálculo deve ser feito usando a seguinte fórmula R=Vln/(√3 × If), onde Vln é a tensão entre duas fases de uma fonte de alimentação e If é a corrente de falha à terra selecionada. A corrente de falha à terra selecionada deve ser maior que a corrente capacitiva do sistema e não maior que os limites do cabo e do equipamento, e significativamente maior que a corrente captada pelo relé. Depois, o limite de energia I²t da unidade deve corresponder ao comprimento da falha.
Por que estou obtendo 230V entre neutro e terra?
A tensão de neutro a terra em condições de funcionamento adequadas deve ser igual a zero devido à conexão do neutro ao terra. O valor de 230 volts observado por um longo período indica uma conexão de neutro a terra perdida ou de alta resistência, ou um neutro ausente em um circuito de múltiplos fios ou um neutro desconectado em um sistema devidamente aterrado. Todas essas situações devem ser verificadas por um eletricista ou engenheiro qualificado.
Qual é o propósito do aterramento neutro?
O aterramento neutro permite vincular a tensão do sistema a algum ponto de referência, de modo que as tensões entre fases e terra possam ser previstas e falhas detectadas.
Referências
- OMO — Guia Completo sobre a Tecnologia de Resistores de Aterramento Neutro
- DiGi Electronics — Guia de Resistores de Aterramento Neutro
- Orion Resistors — Calculando Resistores de Aterramento Neutro (6kV-35kV)
- Captech — O que é um Resistor de Aterramento Neutro?
- IEEE Std 32 — Requisitos, Terminologia e Procedimentos de Teste para Dispositivos de Aterramento Neutro
Conclusão
O resistor de aterramento neutro é o dispositivo discreto que decide o destino de uma falha de aterramento, determinando se isso seria uma ocorrência gerenciável e reconhecível em oposição a um arco elétrico ou uma interrupção total da planta. A essência do resistor de aterramento neutro pode ser brevemente descrita em termos da lei de Ohm — R = Vln / (√3 × If). Além disso, o princípio do aterramento neutro é realizado de duas maneiras. O primeiro método é o sistema de aterramento de baixa resistência que desarma em 100-1.000 A, enquanto o segundo método é o sistema de alta resistência que opera abaixo de 10 A, permitindo alarmar o usuário, mas não interrompendo o processo. No total, seis parâmetros devem ser considerados ao selecionar um resistor de aterramento neutro seguro e eficiente: tensão, corrente de falha, resistência, classificação de tempo, material do componente e material da carcaça; assim, se algum dos parâmetros estiver incorreto, o dispositivo de segurança se torna um perigo de incêndio. O preço do resistor de aterramento neutro é cerca de $1.500 para um pequeno dispositivo de LV e acima de $30.000 para um sistema de 35kV totalmente monitorado, o que o torna uma das formas menos caras de seguro para um sistema de energia elétrica, que poderia salvar geradores e transformadores valiosos, bem como resolver a questão da ocorrência de um acidente que os teria destruído.