Dimensionamento - neutro, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

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Guia de Aplicação de Qualidade de Energia

Harmônicas

Dimensionamento do Neutro em

Instalações com Harmônicas

Harmônicas

Proviso Systems Ltd

Harmônicas

Dimensionamento do Neutro em Instalações com Harmônicas

Prof. Jan Desmet, Hogeschool Oeste-Vlaanderen &

Prof. Angelo Baggini, di de Università Bergamo

Junho de 2003

Este Guia foi produzido como parte do Leonardo Power Quality Initiative (LPQI), um programa de educação e treinamento europeu apoiado pela Comissão Européia (sob o Programa Leonardo da Vinci) e pelo International Copper Association (ICA). Para informação adicional sobre o LPQI visite www.lpqi.org.

European Copper Institute (ECI)

O European Copper Institute (ECI) (Instituto de Cobre Europeu) é uma joint venture entre o ICA (International Copper Association) e os fabricantes europeus. O ECI representa os maiores produtores de cobre

do mundo e os fabricantes europeus mais importantes para promover o cobre na Europa. Criado em janeiro de1996, o ECI é apoiado por uma rede de onze Associações de

Desenvolvimento do Cobre (‘CDAs‘) em Benelux, França, Alemanha, Grécia, Hungria, Itália, Polônia, Rússia, Escandinávia, Espanha e Reino Unido.

Instituto Brasileiro do Cobre - PROCOBRE

É uma instituição sem fins lucrativos, constituída por empresas produtoras e transformadoras de cobre no Brasil com a missão de estimular o uso técnico e econômico do metal, promovendo sua utilização correta e

eficiente. Desenvolve projetos nas várias áreas de aplicação do metal, divulgando as vantagens da utilização do cobre na energia elétrica, nas instalações hidráulicas e de gás,

na arquitetura, no design e decoração de interiores, na saúde e muitas outras.

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A intensidade da corrente no neutro pode

exceder a corrente de fase em intensidade na

freqüência de alimentação devido à terceira

harmônica.

Os requisitos da norma

Os requisitos da norma IEC 60364-5-52:2001,

“Electrical Installations in Buildings - Part 5-52:

Selection and Erection of Electrical Equipment -

Wiring Systems”, referem-se à instalação segura

de circuitos sob o ponto de vista de técnicas de

instalação e dimensionamento de condutores.

O método de instalação freqüentemente afeta as

condições térmicas nas quais o cabo opera e,

assim, afeta a capacidade de condução de

corrente do condutor ou do circuito.

Quando cabos de vários circuitos são instalados

no mesmo eletroduto, canaleta ou espaço, a

capacidade de corrente de cada cabo é reduzida

por causa do efeito de aquecimento mútuo. Em

outras palavras, a capacidade de corrente de um

cabo é determinada pela quantidade de calor

gerada pela corrente que flui e a quantidade de

calor que pode ser perdida pelo cabo por

convecção. Juntos, estes fatores determinam a

temperatura de operação do cabo que,

obviamente, não deve exceder aquela que é

apropriada para o tipo de material de isolação -

70°C para isolação termoplástica (tal como PVC)

ou 90°C para isolação termofixa (como EPR

e XLPE).

Os valores e fatores de correção indicados na

norma são obtidos a partir de ensaios práticos e

cálculos teóricos baseados em condições típicas

e precisam ser modificados de acordo com

condições de instalação conhecidas. Uma vez

que a presença de harmônicas com freqüências

múltiplas de três no condutor neutro resulta em

maior geração de calor, a seleção da seção do

cabo tem que levar isso em consideração.

Referências para o dimensionamento do

condutor neutro no caso de correntes

não senoidais pode ser encontrada na IEC

60364-5-524. A parte 524.2 indica que o

condutor neutro terá pelo menos a mesma

seção que os condutores de fase:

• em circuitos monofásicos de dois

condutores e para tidas as seções

nominais;

• em circuitos polifásicos e em circuitos

monofásicos a três condutores quando a

seção nominal dos condutores de fase

são iguais ou menores que 16 mm^2 para

cobre ou 25 mm

2

para alumínio.

Dimensionamento do Neutro em Instalações com Harmônicas

Figura 3 - Com uma carga trifásica não linear, a corrente no neutro não é zero e pode até ser maior que a corrente de fase por causa das harmônicas homopolares.

Figura 4 - Correntes harmônicas de terceira ordem no condutor neutro.

A parte 524.3 estabelece que, para outros circuitos polifásicos, o condutor neutro pode ter uma seção

nominal reduzida, se todas as condições seguintes são atendidas:

• a máxima corrente prevista no neutro, incluindo harmônicas, durante o serviço normal não

é maior que a capacidade de condução de corrente da seção nominal reduzida do neutro;

• o condutor neutro é protegido contra sobrecorrentes;
• a seção nominal do neutro é pelo menos 16mm^2 em cobre ou 25mm^2 em alumínio.

Estes requisitos são normativos, ou seja, são regras que devem ser seguidas de modo a atender a norma.

Porém, atender a estes requisitos requer conhecimento do tipo e número de cargas que estarão em uso

após a instalação ser colocada em operação e, infelizmente, esta informação raramente está disponível.

A norma também inclui um anexo informativo (sem valor normativo), na forma de um guia e

recomendações, que fornece uma metodologia para dimensionar os cabos corretamente.

Este trabalho apresenta este guia com a adição de exemplos e observações relativas ao fator de redução

dos valores nominais em condutos compartilhados e os efeitos de queda de tensão.

Guia da Norma

O funcionamento de um componente elétrico ou condutor pode ser influenciado significativamente

por perturbações no sistema, pelo suprimento de energia, ou pela carga. De todas as perturbações

eletromagnéticas que afetam os cabos de potência, a presença de correntes harmônicas é uma das

mais importantes. Os efeitos deste fenômeno podem resultar em sobrecargas tanto nos condutores de

fase quanto o neutro. Aqui, a atenção é focada no dimensionamento do condutor neutro.

Deve-se notar que as tabelas de capacidade de corrente da norma são baseadas em muitas suposições

e é responsabilidade do projetista reconhecer quando estas suposições não são válidas e fazer as

correções apropriadas. A suposição mais importante é que, em um cabo multipolar com quatro ou cinco

condutores, somente três condutores estão carregados; em outras palavras, é assumido que a carga é

equilibrada e linear. Na situação onde a carga é desequilibrada, mas linear, uma corrente de

desequilíbrio circula pelo neutro, mas é compensada pelo fato de que pelo menos um condutor de fase

está conduzindo menos carga. Assumindo que nenhum condutor de fase está sobrecarregado, a perda

Joule total no cabo não é excessiva. Quando a carga é não linear, há uma corrente no neutro que

contribui com a perda térmica, assim como o efeito total das três correntes de linha.

Sob as condições de distorção de corrente descritas no parágrafo 1.2, a dissipação de calor no condutor

devida ao efeito Joule é maior comparada às condições de carga linear ideal, e a capacidade de

condução de corrente da linha é então reduzida. Além disso, os condutores neutros, freqüentemente

sub-dimensionados em relação aos condutores de fase em edifícios existentes (parágrafo 1.3), podem

ser sobrecarregados até mesmo sem a corrente de neutro exceder a corrente nominal de fase.

É impossível determinar a corrente de neutro em condições absolutas a menos que as formas de onda

reais ou teóricas das correntes de carga sejam conhecidas. Porém, como uma primeira aproximação,

a corrente no neutro pode ser 1,61 vez a corrente de fase no caso de cargas como computadores, mas

pode alcançar o valor de 1,73 vez a corrente de fase nas piores condições com retificadores controlados

em ângulos de controle muito altos, ou seja, em baixas tensões em CC (a ≥ 60°).

O modo mais simples para resolver o problema é aplicar fatores de correção apropriados para a

capacidade de condução de corrente do cabo. O Anexo D da norma IEC 60364-5-52 indica uma

metodologia para determinar o fator de correção apropriado. Por simplificação, a abordagem assume que:

• o sistema é trifásico e equilibrado;
• a única harmônica significativa não cancelada no neutro é a terceira (isto é, as outras harmônicas

múltiplas de três têm intensidades relativamente pequenas e outras harmônicas estão

aproximadamente equilibradas e somam zero) e;

• o cabo é multipolar, com 4 ou 5 condutores, com o condutor neutro do mesmo material e

mesma seção nominal dos condutores de fase.

Dimensionamento do Neutro em Instalações com Harmônicas

Dimensionamento do Neutro em Instalações com Harmônicas

Tabela 3 - Capacidade de condução de corrente (A) com 3ª harmônicas até 33% (cabo tetrapolar 0,6/1 kV, 90°C).

Tabela 4 - Capacidade de condução de corrente (A) com 45% de 3ª harmônicas (cabo tetrapolar 0,6/1 kV, 90°C).

Tabela 2 - Capacidade de condução de corrente (A) com 3ª harmônicas até 15% (cabo tetrapolar 0,6/1 kV, 90°C).

Seção nominal (mm^2 )

Ar (30°C) Solo (20°C) Ar livre Eletroduto Eletroduto Eletroduto Diretamente Diretamente p=1 p=1,5 p=1 p=1,

Seção nominal (mm^2 )

Ar (30°C) Solo (20°C) Ar livre Eletroduto Eletroduto Eletroduto Diretamente Diretamente p=1 p=1,5 p=1 p=1,

Seção nominal (mm^2 )

Ar (30°C) Solo (20°C) Ar livre Eletroduto Eletroduto Eletroduto Diretamente Diretamente p=1 p=1,5 p=1 p=1,

• a queda de tensão no neutro causada por todas as harmônicas com freqüências múltiplas de três

se torna uma distorção de tensão harmônica em todas as fases da alimentação. Isto pode requerer

um aumento adicional na seção nominal do condutor neutro em longos comprimentos de cabos.

Uma atenção particular tem que ser dada a cabos armados ou com blindagem metálica. A contribuição

das harmônicas para as correntes parasitas na blindagem ou armadura pode ser considerável.

Então, sempre que uma distorção na corrente de carga é esperada, o condutor neutro nunca deveria

ter uma seção nominal menor do que a dos condutores de fase correspondentes. O mesmo se aplica

a todos os acessórios do circuito neutro.

Quando as dimensões do condutor neutro aumentam além das dimensões dos condutores de fase

correspondentes, o que pode acontecer mesmo em sistemas elétricos usuais, é difícil, se não impossível,

encontrar componentes comerciais adequados, capazes de se integrarem corretamente no sistema.

A única alternativa satisfatória nestes casos é limitar a carga ou dimensionar todos os componentes

pela maior seção nominal. A proteção deveria ser, obviamente, dimensionada corretamente para

a menor seção nominal do condutor de fase.

Para circuitos terminais, devem ser previstos neutros separados para cada linha e circuitos separados

para cada carga não linear. Isto também assegura a melhor independência eletromagnética possível

entre todos os elementos não lineares e sensíveis. O melhor equilíbrio possível entre as cargas evita

contribuições adicionais para a corrente de neutro devido a desequilíbrios. As considerações

mencionadas são igualmente importantes e aplicáveis a cabos de grandes e pequenas seções nominais.

Elas também podem ser aplicadas, com boa aproximação, para barramentos.

Exemplo numérico

Considere o seguinte exemplo: um circuito trifásico com corrente de carga de 39 A, utilizando

um cabo tetrapolar isolado em PVC (70°C), instalado diretamente sobre a parede. Na ausência de

harmônicas, seria dimensionado um cabo de condutor de cobre com seção nominal de 6 mm^2 , com

uma capacidade de corrente de 41 A. Com 20% de terceira harmônica, aplicando um fator de redução

de 0,86, a corrente de carga equivalente é:

39 / 0,86 = 45 A

para a qual seria necessário um cabo de seção nominal 10 mm^2.

Com uma terceira harmônica igual a 40%, a seção do cabo deveria ser escolhida de acordo com a

corrente de neutro igual a:

39 x 0,4 x 3 = 46,8 A

e aplicando-se um fator de redução de 0,86:

46,8 / 0,86 = 54,4 A

Dimensionamento do Neutro em Instalações com Harmônicas

Tabela 5 - Capacidade de condução de corrente (A) com 60% de 3ª harmônicas (cabo tetrapolar 0,6/1 kV, 90°C).

Seção nominal (mm^2 )

Ar (30°C) Solo (20°C) Ar livre Eletroduto Eletroduto Eletroduto Diretamente Diretamente p=1 p=1,5 p=1 p=1,

Notas

European Copper Institute* (ECI) www.eurocopper.org

Akademia Gorniczo-Hutnicza (AGH) www.agh.edu.pl

Centre d'Innovació Tecnològica en Convertidors Estàtics i Accionaments (CITCEA) www-citcea.upc.es

Comitato Elettrotecnico Italiano (CEI) www.ceiuni.it

Copper Benelux* www.copperbenelux.org

Copper Development Association* (CDA UK) www.cda.org.uk

Deutsches Kupferinstitut* (DKI) www.kupferinstitut.de

Engineering Consulting & Design* (ECD) www.ecd.it

EPRI Solutions Inc www.epri.com/eprisolutions

ETSII - Universidad Politécnica de Madrid www.etsii.upm.es Fluke Europe www.fluke.com

Hochschule für Technik und Wirtschaft* (HTW) www.htw-saarland.de Hogeschool West-Vlaanderen Departement PIH www.pih.be International Union for Electricity Applications (UIE) www.uie.org ISR - Universidade de Coimbra www.isr.uc.pt

Istituto Italiano del Rame* (IIR) www.iir.it Katholieke Universiteit Leuven* (KU Leuven) www.kuleuven.ac.be Laborelec www.laborelec.com

LEM Instruments www.lem.com MGE UPS Systems www.mgeups.com

Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg www.uni-magdeburg.de Polish Copper Promotion Centre* (PCPC) www.miedz.org.pl Università di Bergamo* www.unibg.it University of Bath www.bath.ac.uk

The University of Manchester www.manchester.ac.uk Wroclaw University of Technology* www.pwr.wroc.pl

Referências & Membros Fundadores

David Chapman (Chief Editor) CDA UK [email protected]

Prof. Angelo Baggini Università di Bergamo [email protected]

Dr. Araceli Hernández Bayo ETSII - Universidad Politécnica de Madrid [email protected]

Prof. Ronnie Belmans UIE [email protected]

Dr. Franco Bua ECD [email protected]

Jean-Francois Christin MGE UPS Systems [email protected]

Prof. Anibal de Almeida ISR - Universidade de Coimbra [email protected]

Hans De Keulenaer ECI [email protected]

Prof. Jan Desmet Hogeschool West-Vlaanderen [email protected]

Dr. ir Marcel Didden Laborelec [email protected]

Dr. Johan Driesen KU Leuven [email protected]

Stefan Fassbinder DKI [email protected]

Prof. Zbigniew Hanzelka Akademia Gorniczo-Hutnicza [email protected]

Stephanie Horton LEM Instruments [email protected]

Dr. Antoni Klajn Wroclaw University of Technology [email protected]

Kees Kokee Fluke Europe BV [email protected]

Prof. Wolfgang Langguth HTW [email protected]

Jonathan Manson Gorham & Partners Ltd [email protected]

Prof. Henryk Markiewicz Wroclaw University of Technology [email protected]

Carlo Masetti CEI [email protected]

Mark McGranaghan EPRI Solutions [email protected]

Dr. Jovica Milanovic The University of Manchester [email protected]

Dr. Miles Redfern University of Bath [email protected]

Dr. ir Tom Sels KU Leuven [email protected]

Prof. Dr-Ing Zbigniew Styczynski Universität Magdeburg [email protected]

Andreas Sumper CITCEA-UPC [email protected]

Roman Targosz PCPC [email protected]

Conselho Editorial