Ao projetar a proteção contra falha de terra (GFP) para um sistema de distribuição de energia, você deve sempre considerar a natureza da fonte de energia. Se a fonte de energia é de um sistema derivado separadamente, você deve seguir certas regras e diretrizes para que o GFP funcione corretamente e proteja o sistema.

Por meio do National Electrical Code (NEC), sabemos que um grupo gerador de motor (grupo gerador) é um sistema derivado separadamente. O efeito de um grupo gerador e seu interruptor de transferência na operação de equipamentos GFP requer muita atenção, principalmente devido às múltiplas conexões neutro-terra.

Vejamos em detalhe o que está envolvido e vejamos como evitar as armadilhas de projetos e instalações impróprias. O seguinte é extraído de EC&M Books’ “Practical Guide to Ground Fault Protection” e atualizado para os requisitos do NEC 2005.

NEC issues. A seção 250.20(B) estabelece quando o sistema de energia deve ser aterrado, enquanto 250.20(D) requer a aterramento de sistemas derivados separadamente. Entretanto, de acordo com a FPN No. 1, quando o condutor neutro de uma fonte de energia alternativa está solidamente conectado ao sistema fornecido pelo serviço, essa fonte de energia alternativa não é considerada um sistema derivado separadamente. O que isso significa?

Se uma fonte derivada separadamente que satisfaça os requisitos de 250,20(B) incluir uma fonte de alimentação alternativa cujo condutor neutro esteja solidamente conectado ao da fonte preferida, o neutro da fonte alternativa é considerado aterrado através da terra na desconexão de serviço da fonte preferida. Em outras palavras, às vezes o neutro de uma fonte de energia do conjunto gen será aterrado no neutro do conjunto gen; outras vezes, não será. (Para ver o que você deve considerar antes de decidir quando aterrar o neutro, veja a barra lateral “Quando você deve aterrar e mudar o neutro do conjunto gen” na página 31 e “Quando você não deve aterrar o neutro do conjunto gen” na página 32.)

Problemas de múltiplas conexões do neutro ao terra. Dois grandes problemas surgem dessas conexões.

Sensibilidade de falha de terra incompleta. Considere um interruptor de transferência de 3 pólos com GFP de sequência zero no serviço, como mostrado na Fig. 1. Suponha que ocorra uma falha entre um dos condutores de fase e o conduíte metálico que envolve estes condutores. A corrente de falta à terra resultante tem dois caminhos que pode seguir para retornar ao neutro do transformador.

Caminho 1 é diretamente de volta ao transformador ao longo do condutor de aterramento do equipamento. O caminho 2 é ao longo do condutor de aterramento do equipamento até o ponto em que o conjunto gen é aterrado, depois até o neutro do conjunto gen, e finalmente ao longo do condutor de neutro de volta ao neutro do transformador.

Cuidado que um GFP de seqüência zero atua quando detecta um valor predeterminado de desequilíbrio de corrente. Assim, a corrente que segue o Caminho 2 passará pelo sensor GFP do transformador como se fosse corrente de carga normal, e o GFP de sequência zero sentirá apenas a corrente de falha que segue o Caminho 1. Como resultado, você teria uma detecção incompleta da corrente de falha total.

Tripping de nuance. Agora, considere um interruptor de transferência de 3 pólos e uma GFP de sequência zero com uma carga desequilibrada, como mostrado na Fig. 2. Novamente, a corrente desbalanceada no neutro tem dois caminhos a seguir. O caminho 1 é diretamente para o neutro de serviço. O caminho 2 é até ao neutro de serviço, através do eléctrodo de ligação à terra e – através de caixas metálicas, condutas, acessórios, etc. – de volta ao neutro de serviço.

A corrente através do caminho 2 teria o mesmo efeito sobre o sensor de falta à terra que a corrente de falta à terra. Portanto, uma carga desequilibrada afetaria a sensibilidade do sensor GFP e poderia fazer com que ele disparasse o disjuntor mesmo que não exista uma corrente de falha ou curto-circuito.

O problema com ambas as conexões GFP discutidas acima é que os neutros do transformador e do conjunto gerador estão amarrados juntos no interruptor de transferência. Existem três soluções possíveis para superar os problemas acima mencionados.

Solução 1: interruptor de transferência de 4 pólos. Este tipo de interruptor de transferência proporciona um isolamento completo dos condutores de serviço e neutro do conjunto de gêneros, eliminando assim tanto a detecção inadequada como o disparo de interferências causadas por múltiplas conexões neutro-terra. A Figura 3 mostra como o interruptor de transferência de 4 pólos proporciona isolamento em caso de falha no solo. Como você pode ver, há apenas uma maneira da corrente de falha poder voltar para o neutro do transformador. Com os neutros assim isolados, você pode adicionar GFP convencional à saída do conjunto de gerador.

Tenha cuidado aqui porque isso pode causar outros problemas. Quando o interruptor de transferência interrompe a carga de uma fonte, as correntes nas linhas individuais e no neutro podem não ficar todas claras no mesmo instante. É possível que a corrente no condutor do neutro, que normalmente é menor do que as correntes da linha, se limpe primeiro. Como tal, o interruptor de transferência pode estar momentaneamente ligando a carga a uma fonte de alimentação com o neutro desconectado. Se a carga estiver desequilibrada, podem ocorrer tensões anormais em cada fase da carga por até 10 milissegundos. Ao mesmo tempo, cargas indutivas podem causar altas tensões transitórias adicionais na faixa de microssegundos.

Solução 2: Isolamento através de um transformador delta-wye. Se você tiver uma carga crítica de 3 fases e 4 fios relativamente pequena em relação ao resto da carga não crítica, você pode usar um transformador isolante no lado da carga do interruptor de transferência (Fig. 4). Isto requer que ambas as fontes de alimentação do lado da linha do interruptor de transferência sejam trifásicas, 3 fios.

Um desequilíbrio da carga crítica não terá efeito sobre o GFP no serviço de entrada. Além disso, as correntes de falta de terra não seriam transmitidas através do transformador delta-wye. Além disso, o dispositivo de proteção primária “vê” qualquer aumento na corrente primária devido a falhas de terra simplesmente como uma sobrecarga.

Existem dois itens a serem observados com esta solução. Primeiro, ele não oferece proteção contra falhas de terra no lado secundário do transformador de isolamento. Segundo, como o interruptor de transferência não está localizado diretamente à frente da carga, ele não fornece proteção de energia de emergência caso o transformador de isolamento falhe.

Custo, você terá que avaliar a economia de fornecer um interruptor de transferência padrão de 3 pólos com um pequeno transformador de isolamento em relação a outras abordagens. Pode ser que o custo do transformador de isolamento seja menor que o custo extra de um interruptor de transferência modificado. Você também terá que considerar a economia de custos resultante de uma instalação mínima de condutores neutros. Em aplicações como hospitais e edifícios comerciais, a carga de iluminação de 4 fios é geralmente responsável por uma percentagem substancial da carga essencial total. Portanto, adicionar um transformador nestes casos raramente é economicamente viável.

Solução 3: Interruptor de transferência com contactos neutros sobrepostos. Estão disponíveis interruptores de transferência que permitem a sobreposição de contatos neutros de transferência. Isto liga os neutros das fontes de alimentação normal e de emergência, mas apenas durante o período de transferência. Com um interruptor de transferência convencional operado por solenóide, de dupla passagem, o tempo durante o qual os neutros são conectados pode ser menor que o tempo de operação do sensor de falha à terra, que normalmente é ajustado em qualquer lugar de seis a 24 ciclos.

Figure 5 mostra um sistema típico usando um interruptor de transferência de 3 pólos com contatos sobrepostos para isolar os condutores de neutro. Não há um fluxo possível de corrente de falha através do condutor do neutro que possa diminuir ou efetivamente reduzir a detecção de falta à terra. Além disso, não há fluxo possível de corrente desequilibrada através do neutro gen-set para alterar a captação do sensor de falta à terra e possivelmente causar disparos incômodos.

O neutro de carga está sempre conectado a qualquer uma das fontes de alimentação. Como não há abertura momentânea do condutor do neutro quando o interruptor de transferência funciona, as tensões anormais e transitórias são mantidas a um mínimo. Além disso, não há erosão dos contatos sobrepostos devido ao arco. Isto assegura a integridade de transporte da corrente e nenhum aumento na impedância do circuito de neutro. Como os contatos sobrepostos não são necessários para interromper a corrente, o custo de adicionar tais contatos a um interruptor de transferência é geralmente menor do que adicionar um quarto pólo.

Existe mais de um lado negativo nesta solução, focando principalmente no retroajuste de interruptores de transferência existentes. Primeiro, pode ser difícil adaptar contatos sobrepostos a conjuntos de comutadores de transferência que tenham disjuntores em caixa moldada interligados, devido às configurações mecânicas relativamente fixas dessas unidades. Além disso, o seu tempo de transferência de operação mais lento pode tornar-se um fator limitador. Finalmente, pode não haver espaço suficiente dentro da cabine de um interruptor de transferência convencional para um conjunto de contatos sobrepostos, ou o mecanismo de operação de transferência pode ser inadequado. Dito isto, a adaptação dos contatos neutros sobrepostos a um comutador de transferência já existente provou ser economicamente viável em algumas aplicações. Portanto, não desconsidere esta solução como uma possibilidade de adaptação sem pelo menos fazer uma análise concertada.

O manuseio das correntes de falta à terra com sistemas derivados separadamente depende muito da aplicação, da configuração do sistema e obviamente dos custos associados. Além disso, para reduzir a magnitude da corrente de falha, existem sistemas de aterramento por resistência que vêm embalados com uma resistência de aterramento, interruptor de desconexão, dispositivo de detecção e controles. Além disso, se o neutro não estiver disponível, o pacote pode incluir um banco de transformadores de mergulho de neutro.

Interesse da indústria em GFP. O interesse na GFP não diminuiu ao longo dos vários ciclos de código. Na verdade, empreiteiros elétricos, pessoal de manutenção elétrica de instalações e engenheiros elétricos têm exigido informações mais completas e concisas sobre o assunto. O valor em dólares da perda de equipamentos, tempo de parada de produção e responsabilidade pessoal associada ao arco de terra pode ser espantoso.

Apesar da aplicação eficaz e qualificada de dispositivos convencionais de sobrecorrente, o problema de falhas de terra continua a existir. Assim, no interesse da segurança, o projeto do sistema elétrico também deve considerar a proteção contra faltas à terra. Isto requer um entendimento completo e detalhado da natureza ampla e complexa do fluxo de corrente de falta em sistemas elétricos.

Barra lateral: When You Should Ground and Switch the Gen-Set Neutral

Quando o serviço se encaixa nos requisitos de 230,95, você deve aterrar o neutro em cada fonte, e comutá-lo onde o Código requer coordenação de detecção de falta à terra. Quando a classificação do serviço for igual ou superior a 1.000A (833kVA), 230,95 requer proteção contra falha de terra na desconexão do serviço. Mas e se a sua carga for suficientemente importante para justificar uma fonte de alimentação alternativa e um interruptor de transferência? Nesse caso, você pode querer expandir o esquema de proteção contra falha de terra para a proteção de circuito de segundo nível, de acordo com 230.95(C), FPN No.2.

Quando o NEC requer proteção contra falha de terra – e você tem uma fonte de alimentação alternativa – você deve trocar o neutro. Se você tiver um serviço maior que 1.000A, o NEC requer proteção contra falha de terra na desconexão do serviço principal. Se o neutro do grupo gerador funcionar através de uma conexão sólida ao neutro de serviço principal, e o grupo gerador experimentar uma falha de terra enquanto alimenta a carga, a desconexão de serviço principal será aberta. Isto não desligará a falha de arco do grupo gerador, e a coordenação será perdida.

Se os neutros das duas fontes forem aterrados separadamente, você deve comutar o condutor do neutro de carga para a fonte que alimenta a carga, por 230,95(C), FPN No. 3. A corrente de falta à terra voltará somente à fonte de onde se origina, providenciando a coordenação do esquema de proteção de falta à terra.

Nem sempre é necessário aterrar separadamente o condutor de neutro do conjunto de gêneros. No entanto, se o fizer, pode ser necessário mudar um condutor de neutro de carga juntamente com os seus condutores de fase ao transferir cargas entre fontes de energia, particularmente quando se utiliza a protecção contra falha à terra. O NEC requer proteção de falta à terra para 480/277V, 3 fases, 4 fios, serviços ligados à terra classificados como 1.000A ou mais, mas é opcional em outras configurações que não incluem a proteção de falta à terra. No entanto, quando um condutor de neutro de derivação transfere entre fontes, o meio de comutação deve assegurar que o contato de comutação do condutor de neutro não interrompa a corrente.

When You Should Not Ground the Gen-Set Neutral

Uma das razões para não aterrar separadamente um neutro de derivação é o fato de que o NEC não requer a detecção de falta à terra. Geralmente, a conexão sólida do neutro do conjunto gen ao neutro de serviço preferido impedirá o aterramento separado do neutro do conjunto gen.

Agora, é possível aterrar os neutros de fonte do conjunto gen de sistemas de energia que não estejam abaixo de 250,20(B) conectando-os ao neutro de serviço da fonte preferida. Portanto, para sistemas de potência com 480/277V, 3 fases, 4 fios, com ligação à terra com menos de 1.000A (833kVA), é possível ligar o condutor do neutro do grupo gerador directamente ao neutro de serviço preferido. Também pode ligar o condutor do neutro do grupo gerador directamente ao neutro de serviço preferido para todos os sistemas de potência de 208/120V, trifásicos, 4 fios, ligados em Wye-connected.

Com falta de energia e teletrabalho em ascensão, o mesmo acontece com o número de residências com grupos geradores em espera. O prong de terra destes receptáculos está ligado à estrutura do gen-set, que está ligado ao ponto neutro de enrolamento do gen-set. Consequentemente, qualquer falha ou caminho de corrente inadvertido entre o quadro e um condutor de fase fará com que o receptáculo se desligue. Quando a cablagem do local é ligada ao gen-set, o neutro fica efectivamente ligado à terra quando os condutores do neutro são ligados.

Se o serviço for 480/277V, trifásico, 4 fios, wye-connected – e o gen-set estiver permanentemente instalado – você pode eliminar a necessidade de comutação do neutro. Se limitar esse serviço a menos de 833kVA, pode ligar solidamente o neutro do grupo gerador ao neutro de serviço – o jumper de ligação entre o neutro do quadro de distribuição de serviço principal e o barramento de terra aterra o neutro de serviço.