Os bancos capacitivos trifásicos devem ser conectados em estrela ou em triângulo?

A conexão estrela tem como vantagens a divisão de tensão nos componentes nas fases e a existência do neutro, enquanto que na conexão triângulo há diminuição da capacitância por fase quando comparado com a conexão estrela, considerando a mesma potência reativa a ser fornecida

Os sistemas elétricos de potência (SEP) são tipicamente trifásicos e, dentre tantos tipos de topologias possíveis para esta quantidade de fases, a maioria dos equipamentos são conectados em estrela ou em triângulo. Os bancos capacitivos empregados no SEP seguem estes dois padrões de conexões como principais escolhas, mas antes mesmo de se discutir as alternativas para realização de conexões desses bancos é conveniente que se discuta os motivos pelo quais eles são habitualmente utilizados.

Chama-se de banco a associação de diversos componentes com o objetivo do conjunto ser utilizado como um equipamento único. Um banco capacitivo trifásico é um exemplo, pois diversos capacitores são associados em série ou em paralelo nas fases com o objetivo de se obter a capacitância equivalente determinada pelo projetista e três desses conjuntos são conectados em estrela ou em triângulo para formar o banco trifásico. Dentre os muitos motivos que faz necessário o uso de bancos capacitivos trifásicos dois deles são:

1. O fornecimento de potência reativa ao SEP com o propósito de corrigir a queda de tensão em linhas de transmissão, subtransmissão ou de distribuição. Geralmente esses bancos ficam instalados em subestação próxima ao centro consumidor e tem como objetivo diminuir o ângulo de atraso da corrente indutiva que causa uma queda de tensão nos condutores da rede elétrica. Nas linhas de transmissão muito longas estes bancos podem estar também em trechos intermediários das linhas, ainda que não muito próximos aos centros consumidores. Portanto, o banco capacitivo pode ser utilizado para regular a tensão;

2. O fornecimento de potência reativa para corrigir o fator de potência excessivamente indutivo em instalações consumidoras. Neste caso o banco capacitivo tem como propósito regular o fator de potência para que este esteja em pelo menos 0,92 (ver [1]) e a instalação elétrica não seja penalizada em sua conta mensal com um valor adicional pelo consumo excessivo de potência reativa. O banco capacitivo é empregado quando o fator de potência está abaixo de 0,92 e é indutivo, obviamente.

Uma primeira análise da conexão estrela nos permite identificar uma vantagem para aplicações de bancos capacitivos, que é o fato das tensões de fase (é na fase que os capacitores são instalados) são raiz de três vezes menores que as de linha ofertadas pelo SEP: isso poderia ser importante no caso do banco capacitivo ser conectado diretamente ao SEP, pois a tensão de cada cada um dos capacitores das fases poderia ser menor, facilitando a busca por esses componentes no mercado. Em instalações elétricas de tensões de linha com valores comerciais 380 V ou 220 V eficazes, isso não é uma grande vantagem pois capacitores com tensões de 600 V ou 800 V (neste caso de pico) satisfazem às conexões em triângulo e em estrela e seus preços não se diferenciam tanto: segundo [2] até mesmo tensão de 2,4 kV os bancos em triângulos são economicamente viáveis. Em instalações ou subestações de dezenas de quilo volts a conexão do banco não é feita diretamente, pois se utiliza

comumente um transformador abaixador (ver ilustração) que conecta a rede elétrica ao banco capacitivo, portanto, a tensão pode ser abaixada para o nível desejado e capacitores de tensões nominais da ordem de centenas ou algumas poucas unidade de quilo volts podem ser empregados. Assim, conclui-se que a divisão da tensão por raiz de três nas fases da conexão estrela não chega a ser um fator determinante de forma que a conexão estrela seja o padrão de mercado.

Outra possível vantagem da conexão estrela é a possibilidade de aterramento do banco capacitivo, mas esta está relacionada com a existência ou não de componentes de correntes de sequência zero, pois em caso de aterramento da conexão em estrela haverá caminho para a sua circulação, por exemplo, da componente de terceira harmônica (3ª h) da corrente e isso pode causar sobreaquecimento no banco ou interferência eletromagnética nos equipamentos no entorno. Portanto, caso aterrar o banco capacitivo seja necessário, a conexão estrela aterrada deve ser utilizada, mas caso não se deseje pode-se utilizar a conexão estrela com neutro isolado (sem aterramento) ou triângulo. Saliente-se que na conexão estrela sem aterramento não há componentes de corrente de 3ª h em regime permanente, porém na conexão triângulo as componentes de corrente de 3ª h podem circular nas fases do triângulo, mas não nas linhas: deve ser avaliado se há chance de haver circulação de 3ª h de corrente e se isso é prejudicial ao banco capacitivo ou outros equipamentos no entorno.

A conexão em triângulo oferece uma grande vantagem em relação à conexão estrela, que é o fato de que na transformação estrela para triângulo a reatância é 3 vezes maior no caso triângulo, ou seja, a capacitância no caso triângulo é três vezes menor: deve-se lembrar que a reatância capacitiva é inversamente proporcional à capacitância (ver ilustração). Como a transformação estrela-triângulo é conservativa em relação à potência, então isso quer dizer que para o mesmo nível de tensão de linha pode-se obter a mesma potência reativa na conexão triângulo com capacitâncias três vezes menores. A desvantagem mais notável da conexão triângulo está na tensão de fase (a qual a associação de capacitores de cada fase estará submetida) que é a mesma de linha, não contando com a redução em raiz de três oferecida pela conexão em estrela. Como dito, para baixas tensões comerciais os valores dos capacitores não possuem grandes alterações de preço e para casos de tensões muito elevadas será necessário utilizar um transformador pra conectar o banco à rede.

Do que foi exposto pode-se notar que qualquer uma das configurações, estrela ou triângulo, tem vantagens e desvantagens, porém é mais comum encontrar:

• bancos capacitivos em triângulo para baixas tensões (NBR 5410 define para o caso CA: tensão de valor eficaz de até 1.000 V com frequência menor que 400 Hz como baixa) ou alguns poucos quilo volts, já que a magnitude da tensão não interfere significativamente no preço e a capacitância será três vezes menor que no caso estrela (isso sim diminui bastante o custo);

• para tensões maiores é necessário avaliar se a conexão será direta na rede elétrica e caso sim, a conexão estrela é bastante utilizada por permitir a divisão da tensão por raiz de três. Lembrando que é necessário avaliar também se a corrente de 3ª h é um fator relevante para escolher entre as possibilidades estrela, estrela aterrada ou triângulo;

• para tensões de dezenas de quilo volts pode ser necessário utilizar um transformador para conectar o banco capacitivo à rede e neste caso é novamente necessário avaliar o quanto o aterramento e a circulação da 3ª h é relevante, pois a tensão não é mais um problema, já que transformador abaixador com relação de transformação adequada pode ser escolhido.

Referências

[1] ANEEL, Prodist - módulo 8 (rev. 10)- Qualidade da Energia Elétrica. Acesse documento aqui.

[2] Capacitores TLA, "Normas de instalação de bancos de capacitores". Acessado em 06/20. Baixar documento aqui.

Para entender a transformação estrela-triângulo veja videoaula a seguir:

Uma breve discussão sobre cálculo de capacitância para correção de FP é feita na videoaula a seguir: