Desequilíbrio de fase: causas e proteção

Nem eletrodomésticos nem equipamentos de produção podem operar sem uma fonte de alimentação estável. O desequilíbrio de carga e tensão ou desequilíbrio de fase é a principal causa de falhas e quebras. Esse fenômeno pode e deve ser combatido, o que exige um amplo conhecimento das regras de funcionamento de uma rede elétrica trifásica..

Desequilíbrio de fase: causas e proteção

Uma excursão pela teoria da engenharia elétrica

O sistema CA trifásico foi introduzido na indústria há mais de um século, praticamente na forma em que sobrevive até hoje. O principal desenvolvedor da rede trifásica é considerado Mikhail Osipovich Dolivo-Dobrovolsky – um cientista doméstico que tomou as idéias de Nikola Tesla como base para seus desenvolvimentos.

Desequilíbrio de fase: causas e proteção

As vantagens de uma rede trifásica são óbvias: se, durante a rotação do campo magnético, uma corrente aparecer de forma simétrica e consistente no enrolamento tripolar do gerador, sua forma pode ser facilmente usada para reverter a conversão de energia elétrica em rotação. Na era do desenvolvimento do progresso científico e tecnológico, a capacidade de usar máquinas elétricas livremente era extremamente importante, e continua sendo..

Desequilíbrio de fase: causas e proteçãoUnidade de fonte de alimentação garantida AGM-7.5

No entanto, o sistema de alimentação trifásico tem suas desvantagens. As tensões em cada uma das fases são interligadas pelo coeficiente de simetria. Em uma rede trifásica, dois tipos de tensões elétricas são distinguidos: linear, atuando entre fases, e fase, que é medida entre a fase e o fio neutro. Se a carga em cada fase for a mesma (simétrica), a tensão da linha é v3 vezes a tensão da fase. Dado que a inversão da polaridade da tensão em cada fase se alterna com o resto e se sobrepõe parcialmente no tempo, desnivelamentos significativos na distribuição das cargas levam a um funcionamento instável de todo o sistema.

Causas e consequências do desequilíbrio de fase

Com o aparecimento de assimetria de carga, observa-se uma perda de tensão de fase em uma das fases, enquanto a tensão da rede permanece constante. O circuito segundo o qual as cargas trifásicas são conectadas pode ser considerado um divisor de tensão: sua queda na fase mais carregada será máxima devido à baixa resistência, enquanto nas fases menos carregadas a tensão aumentará e tenderá a linear. Em outras palavras, a tensão entre as fases é distribuída em proporção à carga conectada.

Desequilíbrio de fase: causas e proteção

Vemos isso nas redes elétricas domésticas: todos os consumidores estão conectados a diferentes fases, mas não há garantia de que com uma estrita individualidade dos modos de operação e da potência do equipamento elétrico, a carga será distribuída uniformemente. Portanto, o esquema mais comum para conectar cargas em uma rede trifásica, denominado “estrela”, é complementado com um fio neutro conectado a um ponto central e eletricamente conectado ao sistema de aterramento. Graças a esta adição, o efeito de cargas desequilibradas nas tensões de fase é significativamente reduzido, enquanto a eficiência de equalização é altamente dependente da condutividade do condutor neutro..

Desequilíbrio de fase: causas e proteção

Se a condutividade for insuficiente ou o fio neutro for cortado, o desequilíbrio da carga aumenta novamente e causa uma distribuição desigual das tensões de fase. Este modo de operação da rede elétrica está repleto de consequências graves: com um aumento na tensão em cada consumidor ativo, a intensidade da corrente aumenta até os valores limites, os filtros capacitivos dos dispositivos de conversão de energia falham, a probabilidade de quebra de isolamento aumenta, superaquecimento e um aumento nas correntes parasitas são observados em motores trifásicos. Uma ruptura zero na rede municipal certamente causará danos a aparelhos elétricos conectados a uma filial desprotegida, mesmo que não estejam funcionando no momento. Freqüentemente, os danos ao equipamento são irreversíveis; além disso, a probabilidade de um incêndio aumenta significativamente. O desequilíbrio de fase também afeta negativamente as fontes de alimentação trifásicas – transformadores abaixadores e geradores trifásicos..

Restauração de fio neutro

Para transmitir eletricidade por longas distâncias, são utilizadas tensões colossais, devido às quais é possível reduzir a seção transversal dos condutores a valores razoáveis. Conforme você se aproxima do consumidor, há uma diminuição gradativa na tensão usando transformadores de energia e uma ramificação gradual da rede elétrica. Não há necessidade de conectar os transformadores com um fio neutro, um condutor tão maravilhoso, pois a crosta terrestre cumpre perfeitamente essa tarefa. Portanto, uma quebra de zero pode ocorrer apenas no estágio final da transformação: uma subestação abaixadora de 6-0,4 kV ou em qualquer ponto da rede de distribuição de baixa tensão.

Desequilíbrio de fase: causas e proteção

Para descobrir onde é possível uma quebra no fio neutro, vamos ver um exemplo clássico – uma rede de alimentação trifásica de um prédio de apartamentos. Um cabo de três núcleos e um barramento de aterramento comum podem ser instalados no canal técnico conectando as áreas de piso. Também é possível conectar o barramento neutro ao loop de aterramento da subestação usando o quarto núcleo do cabo. Em quase todos os casos, é bastante simples determinar o local da ruptura, basta apenas medir o potencial elétrico entre o barramento zero e o terra com um voltímetro. Caso o dispositivo apresente valores próximos ao desvio da tensão de fase da norma, então o local do dano deve ser procurado mais cedo conforme o esquema, movendo-se em direção à subestação.

Desequilíbrio de fase: causas e proteção

Este não é o caso das linhas elétricas aéreas. O neutro acompanha os fios da fase ao longo de toda a extensão da rede de distribuição, partindo da subestação ou transformador. Naturalmente, ninguém medirá independentemente a tensão entre o condutor neutro e o terra em cada pólo da linha de transmissão aérea. A pausa pode ser determinada apenas visualmente, e ainda melhor – pelas forças dos trabalhadores do serviço de emergência. Além disso, ressaltamos que não faz sentido aterrar de forma independente o condutor neutro da sua área de responsabilidade, pois neste caso, o descarregamento de toda a rede ocorrerá junto ao condutor do consumidor, o que significa que a corrente passará pelo medidor.

Estabilizadores de fase do inversor

A assimetria de tensões e correntes afeta não apenas os consumidores com uma conexão monofásica, mas também as redes de assinantes trifásicas, inclusive industriais. Uma das maneiras mais eficazes de resolver o problema de desequilíbrio de fase é instalar um estabilizador de fase. Ao contrário dos estabilizadores de tensão domésticos convencionais, os estabilizadores de fase eliminam a assimetria amplificando ou redistribuindo a carga..

Desequilíbrio de fase: causas e proteção

Na verdade, a função de um estabilizador de equilíbrio polifásico pode ser realizada por um conjunto de três estabilizadores de tensão monofásicos. No entanto, se três dispositivos forem combinados em um, isso pode prometer benefícios significativos. O princípio de funcionamento de um dispositivo trifásico reside no facto de possuir um único dispositivo de alimentação e conversão de energia, que tem como função um transformador de impulsos. Resumindo: um estabilizador monofásico, instalado na fase mais flácida, é forçado a compensar o aumento da tensão aumentando o consumo de energia, que é acompanhado por uma forte diminuição da eficiência do conversor.

Por sua vez, os estabilizadores trifásicos extraem a energia necessária para a equalização de fases nas quais a tensão é superior à nominal, devido à qual a quantidade de perdas de conversão é muito menor. Neste caso, é efetuado um carregamento adicional nas fases descarregadas, ou seja, não só o consumidor, mas também parcialmente a rede de abastecimento é estabilizada. A presença de um inversor comum também permite manter uma rede trifásica com falta temporária de tensão em uma das fases de alimentação.

Desequilíbrio de fase: causas e proteçãoEstabilizador de tensão trifásico FNEX SBW 100

Não sem falhas. Em primeiro lugar, essa é a complexidade do dispositivo e o alto custo dos dispositivos de estabilização trifásicos. Em sua maioria, os estabilizadores de fase são usados ​​no fornecimento de energia de pequenas empresas equipadas com equipamentos elétricos com um consumo total de energia de até 80–100 kVA: caldeiras, estações base para comunicações móveis, lojas de móveis. Para consumidores mais poderosos, outros métodos de estabilização são fornecidos.

Transformadores de balanceamento

Outro tipo de dispositivo para estabilizar correntes e tensões são os transformadores balun. Eles têm uma faixa de potência mais ampla. Para redes com consumo de energia de até 400 kVA, recomenda-se a instalação de transformadores de baixa tensão do tipo TST, para mais potentes – transformadores de balanceamento 6 / 0,4 kV do tipo TMGSU.

Desequilíbrio de fase: causas e proteção

Ambos os tipos de transformadores diferem dos transformadores de potência convencionais porque possuem um enrolamento adicional. Ele está localizado em paralelo com os enrolamentos primários e é conectado entre o zero de trabalho e o loop de aterramento do ponto médio do transformador. O princípio de funcionamento é simples: quando surge uma assimetria das cargas no fio neutro, surge uma corrente, que é transmitida ao núcleo magnético do transformador, puxando então para cima a fase mais carregada. A compensação é realizada automaticamente devido à diferença nos períodos de oscilação das diferentes fases.

Desequilíbrio de fase: causas e proteção

Os transformadores TMGSU praticamente não diferem dos baluns de baixa tensão. Colocar o dispositivo de balanceamento de fase no estágio de transformação descendente simplesmente torna possível excluir uma cadeia de transformação adicional e, consequentemente, evitar perdas adicionais no circuito magnético. Simplicidade, confiabilidade e baixo custo fazem dos transformadores balun a melhor solução para redes com baixos requisitos de pureza senoidal. No entanto, os transformadores não têm uma gama tão ampla de funções de proteção e estabilização que os dispositivos do tipo inversor têm..

Proteção contra sobretensão

Bem, e os consumidores com uma conexão monofásica? Infelizmente, não é possível influenciar de alguma forma a probabilidade de desequilíbrio e o aumento resultante na tensão. Tais fenômenos acontecem periodicamente, a falha está nos equipamentos insuficientes das redes troncais, na falta de trabalhos de previsão das cargas e na deplorável condição técnica dos sistemas de eletrificação.

Desequilíbrio de fase: causas e proteção

No entanto, você ainda pode proteger suas próprias instalações elétricas. A forma mais simples é instalar um relé de tensão, que desligará a alimentação do objeto quando aparecerem os parâmetros máximos de operação na rede. Se mesmo uma falta temporária de fonte de alimentação na instalação for inaceitável, existem duas maneiras de se proteger contra o desequilíbrio de fase: instalar um estabilizador monofásico ou equipar o grupo de distribuição de entrada de chaves de transferência automática com uma fonte de alimentação autônoma.

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