139055970 Prominp Sistemas Eletricos Industriais
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CM – ENGENHEIRO DE CAMPO – CONSTRUÇÃO E MONTAGEM
MÓDULO I – Métodos e Processos de Fabricação, Montagem e Inspeção
SISTEMAS ELÉTRICOS INDUSTRIAIS
JOSÉ MANOEL FERNANDES, Ph.D.Departamento de Engenharia ElétricaUniversidade Federal do Paraná
CM – ENGENHEIRO DE CAMPO – CONSTRUÇÃO E MONTAGEM
© PETROBRAS – Petróleo Brasileiro S. A.Todos os direitos reservados e protegidos pela Lei 9.610, de 19.2.1998.É proibida a reprodução total ou parcial, por quaisquer meios, bem como a produção de apostilas, sem autorização prévia, por escrito, da Petróleo Brasileiro S. A. – PETROBRASDireitos exclusivos da PETROBRAS – Petróleo Brasileiro S. A.
_____________________________________________________________ VAZ, Marcos da Rocha; MONTEIRO, Paulo Duailibe.
Sistemas Elétricos Industriais/ Universidade Federal Fluminense, Niterói, 2006
265 sl._____________________________________________________________
CONTEÚDO PROGRAMÁTICO
TÓPICO I: FUNDAMENTOS DE ELETRICIDADE
1. Introdução aos Sistemas Elétricos
1.1. Geração, Transmissão, Distribuição e Comercialização de Energia Elétrica1.2. Fontes de Energia Elétrica1.3. Grandezas Elétricas Fundamentais
2. Circuitos de Corrente Contínua (CC) e de Corrente Alternada (CA)
2.1. Elementos dos Circuitos2.2. Ligações2.3. Circuitos CA monofásicos - Impedância, Potências, Fator de Potência2.4. Circuitos CA trifásicos
CONTEÚDO PROGRAMÁTICO
CONTEÚDO PROGRAMÁTICO
TÓPICO II: TRANSFORMADORES
1. Definição – Elementos2. Aspectos Construtivos3. Funcionamento4. Transformadores em circuitos trifásicos
TÓPICO III: MÁQUINAS ELÉTRICAS ROTATIVAS DE CORRENTE CONTÍNUA E DE CORRENTE ALTERNADA
1. Balanço de Energia2. Partes Componentes3. Tipos de Máquinas 4. Utilização5. Controle de velocidade ; partida e frenagem de motores6. Seleção de motores
CONTEÚDO PROGRAMÁTICO
TÓPICO IV: SUBESTAÇÕES
1. Definições, Classificação e Funções dos Principais Equipamentos2. Esquemas de Manobra de Subestações de Média Tensão3. Arranjos de Subestações Receptoras4. Seleção de Níveis de Tensão das Subestações5. Potências de Subestações para Industrias6. Principais Equipamentos
TÓPICO V: TÓPICOS EM SISTEMAS ELÉTRICOS INDUSTRIAIS
1. Sistema de Aterramento2. Proteção
GUSSOW, M. ; Eletricidade Básica; Coleção Schaum; Ed. Makron Books.
COTRIM, A. A.M.B.; Instalações Elétricas; Ed. Makron Books.
NISKIER, J. , MACINTYRE, A.J. ; Instalações Elétricas, Ed. Guanabara Koogan.
CREDER, H. ; Instalações Elétricas, Ed. LTC.
TORO, V. ; Fundamentos de Máquinas Elétricas; Ed. Prentice-Hall do Brasil.
MARTIGNONI, A.; Transformadores; Ed. Globo.
LOBOSCO,O.S. , DIAS, J.L.P.C.; Seleção e aplicação de motores elétricos; volume 1; Siemens, Série Brasileira de Tecnologia; Ed. Mc.Graw-Hill.
BIBLIOGRAFIA
TÓPICO IFUNDAMENTOS DE
ELETRICIDADE
FUNDAMENTOS DE ELETRICIDADE
1 . INTRODUÇÃO
1.1. Geração, Transmissão, Distribuição e Comercialização de Energia Elétrica
Energia Elétrica – PRODUTO Consumidor de Energia Elétrica – CLIENTE Sistema Elétrico- ORGANIZAÇÃO
Sistema elementar
Sistema real
G : gerador T1 : transformador elevador LT : linha de transmissão T2: transformador abaixador DP : distribuição primária SE: subestaçãoT3 e T4 : transformadores de distribuição DS: distribuição secundária
O sistema elétrico envolve: planejamento / projeto, construção / instalação, operação, manutenção e equipamentos (fabricação, montagem, materiais).
FUNDAMENTOS DE ELETRICIDADE
MODELO ENERGÉTICO ATUAL:
Consumidores com sua própria geração ; Geração Distribuída ; Cogeração Sistema Estatal e Sistema Privado – Órgão Regulador : ANEELhttp://www.aneel.gov.br/
A questão tarifária.
FUNDAMENTOS DE ELETRICIDADE
1.2. Fontes de energia elétrica tradicionais e alternativas (a) Fontes tradicionais – grandes blocos de energia
Energia cinética da águaex: usinas hidrelétricas TURBINA Energia Mecânica GERADOR Energia http://pt.wikipedia.org/wiki/Lista_de_usinas_hidrel%C3%A9tricas_do_Brasil
ElétricaEnergia térmicaCombustível convencional ou nuclearex: usinas termelétricas
Não se armazena energia elétrica; deve ser feita uma avaliação técnica e econômica do transporte até os centros consumidores – do combustível ou da energia elétrica?
FUNDAMENTOS DE ELETRICIDADE
FUNDAMENTOS DE ELETRICIDADE
(b) Fontes alternativas - soluções particulares
Energia solar; energia eólica; energia química; energia dos mares; bio-massahttp://descobrir-a-terra.blogs.sapo.pt/21701.html
CONCLUSÃO :
ENERGIAQUALQUER
(fonte)GERADOR
ENERGIA
ELÉTRICA
CONSUMIDOR
(carga)
ENERGIAMECÂNICATÉRMICA
LUMINOSAOUTRAS
FUNDAMENTOS DE ELETRICIDADE
1.3. Grandezas Fundamentais
1.3.1 Corrente elétrica ( i )http://br.geocities.com/saladefisica3/laboratorio/corrente/corrente.htm
(a) Movimento ordenado de cargas elétricas. Ex: fio metálico
(b) Efeitos :
Efeito térmico (efeito Joule) : condutor percorrido por corrente se aquece. Ex: aquecedores, fios / cabos
Efeito magnético : condutor percorrido por corrente cria campo magnético. Ex: condutor retilíneo ; bobina
CUIDADO !! Efeito fisiológico. http://web.rcts.pt/fq/electricidade/efeitos.htm
FUNDAMENTOS DE ELETRICIDADE
(c) Corrente contínua ( CC ) e corrente alternada ( CA )
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FUNDAMENTOS DE ELETRICIDADE
1.3.2 Tensão elétrica ( V ou U )
Para que corrente elétrica possa passar por dois pontos de um condutor é necessário que entre eles exista uma diferença de potencial elétrico (d.d.p.) ou tensão elétrica. Um gerador elétrico estabelece entre seus terminais uma tensão. Esta tensão pode ser CONTÍNUA ou ALTERNADA, dependendo do gerador.
Ex : geradores eletromecânicos, baterias, pilhas.
v v
t t
FUNDAMENTOS DE ELETRICIDADE
1.3.3 Resistência Elétrica ( R )
Modelo : A B V R .i
Para um fio metálico : R depende do material (resistividade), das dimensões (comprimento e área da seção reta), e da temperatura.
É importante analisar as variações de V, i e R, controladas ou não.
R
i
FUNDAMENTOS DE ELETRICIDADE
3.4 Energia elétrica ( W ) e Potência Elétrica ( P )
WW V . i . t P ; P V . i
t W P . t
FUNDAMENTOS DE ELETRICIDADE
IMPORTANTE LEMBRAR :
Unidades das grandezas , do Sistema Internacional ( SI ) e unidades práticas.Medidores destas grandezas.Valores nominais das grandezas
TARIFAS DE ENERGIA ELÉTRICA
GRUPO A : consumidores de alta tensão – tarifa binômia (demanda e consumo) GRUPO B : consumidores de baixa tensão – tarifa monômia (consumo)
TARIFA HORO-SAZONAL : Horário (ponta e fora da ponta) e Período (úmido e seco).
FUNDAMENTOS DE ELETRICIDADE
2 . CIRCUITOS DE CORRENTE CONTÍNUA (CC) E DE CORRENTE ALTERNADA (CA)
1. Introdução : Elementos
Elementos essenciais : geradores, condutores , cargas ( ex: motores elétricos ).Elementos acessórios : elementos de proteção, de medição, de manobra, de controle.
E os TRANSFORMADORES ?
FUNDAMENTOS DE ELETRICIDADE
1.1 Gerador Elétrico ( CC ou CA )
Estabelecer entre seus terminais uma tensão ; transformar energia qualquer em energia elétrica.
Entrada de energia qualquer GERADOR Saída de energia elétrica
Entrada de energia - Saída de energia perdas de energia ou Potência de entrada ( Pe ) - Potência de Saída ( Ps ) perdas de
Potência Ps Rendimento : Pe
http://br.geocities.com/saladefisica3/laboratorio/gerador/gerador.htm
FUNDAMENTOS DE ELETRICIDADE
1.2 Cargas ( CC ou CA )
Transformar energia elétrica em energia qualquer, que pode ser apenas energia térmica ou outra forma ALËM da térmica ( ex: energia mecânica - motor elétrico ) .
Entrada de energia elétrica CARGA Saída de energia qualquer.
FUNDAMENTOS DE ELETRICIDADE
2. Ligações ( a ) em série
http://br.geocities.com/saladefisica3/laboratorio/serie/serie.htm
FUNDAMENTOS DE ELETRICIDADE
( b ) em paralelo
http://br.geocities.com/saladefisica3/laboratorio/paralelo/paralelo.htm
FUNDAMENTOS DE ELETRICIDADE
CURTO–CIRCUITO: ligar dois pontos por um condutor de resistência nula.
FUNDAMENTOS DE ELETRICIDADE
( c ) série / paralelo
FUNDAMENTOS DE ELETRICIDADE
3. Circuitos de corrente alternada
É usual : geração CA, transmissão CA e distribuição CA; mais econômica, maior flexibilidade (circuitos monofásicos e trifásicos), vários níveis
de tensão e corrente separados por transformadores.
3.1 Tensão alternada senoidal e corrente alternada senoidal
Um gerador CA, por indução eletromagnética, vai produzir:
v : valor instantâneo w . t ; w 2 f ; 2 f . t
Vm : valor máximo ou amplitude (constante) T : Período ; f : freqüência elétrica (ex. freqüência industrial no Brasil : 60 Hz)
FUNDAMENTOS DE ELETRICIDADE
FUNDAMENTOS DE ELETRICIDADE
v Vm sen ; v produz i , de mesma frequência ; i Im sen
i : valor instantâneoIm : valor máximo ou amplitude ( constante )
FUNDAMENTOS DE ELETRICIDADE
VALOR EFICAZ ( ou r m s ) : O valor eficaz de uma corrente alternada ( I ) é o valor da corrente contínua que produz o mesmo efeito térmico que o da corrente alternada no mesmo intervalo de tempo. (valor médio quadrático)
No caso, I 0,707 Im.
Analogamente, o valor eficaz da tensão alternada ( V ) é o valor da tensão contínua que provoca I.
V 0,707 Vm.
Na prática, sempre se utilizam valores eficazes; os medidores medem valores eficazes.
FUNDAMENTOS DE ELETRICIDADE
ÂNGULO DE FASE ( ) : Dependendo do elemento do circuito ao qual se aplica a tensão v, a corrente i no mesmo pode não estar em fase com a tensão aplicada ; ou seja, pode estar atrasada ou adiantada em relação à tensão (referência).
Ex : v Vm sen wt 0 ( ref ) ; i Im sen ( wt 90) 90
REPRESENTAÇÃO FASORIAL : grandezas senoidais de amplitude e freqüência constantes podem ser representadas por um vetor girante chamado FASOR.
Ex: w i Im sen ( wt )
I I : valor eficaz + referência ( = 0) -
FUNDAMENTOS DE ELETRICIDADE
3.2 Circuitos monofásicos ( 1 )
FUNDAMENTOS DE ELETRICIDADE
Exemplo de carga monofásica : impedância Z circuito RLC série
V = Z . I
Modelo :
Z
FUNDAMENTOS DE ELETRICIDADE
Para compatibilizar as dimensões físicas :
R resistência
L indutância ; XL reatância indutiva XL wL 1
C capacitância ; XC reatância capacitiva XC
wCX XL XC ; X reatância do circuito
FUNDAMENTOS DE ELETRICIDADE
TRIÂNGULO DA IMPEDÂNCIA ( Z ) DO CIRCUITO
______z = R² +X²
FUNDAMENTOS DE ELETRICIDADE
3.3 Potência ativa (P) , Potência Reativa (Q) e Potência Aparente (S)
P : Potência ativa é consumida; transformada em potência mecânica, térmica, etc...
QL: Potência reativa indutiva; QC : Potência reativa capacitiva fluem no sistema elétrico, devido às indutâncias e capacitâncias; não são consumidas, mas tem efeitos contrários.
Q QL QC ; Q potência reativa do circuito; se QL = QC Q = 0
S : Potência aparente é a soma vetorial de P e Q.
FUNDAMENTOS DE ELETRICIDADE
TRIÂNGULO DAS POTÊNCIAS P cos ; cos : fator de potência ( f p )
S
P S.cos ; P V . I .cos
Q S.sen ; Q V . I ..sen
cos = 1.0 = 0 sen = 0 Q = 0 S = Pcos = 0 = 90 sen = 1 P = 0 S = Q
CORREÇÃO DO FATOR DE POTÊNCIA
maior f p melhor f p
FUNDAMENTOS DE ELETRICIDADE
3.4 Circuitos trifásicos ( 3 )
Um circuito trifásico é uma combinação de 3 circuitos monofásicos . Num circuito 3 equilibrado, um único gerador CA produz três tensões senoidais de mesmo valor eficaz , mesma freqüência e defasadas de 120º.
FUNDAMENTOS DE ELETRICIDADE
LIGAÇÕES TRIFÁSICAS
As ligações trifásicas podem ser em ESTRELA ( Y ) ou TRIANGULO ( delta ).
FUNDAMENTOS DE ELETRICIDADE
FUNDAMENTOS DE ELETRICIDADE
As cargas monofásicas devem ser divididas igualmente nas 3 fases (sistema equilibrado).
VL : tensão de linha Vf : tensão de faseIL : corrente de linha If : corrente de fase
FUNDAMENTOS DE ELETRICIDADE
RELAÇÕES FUNDAMENTAIS __Ligação Estrela : VL = 3 . Vf IL = If
__Ligação Triângulo : VL = Vf IL = 3 . If
Para as potências : S, P e Q serão trifásicos. S = 3 Vf . If ou S = 3 . VL . IL
FUNDAMENTOS DE ELETRICIDADE
TRIÂNGULO DAS POTÊNCIAS TRIFÁSICAS
_______ S = P² + Q² P cos ; cos : fator de potência (f p) S __ P S.cos ; P 3 . VL . IL.cos __ Q S.sen ; Q 3 . VL . IL.sen
FUNDAMENTOS DE ELETRICIDADE
TÓPICO IITRANSFORMADORES
1. INTRODUÇÃO
Transformador é um dispositivo (equipamento, máquina elétrica) que, por meio da indução eletromagnética, transfere energia elétrica de um circuito (PRIMÁRIO) para outro (SECUNDÁRIO), mantendo a frequência, mas geralmente com valores de tensão e correntes diferentes. Num transformador ideal toda a energia elétrica é transferida do primário para o secundário (não há perdas).
http://pt.wikipedia.org/wiki/Transformador
TRANSFORMADORES
Indução Eletromagnética
Um condutor em movimento num campo magnético fixo OU um condutor fixo num campo magnético variável (no espaço ou no tempo) : nos terminais do condutor aparece uma tensão induzida; se o circuito for fechado, uma corrente induzida.
http://pt.wikipedia.org/wiki/Lei_de_Faraday-Neumann-Lenz
TRANSFORMADORES
núcleo magnético
fonte CA carga CA
lado primário enrolamento primário enrolamento secundário lado secundário
NP; NS : número de espiras do primário e do secundário VP; VS : tensão no primário e no secundário
IP ; IS : corrente no primário e no secundário
TRANSFORMADORES
2. ASPECTOS CONSTRUTIVOS
2.1 A parte ativa (núcleo e enrolamentos) é colocada num tanque cheio de material isolante e refrigerante (ex: óleo, silicone, ar).
TRANSFORMADORES
2.2 O transformador é uma máquina estática, de corrente alternada, podendo ser monofásico ou trifásico; seus enrolamentos estão isolados do núcleo e não há ligação elétrica entre primário e secundário .
TRANSFORMADORES
2.3 As extremidades dos enrolamentos são levadas aos circuitos externos (fora do tanque) por meio de buchas de material isolante (ex : porcelana).
TRANSFORMADORES
TRANSFORMADORES
3. FUNCIONAMENTO
A tensão num enrolamento (bobina) de um transformador é diretamente proporcional ao número de espiras deste enrolamento ( bobina ).
Vp Vs Vp Np Np
= ; = ; = a Np Ns Vs Ns Ns
a: relação de espiras
TRANSFORMADORES
Num transformador ideal, não há perdas ( = 100 % ); logo,
Sp = Ss Vp. Ip = Vs. Is
Vp Is = V e I : inversamente proporcionais Vs Ip
TRANSFORMADORES
Np Ns ( a 1 ) : Vp Vs ; Ip Is transformador abaixador
Np Ns ( a 1 ) : Vp Vs ; Ip Is transformador elevador
TRANSFORMADORES
EXEMPLO : Transformador 1 de 10 kVA , 6600 V / 220 V
Lado de Alta Tensão ( AT ) Lado de Baixa Tensão ( BT )
Pode-se alimentar o transformador ( ligar fonte CA ) pelo lado de AT ou de BT, desde que seja respeitado o nível de tensão ( isolamento ).
TRANSFORMADORES
CLASSES DE ISOLAMENTO : são definidas pelo tipo de material isolante e pelo limite de temperatura admissível.
Ex: Classes B , F , H.
http://www.dsee.fee.unicamp.br/~sato/ET515/node76.html Com a relação Np / Ns fixa, variando-se Vp varia-se Vs na mesma
proporção; no entanto, pode-se variar esta relação e, com isto, consegue-se variar Vs para Vp constante ou manter Vs constante com variações de Vp.
TRANSFORMADORES
4. TRANSFORMADORES EM CIRCUITOS TRIFÁSICOShttp://www.siemens.com.br/upfiles/290.pdf
Nos circuitos trifásicos é possível ter:
4.1 Transformador Trifásico ( 3 ): uma única unidade contendo 3 enrolamentos primários e 3 enrolamentos secundários , ligados em ESTRELA ou TRIÂNGULO ( 4 combinações possíveis ).
TRANSFORMADORES
4.2 Banco de Transformadores monofásicos: composto por 3 transformadores 1 idênticos. As 3 unidades são ligadas numa das 4 combinações possíveis .
EXEMPLO NUMÉRICO: Um transformador 3 de 150 kVA, 11,4 kV / 220 V, 60 Hz, opera nas condições nominais, alimentando em 220 V as cargas de uma indústria.. Calcular as correntes no primário e no secundário do transformador.
TRANSFORMADORES
OBSERVAÇÃO: TRANSFORMADOR DE POTENCIAL (TP) e TRANSFORMADOR DE CORRENTE (TC) .
Quando os valores de tensão e corrente são muito elevados (ex: 13,8 kV, 400A) são utilizados transformadores para instrumentos (TP e TC), que “transformam” esses valores em outros menores (ex: 120 V, 5 A), compatíveis com as escalas dos medidores.
TÓPICO IIIMÁQUINAS ELÉTRICAS ROTATIVAS DE CORRENTE
CONTÍNUA E DE CORRENTE ALTERNADA
MÁQUINAS ELÉTRICAS ROTATIVAS DE CORRENTE CONTÍNUA E DE CORRENTE ALTERNADA
1. INTRODUÇÃO – BALANÇO DE ENERGIA
Máquina Elétrica Rotativa (girante) : equipamento que efetua conversão eletromecânica de energia – GERADORES e MOTORES ELÉTRICOS.
Exemplos: Potência Potência Mecânica Elétrica Ativa
Turbina hidráulica, a vapor n: velocidade do eixo ( rpm )ou a gás; motor diesel ou a gás
MÁQUINAS ELÉTRICAS ROTATIVAS DE CORRENTE CONTÍNUA E DE CORRENTE ALTERNADA
Potência Potência Elétrica Ativa Mecânica
G e M : construtivamente é a mesma máquina; só há inversão no sentido do fluxo de potência.
MÁQUINAS ELÉTRICAS ROTATIVAS DE CORRENTE CONTÍNUA E DE CORRENTE ALTERNADA
Objetivo da máquina: Potência de saída (Ps) : Ps = Pe - perdas de potência ;
= Ps / Pe
Perdas : elétricas, mecânicas e magnéticas calor
Valores nominais : valores de saída – kVA (gerador CA), kW (gerador CC), CV (motor)
MÁQUINAS ELÉTRICAS ROTATIVAS DE CORRENTE CONTÍNUA E DE CORRENTE ALTERNADA
2. PARTES COMPONENTES
http://www.faatesp.edu.br/publicacoes/maquinas_assincronas.pdf
Parte fixa - estator : carcaça e parte magnética
Parte móvel - rotor : eixo e parte magnética
Parte magnética: núcleo magnético e condutores
Na carcaça está fixada a PLACA DE IDENTIFICAÇÃO com valores nominais de potência, tensão, frequência, tipo de máquina, ligações, etc...
MÁQUINAS ELÉTRICAS ROTATIVAS DE CORRENTE CONTÍNUA E DE CORRENTE ALTERNADA
3. TIPOS DE MÁQUINAS
3.1 Máquinas CA (1 e 3)
a) Máquinas Síncronas (em geral 3) – geradores síncronos e motores
síncronos.
A frequência elétrica da tensão (f) é diretamente proporcional à velocidade do eixo – velocidade síncrona (ns). Chamando o número de pólos magnéticos da máquina de p, a velocidade síncrona pode ser calculada por :
ns = 120 . f / p . Logo, se f cte ns cte.
MÁQUINAS ELÉTRICAS ROTATIVAS DE CORRENTE CONTÍNUA E DE CORRENTE ALTERNADA
b) Máquinas Assíncronas ( em geral motores ) – motores de indução 3 e 1 de pequena potência 1 CV.
A velocidade do eixo depende da frequência e das condições de carga (escorregamento).
3.2 Máquinas CC – Geradores de corrente contínua e Motores de corrente contínua .
MÁQUINAS ELÉTRICAS ROTATIVAS DE CORRENTE CONTÍNUA E DE CORRENTE ALTERNADA
4. UTILIZAÇÃO
4.1. Máquinas Síncronas
Gerador Síncrono : enorme utilização; utilizado em usinas hidrelétricas , usinas termoelétricas e grupos motor ( diesel ou a gás ) - gerador
Motor Síncrono: utilização muito restrita; motor de velocidade constante com a frequência da rede constante; é utilizado para correção de fator de potência em grandes sistemas
MÁQUINAS ELÉTRICAS ROTATIVAS DE CORRENTE CONTÍNUA E DE CORRENTE ALTERNADA
4.2. Motor de Indução 3
Enorme utilização; são motores simples, robustos e de baixo custo (rotor gaiola); podem ter bom controle de velocidade pela variação da frequência da tensão aplicada ao motor ou pela utilização de rotor bobinado ( de anéis ) ; restrição : circuito indutivo, piorando o fator de potência da instalação.
MÁQUINAS ELÉTRICAS ROTATIVAS DE CORRENTE CONTÍNUA E DE CORRENTE ALTERNADA
Na partida (n = 0), as correntes no estator são muito elevadas
(4 a 6 vezes a corrente nominal); a partir de determinadas potências, por exemplo, 5 CV a 220 V, são necessários métodos especiais de partida sob tensão reduzida, utilizando dispositivos como chaves estrela-triângulo ou compensadores de partida (autotransformadores).
MÁQUINAS ELÉTRICAS ROTATIVAS DE CORRENTE CONTÍNUA E DE CORRENTE ALTERNADA
4.3 Motores 1 de pequena potência
Em geral são motores de indução ; são utilizados em eletrodomésticos, bombas e compressores.
4.4 Máquinas de Corrente Contínua
Gerador CC : utilização muito restrita, pois as redes elétricas são , em geral, de corrente alternada; competição desfavorável com sistemas de retificação eletrônica.
Motor CC : competitivo, pois possui bom controle de velocidade; restrição : necessita de fonte de corrente contínua para alimentá-lo.
MÁQUINAS ELÉTRICAS ROTATIVAS DE CORRENTE CONTÍNUA E DE CORRENTE ALTERNADA
5. Controle de Velocidade ; Partida e Frenagem de Motores
http://www.cpdee.ufmg.br/~selenios/Acionamentos/Acion_2.pdf
O controle de velocidade consiste em manter a velocidade constante com variações da carga mecânica ou variar essa velocidade com a carga constante. Esse controle pode ser feito por processos mecânicos, hidráulicos ou elétricos. Atualmente dispositivos eletrônicos são amplamente usados para o controle de velocidade de motores.
MÁQUINAS ELÉTRICAS ROTATIVAS DE CORRENTE CONTÍNUA E DE CORRENTE ALTERNADA
Quanto à partida, alguns motores possuem conjugado de partida, como o motor de indução 3 e os motores de corrente contínua. Os motores cujo conjugado de partida é zero necessitam de um dispositivo adicional de partida.
Quanto aos métodos de frenagem, eles podem ser elétricos
ou mecânicos .
MÁQUINAS ELÉTRICAS ROTATIVAS DE CORRENTE CONTÍNUA E DE CORRENTE ALTERNADA
6. Seleção de Motores
O processo consiste na seleção de um motor industrialmente disponível, que atenda, no mínimo, os seguintes requisitos:
a) Fonte de alimentação: tipo (CA ou CC, monofásica ou trifásica), tensão, freqüência.
b) Condições ambientais: agressividade, periculosidade, temperatura, altitude.
c) Exigência da carga e condições de serviço : potência necessária, conjugado exigido, velocidade, ciclo de operação , esforços mecânicos.
d) Confiabilidade e economicidade.
EXERCÍCIOS
EXERCÍCIOS
1 - Os geradores síncronos da Usina Hidrelétrica de Furnas geram energia elétrica em 18 kV a 60 Hz. Uma parte desta energia está suprindo a área do Grande Rio, onde uma indústria recebe esta energia em 13,8kV e a utiliza em 220V. Explique como ocorre esse processo desde a Usina até os equipamentos elétricos em operação na indústria. 2 - Uma instalação com fator de potência 0,50 indutivo é consideradasatisfatória?
Caso você não a considere satisfatória : diga o que você poderia fazer para melhorá-la e apresente uma justificativa a ser dada ao dono da instalação para a necessidade da medida tomada.
EXERCÍCIOS
3 - Uma indústria é alimentada por uma rede elétrica trifásica de 220V em 60 Hz. É necessário suprir uma carga mecânica por meio de um motor elétrico ligado diretamente na rede, sem nenhum equipamento adicional. Qual dos motores abaixo você escolheria? Justifique sua resposta.
Motor 1 : motor CA ; 110 V ; rendimento 95%Motor 2 : motor CC ; 220 V ; rendimento 90%Motor 3 : motor CA ; 220 V ; rendimento 75%Motor 4 : motor CC ; 220 V ; rendimento 85%Motor 5 : motor CA ; 440 V ; rendimento 80%
EXERCÍCIOS
4 - Um transformador monofásico de relação de espiras 10 : 1 é ligado a uma rede de 220V monofásica alimentando uma carga de 5,0 kVA do lado de BAIXA TENSÃO. Calcule a tensão no secundário do transformador e a corrente na carga.
5 - Dadas as afirmativas a seguir, diga se elas são verdadeiras ou falsas, justificando cada uma delas:a) Num circuito trifásico em estrela ( Y ) , as tensões de linha são iguais às tensões de fase.b) Um motor de indução trifásico transforma corrente alternada trifásica em corrente contínua
EXERCÍCIOS
6. Um motor de corrente contínua opera com uma potência de saída de 1,2 CV e rendimento 90%. Quanto marcou um medidor de energia elétrica, em kWh, instalado na entrada do motor, no mês de junho deste ano, quando o motor funcionou 12 horas por dia? Dado: 1 CV = 0,736 kW
1. Um motor de indução ligado a uma rede monofásica de 220 V – 60 Hz, opera com fator de potência 0,95 alimentando uma carga mecânica de 1,10 CV. As perdas de potência do motor podem ser consideradas desprezíveis. Calcule a corrente na entrada do motor. Dado: 1 CV = 0,736 kW
EXERCÍCIOS
8. Um motor de indução trifásico, ligação estrela(Y), 30 CV, 220 V, 60Hz, fator de potência 0,95 indutivo e rendimento 80% é ligado a uma rede elétrica trifásica, operando nas condições nominais. Calcule a corrente em cada fase do motor nestas condições. Três fusíveis, de 60 A cada um, são adequados para a proteção do motor, colocados um em cada fase da entrada do mesmo?
Dado: 1 CV = 0,736 kW
9. Imagine um gerador síncrono trifásico para alimentar o sistema elétrico de um grande hospital no Rio de Janeiro, em caso de falta de energia elétrica da concessionária. Seu eixo deve girar a 900 rpm. Qual o número de pólos deste gerador? Qual o tipo de máquina motriz você sugere para acionar o eixo do gerador? O eixo do gerador deve ser HORIZONTAL ou VERTICAL?
EXERCÍCIOS
10. Uma pequena indústria, num momento de produção reduzida, está funcionando apenas com um motor de indução ligado a uma rede monofásica de 220 V / 60 Hz. O fator de potência do motor é 0,70. Apresente uma justificativa a ser dada ao dono da indústria para a necessidade de aumentar o fator de potência do circuito para, pelo menos, 0,92 indutivo.
11. Um transformador monofásico tem um enrolamento com 800 espiras e outro com 160 espiras. Ele deve alimentar uma carga de 10 kVA em 480 V do lado baixa tensão.
(a) Qual a tensão da fonte para alimentar o transformador?(b) Quais as correntes no primário e no secundário do transformador?
EXERCÍCIOS
12. Uma sala é iluminada por 12 lâmpadas de incandescência (não eficientes), sendo 5 de 100 W e 7 de 60W. Para uma média diária de 10 horas de plena utilização, qual a energia elétrica consumida, em kWh, por essas lâmpadas num mês de 30 dias? O que você sugere para reduzir esse consumo?
13. A resistência elétrica de um enrolamento de uma máquina elétrica rotativa foi medida com a máquina parada, à temperatura ambiente (20ºC), e após algumas horas de funcionamento à plena carga, logo que foi desligada. Os valores encontrados foram respectivamente 25 ohms e 28 ohms. A que você atribui esta diferença nos valores medidos?
EXERCÍCIOS
14. Você precisa alimentar uma carga mecânica de 4,0 CV por meio de um motor elétrico ligado diretamente à rede da concessionária de energia elétrica, que é uma rede trifásica de 380 V ( fase-fase ) e 60 Hz. Dentre as especificações para o motor para ser escolhido você considera o rendimento: imprescindível, relevante ou pouco importante?
EXERCÍCIOS
QUESTÕES TIPO VERDADEIRA ( V ) OU FALSA ( F )
( ) 1. Devido ao fato da passagem de corrente por um condutor gerar calor, e a temperatura do mesmo poder elevar-se atingindo valores que venham a causar deterioração do isolamento, torna-se necessário limitar a intensidade de corrente nos condutores.
( ) 2. O valor da corrente máxima admissível num fio depende da área da sua seção reta e não depende do tipo de isolamento utilizado.
EXERCÍCIOS
( ) 3. Os reostatos se caracterizam pela resistência máxima que podem apresentar, pela corrente máxima que podem suportar e pela potência máxima que podem dissipar.
( ) 4. Um amperímetro deve ser ligado em série com o trecho do circuito que se deseja medir a corrente.
EXERCÍCIOS
( ) 5. Um voltímetro deve ser ligado em paralelo com o trecho do circuito que se deseja medir a tensão.
( ) 6. Fusíveis são sempre ligados em paralelo com o elemento do circuito que estão efetuando a proteção.
EXERCÍCIOS
( ) 7. Se ligarmos quatro lâmpadas iguais de 60 W / 120 V em paralelo a uma fonte de tensão constante de 120 V, a corrente em cada lâmpada será 2 A e a corrente na saída da fonte será 8 A.
( ) 8. Uma corrente elétrica ao percorrer um fio condutor produz um campo magnético em torno do mesmo. Isto pode ser comprovado peladeflexão de uma agulha magnética quando colocada próxima desse
fio.
EXERCÍCIOS
( ) 9. Ao colocarmos uma espira percorrida por corrente elétrica no interior de um campo magnético, forças magnéticas provocarão movimento na
espira. Este é o princípio de funcionamento dos transformadores elétricos.
( ) 10. Quando uma peça de ferro é submetida a um campo magnético variável, nela é induzida corrente elétrica.
EXERCÍCIOS
QUESTÕES DE MÚLTIPLA ESCOLHA
1. Um fio condutor de cobre, utilizado em enrolamentos de transformadores, cilíndrico, de seção reta S e comprimento L tem uma resistência R. Se ele tivesse o dobro da seção reta e a metade do comprimento, sua resistência seria:
a) Rb) 2Rc) 4Red) R/2e) R/4
EXERCÍCIOS
2. Dez resistores de resistência R são associados em paralelo e ligados a uma bateria ideal. A resistência equivalente do circuito vale:
a) 10 Rb) Rc) R/10d) R/2e) O valor depende da força eletromotriz da bateria.
EXERCÍCIOS
3. Por meio de dois wattímetros, ligados respectivamente no primário e no secundário de um transformador monofásico, foram medidos os valores: 1,00 kW e 950 W. O rendimento do transformador nesta situação é:
a) 99,5%b) 95%c) 100%d) 9,5%e) 105%
EXERCÍCIOS
5. Os motores elétricos possuem uma Placa de Identificação, colocada pelo fabricante, fixada em local visível, onde constam os Dados de Placa. Assinale a opção em que aparece pelo um dado incorreto:
a) Marca comercial, tipo;
b) Número de fases, tipo de corrente (CA ou CC);
c) Tensão nominal, freqüência nominal;
d) Potência nominal, velocidade nominal;
e) Classe de Isolamento, nome do comprador.
EXERCÍCIOS
6. Num grupo motor diesel-gerador síncrono 3, o gerador possui 16 pólos e gera 220 V a 60 Hz. Para que isso ocorra, a velocidade do eixo deve ser ajustada em:
a) 3600 rpm;b) 1800 rpm;c) 900 rpm;d) 450 rpm;e) 112,5 rpm.
SUBESTAÇÕES
TÓPICO IVSUBESTAÇÕES
96
1 – Subestações - Conceitos Gerais
1.1 - Definição Básica de uma Subestação
Uma subestação (SE) é um conjunto de equipamentos de manobra e/ou transformação e ainda eventualmente de compensação de reativos usado para dirigir o fluxo de energia em sistemas de potência e possibilitar a sua diversificação através de rotas alternativas, possuindo dispositivos de proteção capazes de detectar os diferentes tipo de faltas que ocorrem no sistema e de isolar os trechos onde estas faltas ocorrem.
97
1.2 - Classificação das SE’s
As subestações podem ser classificadas quanto à sua função e a sua instalação.
1 – Subestações - Conceitos Gerais
98
Função no sistema elétrico:
Subestação TransformadoraÉ aquela que converte a tensão de suprimento para um nível diferente, maior ou menor, sendo designada, respectivamente, SE Transformadora Elevadora e SE Transformadora Abaixadora.Geralmente, uma subestação transformadora próximas aos centros de geração é uma SE elevadora. Subestações no final de um sistema de transmissão, próximas aos centros de carga, ou de suprimento a uma indústria é uma SE transformadora abaixadora.
1.2 – Classificação das SE`s
99
Função no sistema elétrico:
Subestação Seccionadora, de Manobra ou de ChaveamentoÉ aquela que interliga circuitos de suprimento sob o mesmo nível de tensão, possibilitando a sua multiplicação. É também adotada para possibilitar o seccionamento de circuitos, permitindo sua energização em trechos sucessivos de menor comprimento.
1.2 – Classificação das SE`s
100
Modo de instalação dos equipamentos em relação ao meio ambiente:
Subestação Externa ou Ao TempoÉ aquela em que os equipamentos são instalados ao tempo e sujeitos portanto às condições atmosféricas desfavoráveis de temperatura, chuva, poluição, vento, etc., as quais desgastam os materiais componentes, exigindo portanto manutenção mais freqüente e reduzem a eficácia do isolamento.
1.2 – Classificação das SE`s
101
Modo de instalação dos equipamentos em relação ao meio ambiente:
Subestação Interna ou AbrigadaÉ aquela em que os equipamentos são instalados ao abrigo do tempo, podendo tal abrigo consistir de uma edificação e de uma câmara subterrânea.Subestações abrigadas podem consistir de cubículos metálicos, além de subestações isoladas a gás, tal como o hexafluoreto de enxofre (SF6).
1.2 – Classificação das SE`s
102
Principais Equipamentos de uma Subestação e suas Funções
Equipamentos de Transformação
-Transformador de força - TF-Transformadores de instrumentos – TI
transformadores de corrente - TCtransformadores de potencial (capacitivos ou
indutivos) – TP e TPC
Principais Equipamentos da Subestação
103
Sem os transformadores de força seria praticamente impossível o aproveitamento econômico da energia elétrica, pois a partir deles foi possível a transmissão em tensões cada vez mais altas, possibilitando grandes economias nas linhas de transmissão em trechos cada vez mais longos.
Já os transformadores de instrumentos (TC’s e TP’s) têm a finalidade de reduzir a corrente ou a tensão respectivamente a níveis compatíveis com os valores de suprimento de relés e medidores.
Equipamentos de Transformação
104
DisjuntoresDestinados à operação em carga, podendo sua operação ser manual ou automática.
Chaves seccionadorasEquipamentos destinados a isolar equipamentos ou zonas de barramento, ou ainda, trechos de linhas de transmissão. Somente podem ser operadas sem carga, muito embora possam ser operadas sob tensão.
Equipamentos de Manobra
105
- Reator derivação ou série- Capacitor derivação ou série- Compensador síncrono- Compensador estático
Desses equipamentos o que são utilizados com mais freqüência nas SE’s receptoras de pequeno e médio porte é o capacitor derivação. Quando a planta industrial possui motor síncrono, a compensação de reativo geralmente é feita através dele.
Equipamentos para Compensação de Reativos
Out/06 106
- Pára-raios
O pára-raios é um dispositivo protetor que tem por finalidade limitar os valores dos surtos de tensão transitórios que, de outra forma, poderiam causar severos danos aos equipamentos elétricos. Eles protegem o sistema contra descargas de origem atmosféricas e contra surtos de manobra.
Equipamentos de Proteção
Out/06 107
- Relés
Os relés têm por finalidade proteger o sistema contra faltas, permitindo através da atuação sobre disjuntores, o isolamento dos trechos de localização das faltas.
- Fusíveis
O fusível se destina a proteger o circuito contra curtos, sendo também um limitador da corrente de curto. Muito utilizado na indústria para a proteção de motores.
Equipamentos de Proteção
Out/06 108
Constituem os instrumentos destinados a medir grandezas tais como corrente, tensão, freqüência, potência ativa e reativa, etc.
Equipamentos de Medição
Out/06 109
Entre os vários esquemas de subestações de média tensão encontrados na prática, podem ser destacados, pela sua freqüência de utilização, a entrada direta e o barramento simples, descritos a seguir.
2 - Principais Esquemas de Subestações de Média Tensão
2.1 - Entrada direta
Em SE’s receptoras com uma só entrada e um só transformador não é necessário barramento, podendo ser prevista uma alimentação direta. A Figura 2 mostra esquemas de subestações com entrada direta.
Out/06 110
Figura 2 – Entrada Direta
Principais Esquemas de Subestações de Média Tensão
Out/06 111
Principais Esquemas de Subestações de Média Tensão
2.2 - Barramento Simples
Havendo mais de uma entrada, e/ou mais de um transformador em SE receptora o barramento simples é o esquema de maior simplicidade e menor custo, com confiabilidade compatível com este tipo de suprimento. A seguir são apresentadas figuras com as principais variações encontradas em SE’s de barramento simples.
Out/06 112
Figuras A e B
O defeito em qualquer transformador causa a abertura do disjuntor, desligando por completo a SE, cabe ao operador identificar a unidade afetada, isolá-la através dos respectivos seccionadores e providenciar o religamento do disjuntor.
2.2 - Barramento Simples
Out/06 113
(A) (B)
2.2 - Barramento Simples
Out/06 114
Figura C
Este esquema, utilizado em SE’s de maior porte, limita o desligamento ao transformador defeituoso, introduzindo disjuntor individual para cada transformador. O acréscimo de chaves de isolamento e de contorno (by-pass) dá maior flexibilidade à operação, às custas de maior complexidade nos circuitos de controle (aumentando os intertravamentos) e de proteção (adicionando transferência de disparo no caso de contorno de um disjuntor).
2.2 - Barramento Simples
Out/06 115
Figura C
2.2 - Barramento Simples
Out/06 116
As figuras D, E, F e G apresentadas a seguir mostram esquemas para SE’s com duas entrada radiais, com um ou mais transformadores.
Figura D
Este esquema só permite a alimentação da SE por uma entrada de cada vez, mediante intertravamento adequado, obrigando o desligamento momentâneo da carga quando for necessária a transferência de fonte.
2.2 - Barramento Simples
Out/06 117
Figura D
2.2 - Barramento Simples
Out/06 118
Figura E
Se as entradas puderem ser ligadas em paralelo, obtém-se maior confiabilidade com o esquema E, onde cada entrada sendo dotada de disjuntor próprio, pode ser desligada em caso de falha, independentemente de outra. Neste caso, o(s) disjuntor(es) não precisa(m) de chave de contorno face a existência da segunda entrada.
2.2 - Barramento Simples
Out/06 119
Figura E
2.2 - Barramento Simples
Out/06 120
Figuras F e G
Havendo dois transformadores, pode ser seccionada a barra para tornar a operação mais flexível (F). Se for necessário evitar a interrupção total do suprimento ao ser desligado um transformador, instala-se um disjuntor para seccionar a barra (G).
2.2 - Barramento Simples
Out/06 121
Figura F
2.2 - Barramento Simples
Out/06 122
Figura G
2.2 - Barramento Simples
Out/06 123
As SE’s receptoras destinadas às indústrias que aparecerem com maior freqüência são na faixa de tensão de 13,8 a 69 kV, prevalecendo em sua grande maioria as SE’s de pequeno porte (13,8 kV). Assim, serão enfatizados tanto os esquemas como o arranjo físico dessas SE’s.
Principais Esquemas de Subestações de Média Tensão
Out/06 124
3.1 - Esquemas de Manobra de SE’s Receptoras
Os esquemas mais utilizados são os da figura A para as SE’s de 13,8 kV e B para as SE’s acima de 13,8 até 138 kV.
3.2 - Arranjos Físicos de SE’s Receptoras
Neste item serão apresentados alguns dos principais arranjos utilizados nas SE’s receptoras.
3 - Esquemas de Manobra e Arranjos de SE’s Receptoras
Out/06 125
3 - Esquemas de Manobra e Arranjos de SE’s Receptoras
3.2.1 - Arranjos Físicos das Subestações de 13,8 kV
Os principais tipos de arranjos físicos característicos das subestações de 13,8 kV são:
SE Abrigada
A Figura 3 apresenta um esquema típico de uma subestação abrigada em 13,8 kV.
Out/06 126
Planta Baixa Corte A-A
3.2.1 - Arranjos Físico das Subestações de 13,8 kV
Diagrama Unifilar
FIGURA 3
Out/06 127
Figura 4 - Vista Geral de SE de 13,8 kV ao Tempo
3.2.1 - Arranjos Físico das Subestações de 13,8 kV
SE ao TempoAs Figuras 4 e 5 mostram alguns detalhes de SE’s de 13,8 kV ao tempo.
Out/06 128
Figura 5 – Vista de SE de 13,8 kV ao Tempo
3.2.1 - Arranjos Físico das Subestações de 13,8 kV
Out/06 129
Figura 6 SE Semi-Abrigada13,8 / 4,16 kV Planta
3.2.1 - Arranjos Físico das Subestações de 13,8 kV
SE Semi-AbrigadaA Figura 6 apresenta a planta baixa de uma SE semi-abrigada de 13,8 / 4,16 kV. A Figura 7 mostra um corte.
Out/06 130
Figura 7 SE Semi-Abrigada 13,8 / 4,16 kV Corte A-A
3.2.1 - Arranjos Físico das Subestações de 13,8 kV
Out/06 131
3.2.1 - Arranjos Físico das Subestações de 13,8 kV
Vista Frontal comPortas Externas Abertas
Figura 8
SE Blindada ao Tempo
A Figura 8 apresenta uma SE blindada ao tempo.
Out/06 132
Diagrama Unifilar
Legenda
1 – Seccionador de entrada2 – Seccionador do disjuntor3 – Disjuntor Principal4 – Comando Auxiliar Geral5 – Conector de Ligação neutro/terra6 – Bloqueio Elétrico7 – Caixa de Medição8 – Entrada dos Cabos9 – Saída dos Cabos
Figura 8:SE Blindada ao Tempo
3.2.1 - Arranjos Físico das Subestações de 13,8 kV
Out/06 133
Diagrama Unifilar
3.2.1 - Arranjos Físico das Subestações de 13,8 kV
SE Blindada AbrigadaA Figura 9 mostra uma SE blindada abrigada do unifilar abaixo.
Out/06 134
Figura 9:SE Blindada Abrigada
Corte A-A Vista Frontal
Corte B-B
3.2.1 - Arranjos Físico das Subestações de 13,8 kV
Out/06 135
Figura 10 Visão Geral SE 15 MVA 69 / 4,16 kV
3.2.2 - Arranjo Físico de uma Subestação de 69 kV
Esquemas de Manobra e Arranjos de SE’s Receptoras
Out/06 136
Figura 11 - Detalhe de
Disjuntor de 69 kV a PVO
3.2.2 - Arranjo Físico de uma Subestação de 69 kV
Out/06 137
Figura 12 - Detalhe de TI`s de 69 kV
3.2.2 - Arranjo Físico de uma Subestação de 69 kV
Out/06 138
Figura 13 - Detalhe de Transformador de uma SE-69 kV
3.2.2 - Arranjo Físico de uma Subestação de 69 kV
Out/06 139
200130300170150115200150
RecomendadoMínRecomendadoMínRecomendadoMínRecomendadoMín
Fase-Neutro (mm)
Fase-Fase (mm)
Fase-Neutro (mm)
Fase-Fase (mm)
Serviço ExternoServiço Interno
Figura 15 - Afastamento recomendados Para Barramentos de SE de 13,8 kV
Tabelas práticas utilizadas em Projetos de Subestações
Out/06 140
3,002,502,502,50Altura mínima do solo, das partes em tensão reduzida a zero (porcelana, isoladores, etc.)
5,004,504,003,00Alturas mínima do solo, das partes vivas
3,402,202,000,50Entre fase e terra, para barras flexíveis
2,501,501,500,50Entre fase e terra, para barras rígidas
4,503,002,501,20Entre fases, para barras flexíveis
3,602,402,151,20Entre fases, para barras rígidas
230 kV 138 kV 69 kV25/34 kVDistâncias Mínimas (m)
Figura 16 – Distâncias mínimas recomendados
(1) As chaves no barramento são consideradas como barras flexíveis.(2) As distâncias fase-terra de barras flexíveis são do ponto de flexa máxima ao solo.
Tabelas para Projetos de Subestações
Out/06 141
8,5-50De 701 a 2500
6,5420ATÉ 700
Vergalhão de Cobre( mm)
FioCobre Nu (AWG)
Tubo ou Barra Retangular de Cobre
(mm2)
Demanda (kVA)
Figura 17 – Recomendação de diâmetro de barramento para SE de 13,8 kV abrigada
Tabelas para Projetos de Subestações
Out/06 142
4 – Seleção dos Níveis de Tensão das Subestações
Uma forma de estimar o nível da tensão de suprimento para instalações com potência acima de 3.000 kW é através da seguinte fórmula:
PT 18Onde:
T tensão (kV); P potência instalada (MW)
Out/06 143
Seleção dos Níveis de Tensão das Subestações
O nível de tensão deve sempre submetida a uma análise das cargas por parte da concessionária.
Deve-se conhecer os níveis de tensão disponíveis no local de implantação do projeto e a partir daí verificar se as necessidades do projeto são atendidas.
Out/06 144
Seleção dos Níveis de Tensão das Subestações
Após a seleção da tensão de suprimento, pode-se definir as tensões secundárias de força e auxiliares.Em sistemas industriais, a tensão dos motores são determinantes na escolha da tensão secundária do sistema de distribuição de força.No caso de motores, é muito importante a escolha correta da tensão nominal em função, dentre outros fatores, da potência de forma a obter um equipamento mais econômico.
Out/06 145
Seleção dos Níveis de Tensão das Subestações
A tabela abaixo apresenta uma relação tensão – potência de motores normalmente encontrado no mercado:
6600 ou 13200> 4000
40001000 – 5000
2300500 – 1500
380 ou 440Até 500
Tensão (V)Potência (cv)
Figura 18 – Escolha da tensão: motores
Out/06 146
5 – Definição da Potência das Subestações Industriais
A seguir serão apresentados dois exemplos para definição da potência de SE’s para indústrias.
5.1 - Pequeno Porte
Uma indústria contém 12 motores de 10 cv alimentados pelo CCM1, 10 motores de 30 cv e 5 motores de 50 cv alimentados pelo CCM2. O QDL, responsável pela iluminação da indústria, alimenta 150 lâmpadas fluorescentes de 40 W e 52 incandescentes de 100 W. Todas essas cargas são alimentadas pelo QGF que é suprido pelo transformador da subestação.
Out/06 147
5.1 – Pequeno Porte
Determinar as demandas do CCM1, CCM2, QDL, QDF e QGF e a potência necessária do transformador da subestação. Sabe-se que todos os motores têm fator de potência 0,85.
Obs: Considerar as potências dos motores em cv já incluindo o rendimento do motor.
Out/06 148
- Potência dos Motores
S10cv = kVA
S30cv = kVA
S50cv = kVA
66,885,0
736,010
98,2585,0
736,030
5.1 – Pequeno Porte
29,4385,0
736,050
Out/06 149
- Demanda dos Quadros de Distribuição:
CCM1
DCCM1 = N10 cv x S10 cv x FS
Onde:
N – número de motores FS – fator de simultaneidade;
DCCM1 = 12 x 8,66 x 0,65 = 67,55 kVA
5.1 – Pequeno Porte
Out/06 150
CCM2
DCCM2 = (N30 cv x S30 cv x FS) + (N50cv x S50cv x FS)
DCCM2 = (10 x 25,98 x 0,65) + (5 x 43,29 x 0,7) = 320,39 kVA
QDL
Perdas no reator nas lâmpadas de 40 W: 20 W
DQDL = 150 x (40 + 20) + 52 x 100 = 14,2 kVA
5.1 – Pequeno Porte
Out/06 151
5.1 – Pequeno Porte
QGF
DCGF = DCCM1 + DCCM2 + DQDL
DCGF = 67,55 + 320,39 + 14,2 = 402,14 kVA
Potência do Transformador
Potência mais próxima padronizada: 500 kVA
Out/06 152
5.1 – Pequeno Porte
Cálculo do Fator de Demanda
Potência instalada = kVA
Fator de demanda =
34,5942,1485,0
736,0)50530101012(
68,034,594
14,402
Out/06 153
5.1 – Pequeno Porte
Tabela de Fatores de Demanda Característicos:
------------1,001,00Fornos de Indução
------------1,001,00Fornos Resistivos
0,300,300,300,400,400,450,450,45Soldadores
0,700,700,700,750,800,850,900,90Retificadores
0,600,650,650,650,700,700,800,90Acima de 40 cv
0,500,600,600,650,750,800,800,80Motores: 20 a 40 cv
0,450,550,650,700,750,750,800,85Motores: 3 a 15 cv
0,400,500,550,600,700,750,800,85Motores: ¾ a 2,5 cv
502015108542
Número de AparelhosAparelhos
Out/06 154
5.2 – Grande Porte
Fator de Carga (FC) = [carga do trafo] / [potência nominal do trafo]
FCtrans. (máx) = 150% normalizado
Potência nominal do trafo = [carga do trafo] / [FC]
Considerações para o cálculo:
FC = 100%; fator de segurança = 1,25 x carga
Out/06 155
5.2 – Grande Porte
Exemplo 2
Carga:
- Dois motores de 355 kW 788,81 kVA- Um motor de 710 kW 788,81 kVA- Um motor de 1500 kW 1666,5 kVA
- Partida de um motor de 1500 kW:5 x 1666,5 kVA 8332,5 kVA
Carga Total 11576,6 kVA
Out/06 156
5.2 – Grande Porte
Estimando potência do transformador igual a 10.000 kVA:
FC = 11576,62 kVA / 10000 kVA = 1,15766 = 115,76%
Para fator de segurança de 25%:
Carga: 11576,62 x 1,25 = 14470,77 kVA
FCtrans. = 144,7% dentro da norma
Out/06 157
6.1 – Transformador de Força
Os transformadores de força são classificados segundo o seu meio isolante, podendo ser a óleo mineral, a líquidos isolantes sintéticos pouco inflamáveis (silicone) e secos.
O óleo mineral (derivado do petróleo) e os líquidos isolantes sintéticos usados em transformadores, possuem duas funções principais: isolar, evitando a formação de arco entre dois condutores que apresentem uma diferença de potencial, e resfriar, dissipando o calor originado da operação do equipamento.
Os transformadores secos utilizam o ar circulante como meio isolante e refrigerante, possuindo isolamento classe B, classe F ou classe H.
6 – Equipamentos: Tipos, Seleção e Dimensionamento
Out/06 158
6.2 – Transformador de Corrente
O transformador de corrente (TC) é um transformador para instrumento cujo enrolamento primário é ligado em série a um circuito elétrico e cujo enrolamento secundário se destina a alimentar bobinas de correntes de instrumentos elétricos de medição e proteção.
Equipamentos: Tipos, Seleção e Dimensionamento
Out/06 159
6.2 – Transformador de Corrente
6.2.1 – Princípios Fundamentais
A Figura 19 mostra o esquema básico de um TC :
N1.I1 = N2.I2
Figura 19 – Esquema Básico de um TC
Out/06 160
6.2 – Transformador de Corrente
O enrolamento primário dos TC’s é, normalmente, constituído de poucas espiras (2 ou 3 espiras, por exemplo) feitas de condutores de cobre de grande seção.
6.2.2 – Principais Tipo Construtivos
Os transformadores de corrente classificados de acordo com a sua construção mecânica são os seguintes:
Out/06 161
6.2 – Transformador de Corrente
TC Tipo Primário Enrolado
TC cujo enrolamento primário constiuído de uma ou mais espiras envolve mecanicamente o núcleo do transformador.O TC tipo primário enrolado é mais utilizado para serviços de medição, mas pode ser usado para serviços de proteção onde pequenas relações são requeridas. A Figura 20 mostra este tipo de TC.
Out/06 162
Figura 20 – TC Tipo Enrolado
6.2 – Transformador de Corrente
Out/06 163
6.2 – Transformador de Corrente
TC Tipo Barra
TC cujo primário é constituído por uma barra, montada permanentemente através do núcleo do transformador. Este TC é adequada para resistir aos esforços de grandes sobrecorrentes. A Figura 21 mostra o esquema básico de um TC tipo barra.
Out/06 164
Figura 21 – TC Tipo Barra
6.2 – Transformador de Corrente
Out/06 165
6.2 – Transformador de Corrente
TC Tipo Janela
É aquele que não possui primário próprio e é constituído de uma abertura através do núcleo, por onde passa o condutor do circuito primário. A Figura 22 mostra este tipo de TC.
Out/06 166
Figura 22 – TC Tipo Janela
6.2 – Transformador de Corrente
Out/06 167
6.2 – Transformador de Corrente
TC Tipo Bucha
Tipo especial de TC tipo janela é construído e projetado para ser instalado sobre uma bucha de um equipamento elétrico, fazendo parte integrante do fornecimento deste. Pelo seu tipo de construção e instalação, o circuito magnético dos TC’s tipo bucha é maior que nos outros TC’s , sendo mais precisos para corrente altas, pois possuem menor saturação. Em baixas correntes são menos precisos em virtude da maior corrente de excitação, razão pela qual não são usados para medição. A Figura 23 mostra este tipo de TC.
Out/06 168
Figura 23 – TC Tipo Bucha
6.2 – Transformador de Corrente
Out/06 169
6.2 – Transformador de Corrente
TC Tipo Núcleo Dividido
Este tipo possui o enrolamento secundário completamente isolado e permanentemente montado no núcleo, mas não possui enrolamento primário.Parte do núcleo é separável ou articulada para permitir o enlaçamento do condutor primário.Um tipo muito difundido de TC com núcleo dividido é o amperímetro alicate. A Figura 24 mostra o esquema básico de um TC de núcleo dividido.
Out/06 170
Figura 24 – TC Tipo Núcleo Dividido
6.2 – Transformador de Corrente
Out/06 171
6.2 – Transformador de Corrente
6.2.3 – Principais Característica Elétricas dos TC`s
As principais características dos TC’s são:
- Corrente Secundária Nominal: Padronizada em 5 A.
- Corrente Primária Nominal: Caracteriza o valor nominal suportado em regime normal de operação pelo TC. Sua especificação deve considerar a corrente máxima do circuito em que o TC está inserido e os valores de curto-circuito.
Out/06 172
6.2 – Transformador de Corrente
6.2.3 – Principais Característica Elétricas dos TC`s
- Classe de Exatidão: Valor máximo do erro do TC, expresso em percentagem, que poderá ser causado pelo TC aos instrumentos a ele conectados. A tabela abaixo mostra as classes padronizadas:
100,3 ; 0,6 ; 1,2ANSI
5 ; 100,3 ; 0,6 ; 1,2 ; 3,0ABNT
TC para ProteçãoTC para Medição
Figura 25 – Classe de Exatidão
Out/06 173
6.2 – Transformador de Corrente
A Classe de exatidão do TC para medição com finalidade de faturamento a consumidor deve ser igual a 0,3 (ver tabela da Figura 26).
Figura 26 – TC`s para Instrumentos
1,20,6Indicadores
0,60,3Medidores
AceitávelRecomendada
Classe de ExatidãoTC’s Alimentando Instrumentos
Out/06 174
6.2 – Transformador de Corrente
- Carga Nominal: Carga na qual se baseiam os requisitos de exatidão do TC. A tabela da Figura 27 mostra a designação da carga nominal dos TC’s segundo a ABNT:
8,00,50200,06,92834,00C 200,0
4,00,50100,03,46422,00C 100,0
2,00,5050,01,73211,00C 50,0
1,00,5025,00,86610,50C 25,0
0,50,9012,50,21800,45C 12,5
0,20,905,00,08720,18C 5,0
0,10,902,50,04360,09C 2,5
Impedância ()
Fator de Potência
Potência Aparente (VA)
Reatância ()
Resistência ()
Designação da Carga
Figura 27 – Carga Nominal
Out/06 175
6.2 – Transformador de Corrente
- Fator Térmico: Fator pelo qual deve-se multiplicar a corrente primária nominal para se obter a corrente primária máxima que o TC é capaz de conduzir em regime permanente, sob freqüência nominal, sem exceder os limites de elevação de temperatura especificados e sem sai de sua classe de exatidão.
- Nível de Isolamento: Define a especificação do TC quanto às condições que deve satisfazer a sua isolação em termos de tensão suportável.
- Polaridade: Normalmente é utilizada a polaridade subtrativa.
Out/06 176
6.2 – Transformador de Corrente
- Corrente Térmica Nominal: Maior corrente primária que um TC é capaz de suportar durante 1 segundo, com o enrolamento secundário curto-circuitado, sem exceder, em qualquer enrolamento, a temperatura máxima especificada para sua classe de isolamento.
do disjuntor
- Corrente Dinâmica Nominal: Valor de crista da corrente primária que um TC é capaz de suportar durante o primeiro meio ciclo com o enrolamento secundário curto-circuitado, sem danos devido às forças eletromagnéticas resultantes. É igual a 2,5 vezes o valor da corrente térmica nominal.
NIterm II
Out/06 177
6.2 – Transformador de Corrente
6.2.4 – Designação Normativa dos TC`s
TC’s para Serviço de Medição
A designação dos TC’s, de acordo com a ABNT, é feita indicando a classe de exatidão seguida da carga nominal com a qual se verifica esta exatidão.
Exemplos: 0,6 – C50,00,3 – C2,5
A designação de acordo com a ANSI é feita indicando a classe de exatidão seguida da letra “B” e da impedância da carga nominal com a qual se verifica esta exatidão.
Exemplos: 0,6B – 2,00,3B – 0,1
Out/06 178
6.2 – Transformador de Corrente
TC’s para Serviço de Proteção
A designação dos TC’s, de acordo com a ABNT e ANSI, é feita de acordo com a tabela da Figura 28.
Out/06 179
6.2 – Transformador de Corrente
10B 800C 800800200,010
10B 400C 400400100,010
10B 200C 20020050,010
10B 100C 10010025,010
10B 50C 505012,510
10B 20C 20205,010
10B 10C 10102,510Baixa
10A 800T 800800200,010
10A 400T 400400100,010
10A 200T 20020050,010
10A 100T 10010025,010
10A 50T 505012,510
10A 20T 20205,010
10A 10T 10102,510Alta
Ver. 1980Rev. 1968
ABNT (EB-251.2)
ANSI (C.57.13)
Tensão Secundári
a (V)
Potência Aparente
(VA)
Classe de Exatidão
(%)
Impedância
Secundária Interna
DesignaçãoCaracterísticas Nominais
Figura 28
TC`s para Proteção
Out/06 180
6.2 – Transformador de Corrente
6.2.5 –Determinação da Corrente Primária Nominal do TC
Por recomendação do IEEE, a relação ideal do TC é a que atende a condição:
4 A > (corrente que circula do primário do TC) / k > 3 A
Onde “k” é a relação de transformação nominal do TC, ou seja: ,
resultando:
> >
A
Ik N
51
1,66 x Corrente que circula no primário do TC
Corrente Primária Nominal do TC
1,25 x Corrente que circula no primário do TC
Out/06 181
6.2 – Transformador de Corrente
Além disso:
Função da Capacidade Dinâmica:
Função da Capacidade Térmica:
Onde:
IN1 – Corrente nominal primária do TC;IM – Corrente momentânea do disjuntor do sistema ou ramal elétrico;b1 – Coeficiente do limite de corrente de curta duração para efeito mecânico; IIN – Corrente de interrupção nominal do disjuntor do sistema ou ramal elétrico;
b2 – Coeficiente do limite de corrente de curta duração para efeito térmico.
21 b
II INN
11 b
II MN
Out/06 182
6.3 – Transformador de Potencial
O transformador de potencial (TP) é um transformador para instrumento cujo enrolamento primário é ligado em derivação a um circuito elétrico e cujo enrolamento secundário se destina a alimentar bobinas de potencial de instrumentos elétricos de medição e proteção ou controle.
Out/06 183
6.3 – Transformador de Potencial
6.3.1 – Princípios Fundamentais
A Figura 29 apresenta o esquema básico de ligação de um TP:
N 1
N 2
V 1
V 2
2
1
2
1
N
N
V
V
Figura 29 – Transformador de Potencial
- O TP é construído com N1 > N2.
Out/06 184
6.3 – Transformador de Potencial
6.3.2 – Principais Características dos TP`s
-Tensão Primária Nominal: Estabelecida de acordo com a tensão do circuito no qual o TP será instalado.
-Tensão Secundária Nominal: Padronizada em 115 V ou 115/ V.
Out/06 185
6.3 – Transformador de Potencial
6.3.2 – Principais Características dos TP`s
- Classe de Exatidão: Valor máximo do erro (expresso em percentagem) que poderá ser causado pelo transformador aos instrumentos a ele conectados (ver tabela da Figura 30).
1,20,6Indicadores
0,60,3Medidores
AceitávelRecomendada
Classe de ExatidãoTP’s Alimentando Instrumentos
Figura 30 – Classe de Exatidão
Out/06 186
6.3 – Transformador de Potencial
6.3.2 – Principais Características dos TP`s
- Carga Nominal: Carga na qual se baseiam os requisitos de exatidão do TP. A tabela da Figura 31 apresenta a designação segundo a ABNT e a ANSI.
Figura 31 – Carga Nominal ZZP 400
ZP 200
YP 75
XP 25
WP 12,5
Designação ANSI
Designação ABNT
Out/06 187
6.3 – Transformador de Potencial
6.3.2 – Principais Características dos TP`s
Exemplo: Um relé de consumo 20 VA/fase a 110 V é aplicado a um TP com tensão secundária de 120 V. O valor corrigido será:
R
V
Z
V
Z
VVIVVA
22
20
11011020
22 )(R
R
)(
VAVAnovo 8,23)110(
)120(20
20
)110(
)120(2
2
2
2
Out/06 188
6.3 – Transformador de Potencial
6.3.2 – Principais Características dos TP`s
- Potência Térmica: Maior potência aparente que um TP pode fornecer em regime permanente sob tensão e freqüências nominais, sem exceder os limites de temperatura permitidos pela sua classe de isolamento.
- Nível de Isolamento: Define a especificação do TP quanto à sua isolação em termos de tensão suportável.
Out/06 189
6.3 – Transformador de Potencial
6.3.3 – Designação Normativa dos TP`s
A designação correta dos TP’s é feita indicando-se a classe de exatidão separada por um hífen do valor da maior carga nominal com a qual esta se verifica.
Exemplos:
0,6 – P400 (ABNT) 0,6 – ZZ (ANSI)1,2 – P25 (ABNT) 1,2 – X (ANSI)
Out/06 190
6.3 – Transformador de Potencial
6.3.4 – Grupos de Ligação
De acordo com a ABNT, os TP’s classificam-se em três grupos:
Grupo 1: TP projetado para ligação entre fases;
Grupo 2: TP projetado para ligação entre fase e neutro de sistemas diretamente aterrados;
Grupo 3: TP projetado para ligação entre fase e neutro de sistema onde não se garanta a eficácia da aterramento.
Define-se um sistema trifásico com neutro efetivamente aterrado como sendo um sistema em que fator de aterramento que não exceda 80%. Esta condição é obtida quando:
e 3
1
0 X
X1
1
X
Ro
Out/06 191
6.4 – Chaves Seccionadoras
As chaves secionadoras são dispositivos destinados a isolar equipamentos ou zonas de barramentos, ou ainda, trechos de LT’s.
6.4.1 – Tipos Construtivos
Os tipos construtivos de chaves estão definidos em diversas normas. É apresentada a seguir a classificação segundo as normas ANSI, definidas com relação ao tipo de abertura ou ao modo de operação, ou ainda, ao meio de movimentação do contato móvel.
Out/06 192
6.4 – Chaves Seccionadoras
Abertura Vertical – Tipo A
A chave é composta por três colunas de isoladores fixados sobre uma única base. O movimento de abertura ou fechamento do contato móvel (lâmina) dá-se num plano que contém o eixo longitudinal da base e é perpendicular ao plano de montagem da mesma. Devido a essa forma construtiva, a distância entre fases pode ser reduzida ao mínimo permitido.
Out/06 193
6.4 – Chaves Seccionadoras
As chaves de abertura vertical (Figura 32) podem ter montagem horizontal, vertical ou invertida, sendo aplicadas para isolar equipamentos e circuitos, para desvio (by-pass) ou como chave seletora.
Figura 32 – Abertura Vertical
Out/06 194
6.4 – Chaves Seccionadoras
Dupla Abertura Lateral – Tipo B
Essa chave é composta por três colunas de isoladores fixadas sobe uma base única, sendo a coluna central eqüidistante das duas colunas externas. O movimento de abertura ou fechamento do contato móvel dá-se num plano paralelo ao plano de montagem da base, através da rotação da coluna central.
Out/06 195
6.4 – Chaves Seccionadoras
As chaves com dupla abertura lateral (Figura 33) podem ter montagem horizontal, vertical ou invertida, sendo aplicadas para isolar equipamentos e circuitos, para desvio (by-pass) ou como chave seletora.
Figura 33 – Dupla Abertura Lateral
Out/06 196
6.4 – Chaves Seccionadoras
Basculante (3 colunas) – Tipo C
A chave é composta por três colunas de isoladores ligadas a uma base única, sendo as duas colunas extremas fixas suportando os terminais e a interior móvel. Esta última apresenta movimento de rotação em torno do ponto de fixação à base, e carrega o contato móvel em seu topo.
Podem ter montagem horizontal, vertical ou invertida, sendo aplicadas para isolar equipamentos e circuitos, para desvio (by-pass) ou como chave seletora.
Out/06 197
6.4 – Chaves Seccionadoras
Abertura Lateral – Tipo D
A chave é composta por duas colunas de isoladores ligadas a uma única base, sendo o contato fixo suportado por uma coluna fixa e o contato móvel por uma coluna rotativa. O movimento de abertura ou fechamento da lâmina dá-se em um plano paralelo ao plano de montagem da chave.
Out/06 198
6.4 – Chaves Seccionadoras
As chaves de abertura lateral (Figura 34) podem ter montagem horizontal, vertical ou invertida, sendo aplicadas para isolar equipamentos e circuitos, para desvios ou como chave seletora.
Figura 34 –Abertura Lateral
Out/06 199
6.4 – Chaves Seccionadoras
Abertura Central – Tipo E
A chave seccionadora com abertura central (Figura 35) é composta por duas colunas de isoladores, ambas rotativas e ligadas a uma única base. O movimento de abertura e fechamento da lâmina é seccionada em duas partes fixadas ao topo das colunas rotativas, ficando o contato macho na extremidade de uma das partes da lâmina e a fêmea, na outra.
Out/06 200
6.4 – Chaves Seccionadoras
Esse tipo de chave tem montagem horizontal ou vertical, sendo aplicada para isolar equipamentos e circuitos, para desvio ou como chave seletora.
Figura 35 –Abertura Central
Out/06 201
6.4 – Chaves Seccionadoras
Basculante (2 Colunas) – Tipo FEsta é composta por duas colunas de isoladores ligadas a uma
única base, sendo uma delas fixa e suporte para o conato fixo e a
outra móvel e suporte para o contato móvel. O movimento da coluna
móvel é de rotação ao redor do ponto de fixação à base.
Aterramento – Tipo GA chave de aterramento é composta por uma coluna de isoladores
fixa, em cujo topo encontram-se os contatos fixos e a lâmina fecha
paralela à coluna de isoladores. Podem ter montagem horizontal,
vertical ou invertida.
Out/06 202
6.4 – Chaves Seccionadoras
Operação por Vara de Manobra – Tipo H
A chave é composta por duas colunas de isoladores fixas. A abertura ou fechamento da lâmina dá-se através de engate da vara de manobra a um gancho ou olhal apropriado. Sua montagem pode ser vertical ou invertida.
Out/06 203
6.4 – Chaves Seccionadoras
Fechamento ou Alcance vertical – Tipo J
Também chamado de chave vertical reversa (Figura 36), este tipo de chave é composto por duas ou três colunas de isoladores. O movimento de abertura ou fechamento da lâmina dá-se num plano perpendicular ao plano de montagem da base, na qual estão fixadas as duas colunas de isoladores, uma rotativa e outra fixa. Existem duas possibilidades de montagem dos contatos fixos: em coluna de isoladores invertida ou diretamente no barramento.
Out/06 204
6.4 – Chaves Seccionadoras
Entre as chaves com fechamento vertical pode-se incluir as chaves pantográfica e semi-pantográfica. Este tipo de chave tem montagem horizontal. A Figura 36 mostra alguns exemplos.
Figura 36 –Fechamento ou Alcance Vertical
Out/06 205
6.4 – Chaves Seccionadoras
6.4.2 – Tipos de Operação e Comando
Operação em Grupo
Os pólos da seccionadora são interligados mecanicamente através de hastes ou cabos e são operados simultaneamente. As chaves de operação em grupo podem ter ainda comando direto e indireto. No primeiro caso, o movimento é transmitido às colunas rotativas através de um dos próprios pólos. Já no caso de comando indireto, o movimento é transmitido através de rolamentos auxiliares, denominados “bases de comando”.
Out/06 206
6.4 – Chaves Seccionadoras
Operação Monopolar
Os pólos são comandados individualmente, sem interligação mecânica entre eles. A operação monopolar também pode ser direta ou indireta.
Comando Manual
O comando manual pode ser realizado com ou sem o auxílio de redutores.
Comando Motorizado
Os comandos motorizados podem ser realizados através de motores elétricos, acionadores hidráulicos, pneumáticos, etc.
Out/06 207
6.4 – Chaves Seccionadoras
A seguir apresenta-se a tabela (Figura 37) para dimensionamento da chave fusível para SE de 13,8 kV em função da demanda.
200140 HATÉ 2500
200100 KATÉ 2000
10080 KATÉ 1500
10050 KATÉ 1000
10040 KATÉ 750
10025 KATÉ 500
10015 KATÉ 300
10012 KATÉ 225
1008 KATÉ 150
1006 KATÉ 112,5
1005 HATÉ 75
503 HATÉ 45
502 HATÉ 30
501 HATÉ 15
Chave (A)Elo FusívelDemanda (kVA)
Figura 37 –Dimensionamento Elos-fusíveis
Out/06 208
6.5 – Disjuntores
Os disjuntores são ao principais equipamentos de segurança, bem como
os mais eficientes dispositivos de manobra em uso nas redes elétricas.
Possuem capacidade de fechamento e abertura que deve atender a
todos os pré-requisitos de manobra sob condições normais e anormais
de operação.
Além dos estados estacionários (fechado e aberto), define-se ambos os
estados transitórios da manobra de fechamento (ligamento) e da
manobra de abertura (desligamento).
No estado ligado ou fechado, o disjuntor deve suportar a corrente
nominal da linha, sem ultrapassar os limites de temperatura permitidos.
No estado desligado ou aberto, a distância de isolamento entre contatos
deve suportar a tensão de operação, bem como as sobretensões
internas, devidas a surtos de manobra ou descargas atmosféricas.
Out/06 209
6.5 – Disjuntores
6.5.1 – Disjuntores a Óleo
Os disjuntores a óleo estão, basicamente, divididos em: disjuntores de grande volume de óleo (GVO) e de pequeno volume de óleo (PVO). No caso do GVO, de pequena capacidade, as fases ficam imersas em um único recipiente contendo óleo, que é usado tanto para a interrupção das correntes quanto para prover o isolamento. Nos disjuntores de maior capacidade, o encapsulamento é monofásico. Já no PVO, foi projetado uma câmara de extinção com fluxo forçado sobre o arco, aumentando a eficiência do processo de interrupção da corrente, diminuindo drasticamente o volume de óleo no disjuntor.
TIPOS DE DISJUNTORES
Out/06 210
6.5 – Disjuntores 6.5.1 – Disjuntores a Óleo
A maior vantagem dos disjuntores de grande volume de óleo sobre os de
pequeno volume de óleo é a grande capacidade de ruptira em curto-circuito em
tensões de 138 kV. Mesmo assim este tipo de disjuntor está caindo em desuso.
O princípio de extinção do arco nos disjuntores a óleo é baseado na
decomposição das moléculas de óleo pela altíssima temperatura do arco. Essa
decomposição resulta na produção de gases (principalmente hidrogênio),
sendo a quantidade de gás liberada dependente da magnitude da corrente e da
duração do arco. O gás liberado desempenha duas funções: em primeiro lugar,
ele tem um efeito refrigerante muito acentuado e em segundo lugar, ele causa
um aumento de pressão em torno do arco, determinando uma elevação do
gradiente de tensão necessário à sua manutenção.
Out/06 211
6.5 – Disjuntores
6.5.2 – Disjuntores a Ar Comprimido
Nos disjuntores de ar comprimido a extinção do arco é obtida a partir da admissão, nas câmaras de ar comprimido (armazenado num reservatório pressurizado) que, soprando sobre a região entre os contatos, determina o resfriamento do arco e sua compressão. A reignição do arco em seguida à ocorrência de um zero de corrente é prevenida pela exaustão dos produtos ionizados do arco da região entre os contatos pelo sopro de ar comprimido. A intensidade e a rapidez do sopro de ar garantem o sucesso dos disjuntores nas “corridas” energética (liberação x absorção de energia) e dielétrica (tensão de restabelecimento x suportabilidade dielétrica).
Out/06 212
6.5 – Disjuntores
6.5.2 – Disjuntores a Ar Comprimido
A operação dos disjuntores de ar comprimido sempre produz um grande ruído causado pela exaustão do ar para a atmosfera. Uma redução do nível de ruído produzido é conseguida através de silenciadores. Os disjuntores a ar comprimido podem possuir compressores individuais ou trabalhar ligados a uma central de ar comprimido. Como a operação dos disjuntores pode ser perigosa quando a pressão de ar comprimido cai abaixo de determinado nível, estes são providos de dispositivos para impedir seu fechamento ou sua abertura sob pressões inferiores a níveis pré-fixados.
Out/06 213
6.5 – Disjuntores
Pode-se dispor também de dispositivos para abrir os disjuntores
quando a pressão chegar a um nível perigoso, mas ainda superior
àquele em que a abertura seja proibida. Devido a estas
características, é prática de muitos clientes exigir que os
disjuntores que operam com sistemas de ar comprimido central
possuam reservatórios individuais (“air receivers”), com capacidade
suficiente para realizar um ciclo completo O-CO-CO sem
necessidade de receber reforço de ar comprimido do sistema
central, e sem que a pressão caia a níveis perigosos. Um
reservatório central deve também ser capaz de garantir a
repressurização de todos os reservatórios individuais, após uma
operação O-CO simultânea, num intervalo de tempo usualmente
fixado em dois minutos.
Out/06 214
6.5 – Disjuntores
6.5.3 – Disjuntores a SF6
Embora o hexafluoreto de enxofre (SF6) tenha sido sintetizado pela
primeira vez em 1904, somente nos anos 30, a partir da observação
de suas excepcionais propriedades dielétricas, o novo gás encontrou
uma limitada aplicação como meio isolante em transformadores.
O SF6 é um dos gases mais pesados conhecidos (peso molecular
146), sendo cinco vezes mais pesado que o ar. À pressão atmosférica,
o gás apresenta uma rigidez dielétrica 2,5 vezes superior à do ar. A
rigidez dielétrica aumenta rapidamente com a pressão, equiparando-
se à de um óleo isolante de boa qualidade à pressão de 2 bars. A
contaminação do SF6 pelo ar não altera substancialmente as
propriedades dielétricas do gás: um teor de 20 % de ar resulta numa
redução de apenas 5 % da rigidez dielétrica do gás.
Out/06 215
6.5 – Disjuntores
Somente no final dos anos 40 teve início o desenvolvimento de disjuntores e chaves de abertura em carga a SF6, com base em experimentos em que as excepcionais qualidades do gás como meio interruptor de arcos elétricos foram comprovadas. Essas qualidades derivam do fato de que o hexafluoreto de enxofre ser um gás eletronegativo, possuindo, portanto, uma afinidade pela captura de elétrons livres, o que dá lugar à formação de íons negativos de reduzida mobilidade. Essa propriedade determina uma rápida remoção dos elétrons presentes no plasma de um arco estabelecido no SF6, aumentando, assim, a taxa de decremento da condutância do arco quando a corrente se aproxima de zero.
Out/06 216
6.5 – Disjuntores
O SF6 é um gás excepcionalmente estável e inerte, não
apresentando sinais de mudança química para temperaturas em que
os óleos empregados em disjuntores começam a se oxidar e
decompor. Na presença de arcos elétricos sofre lenta decomposição,
produzindo fluoretos de ordem mais baixa (como SF2 e SF4) que,
embora tóxicos, recombinam-se para formar produtos não tóxicos
imediatamente após a extinção do arco. Os principais produtos
tóxicos estáveis são certos fluoretos metálicos que se depositam sob
a forma de um pó branco, e que podem ser absorvidos por filtros de
alumina ativada.
Out/06 217
6.5 – Disjuntores
Os primeiros disjuntores de hexafluoreto de enxofre eram do tipo “dupla
pressão”, baseados no funcionamento dos disjuntores a ar comprimido. O
SF6 era armazenado num recipiente de alta pressão (aproximadamente 16
bars) e liberado sobre a região entre os contatos do disjuntor. A principal
diferença com relação aos disjuntores a ar comprimido consistia no fato de o
hexafluoreto de enxofre não ser descarregado para a atmosfera após
atravessar as câmaras de interrupção, e sim para um tanque com SF6 a baixa
pressão (aproximadamente 3 bars). Assim, o gás a alta pressão era utilizado
para interrupção do arco e o SF6, a baixa pressão, servia à manutenção do
isolamento entre as partes energizadas e a terra. Após a interrupção, o gás
descarregado no tanque de baixa pressão era bombeado novamente para o
reservatório de alta pressão, passando por filtro de alumina ativada para
remoção de produtos da decomposição do SF6.
Out/06 218
6.5 – Disjuntores
A principais desvantagens dos disjuntores a SF6 a dupla pressão eram
a baixa confiabilidade dos compressores de gás e a tendência do
hexafluoreto de enxofre a liqüefazer-se à temperatura ambiente
quando comprimido (a temperatura de liquefação do gás a 16 bars é 10
oC), o que tornava necessário instalar aquecedores no reservatório de
alta pressão com conseqüente aumento da complicação e redução da
confiabilidade. Essas desvantagens levaram ao desenvolvimento do
disjuntor tipo “puffer”, que será descrito a seguir, atualmente adotado
pela maioria dos fabricantes de disjuntores a SF6.
Out/06 219
6.5 – Disjuntores
Os disjuntores tipo “puffer” ou do tipo “impulso” são também denominados de
“pressão única” porque o SF6 permanece no disjuntor, durante a maior parte
do tempo, a uma pressão constante de 3 a 6 bars, servindo aos isolamento
entre as partes com potenciais diferentes. A pressão necessária à extinção do
arco é produzida em cada câmara por um dispositivo tipo “puffer” formado por
um pistão e um cilindro , em que um desses dois elementos ao se movimentar
desloca consigo o contato móvel e comprime o gás existente no interior do
cilindro. A compressão do SF6 por esse processo produz pressões da ordem
de 2 a 6 vezes a pressão original e no intervalo entre a separação dos
contatos e o fim do movimento do gás , assim comprimido, é forçado a fluir
entre os contatos e através de uma ou duas passagens (“nozzles”),
extinguindo o arco de forma semelhante ao dos disjuntores de dupla pressão.
Out/06 220
6.5 – Disjuntores
O disjuntores de pressão única são de projeto mais simples que o de dupla
pressão e dispensam a instalação de aquecedores para impedir a liquefação
do SF6, sendo consequentemente mais econômicos e mais confiáveis. O
desenvolvimento e a difusão dos disjuntores a SF6 estão ligados aos
desenvolvimentos das técnicas de selagem dos recipientes e detecção de
vazamentos de gás. Os projetos ocorridos nesses terrenos já permitem
reduzir o escape de SF6 nos disjuntores a níveis inferiores a 1 % por ano. Os
avanços tecnológicos têm permitido aos disjuntores a SF6 tornarem-se
crescentemente competitivos em relação aos tipo a ar comprimido e PVO,
sendo provável que, em futuro próximo, esses disjuntores ocupem uma
posição dominante no mercado, pelo menos para certas faixas de tensão.
Out/06 221
6.5 – Disjuntores
Da mesma forma que nos disjuntores a ar comprimido, os disjuntores
a SF6 devem ser providos de dispositivos para indicar a ocorrência
de pressões inferiores a determinados níveis mínimos e
intertravamentos para impedir sua operação em condições perigosas
de super pressão.
Uma outra aplicação do SF6 é o isolamento de subestações
blindadas que permite considerável redução da área ocupada. A
instalação de uma subestação blindada pode ser determinada pela
inexistência de área suficientemente ampla em um centro urbano, ou
pelo elevado custo do solo nesta região.
Out/06 222
6.5 – Disjuntores
Numa subestação blindada todas as partes energizadas são protegidas por uma blindagem metálica, que conterá os disjuntores, chaves, TC’s, TP’s, barramentos, etc.. As partes energizadas são isoladas da blindagem por isoladores de resina sintética (ou outro material adequado) e SF6 à pressão de cerca de 3 bars. Válvulas especiais permitem detectar o escapamento do gás e possibilita efetuar manutenção dos equipamentos sem necessidade de remover grandes quantidades de gás. Alarmes e intertravamentos garantem a segurança em caso de vazamento de SF6.
Out/06 223
6.5 – Disjuntores
6.5.4 – Disjuntores a Vácuo
Nos disjuntores a vácuo o arco que se forma entre os contatos é
bastante diferente dos arcos em outros tipos de disjuntor, sendo
basicamente mantido por íons de material metálico vaporizado
proveniente dos contatos (catodo). A intensidade da formação desses
vapores metálicos é diretamente proporcional à intensidade da corrente
e, consequentemente, o plasma diminui quando esta decresce e se
aproxima do zero. Atingindo o zero de corrente, o intervalo entre os
contatos é rapidamente desionizado pela condensação dos vapores
metálicos sobre os eletrodos. A ausência de íons após a interrupção dá
aos disjuntores a vácuo características quase ideais de suportabilidade
dielétrica.
Out/06 224
6.5 – Disjuntores
Apesar do crescente uso de disjuntores a vácuo para baixas e médias tensões, aparentemente apenas um fabricante vem oferecendo comercialmente disjuntores a vácuo de alta tensão, e mesmo assim os tipos disponíveis não excedem 145 kV.
Apesar das suas vantagens, o desenvolvimento dos disjuntores a vácuo para altas tensões permanece na dependência de avanços tecnológicos que permitam compatibilizar, em termos econômicos, o aumento das tensões e correntes nominais das câmaras a vácuo e a redução de seus volumes e pesos.
Out/06 225
6.5 – Disjuntores
6.5.5 – Principais Sistemas de Acionamento
O sistema de acionamento de um disjuntor é o subconjunto que possibilita o armazenamento de energia necessária à sua operação mecânica, bem como a necessária liberação desta energia através de mecanismos apropriados, quando do comando de abertura e fechamento do mesmo.
Dentro de cada categoria existe uma variação imensa de detalhes construtivos, característicos de cada fabricante.
Out/06 226
6.5 – Disjuntores
Os acionamentos podem ser monopolares ou tripolares. No primeiro
caso, a atuação dos mesmos se faz diretamente em cada pólo,
permitindo a manobra individual de cada um deles. Isso torna o
acionamento mais complexo e caro, pois na realidade são três
acionamentos, um para cada pólo. Este tipo é usado quando se
necessita de religamentos monopolares no caso de faltas
monofásicas. Nos acionamentos tripolares a operação é centralizada
em uma unidade e transmitida aos três pólos do disjuntor
simultaneamente, via acoplamento mecânico, hidráulico ou
pneumático. Neste caso só é possível ter religamentos tripolares.
A seguir estão relacionados os principais sistemas de acionamento.
Out/06 227
6.5 – Disjuntores
6.5.5.1 – Acionamento por Solenóide
Neste sistema, uma bobina solenóide - que na maioria dos tipos de acionamento é usada somente para disparo - é utilizada diretamente para acionar os contatos na operação de fechamento e também para carregar a mola de abertura. Aliás, este é um princípio comum a todos os acionamentos, pois o disjuntor na condição "fechado" deverá estar sempre com energia armazenada para a operação de abertura. Este tipo de acionamento não é muito utilizado, pois tem capacidade de armazenamento de energia limitada.
Out/06 228
6.5 – Disjuntores
6.5.5.2 – Acionamento por Mola
Neste caso, a energia para o fechamento é acumulada em uma mola. As molas
são carregadas manualmente ou através de motores, os quais podem ser de
corrente contínua ou alternada. Quando o mecanismo de disparo é acionado, a
mola é destravada, acionando os contatos do disjuntor, fechando-o,
acontecendo nesta operação o carregamento simultâneo da mola de abertura.
Cada fabricante tem seu próprio arranjo para este tipo de acionamento,
entretanto, o princípio de funcionamento aqui descrito é comum a todos eles.
O acionamento a mola é muito difundido para disjuntores de média tensão (até
38 kV) e alta tensão (69 a 138 kV) em grande volume de óleo, pequeno volume
de óleo, sopro magnético, a vácuo e a SF6, podendo ser tripolar ou monopolar.
Out/06 229
6.5 – Disjuntores
Neste tipo de acionamento, a caixa que abriga o mecanismo, abriga
também o bloco de comando, ou seja, acionamento e unidade de comando
estão num mesmo subconjunto principal o que é uma característica mais
ou menos constante em disjuntores de média tensão.
O sistema de acionamento a mola tem funcionamento simples,
dispensando qualquer supervisão, tornando-o ideal para média tensão. No
entanto, deve-se ter em mente que a ausência de supervisão, se por um
lado simplifica e barateia o disjuntor, por outro, não permite que se tenha
controle das partes vitais do acionamento, de maneira a se prever qualquer
falha na operação que, neste caso, ocorreria de forma totalmente
imprevista. Em sistema onde haja sucessivos religamentos sua aplicação
se torna difícil, já que há um limite no acúmulo de energia.
Out/06 230
6.5 – Disjuntores
6.5.5.3 – Acionamento por Ar Comprimido
O acionamento a ar comprimido consiste em armazenar a energia necessária à operação do disjuntor em recipientes de ar comprimido, a qual é liberada através de disparadores atuando sobre válvulas, que acionam os mecanismos dos contatos via êmbolos solidários, ou através de conexões pneumáticas. Este tipo de acionamento é utilizado para disjuntores de média, alta tensões e é a solução natural para disjuntores que usam o ar comprimido como meio extintor, embora também seja usado para disjuntores a óleo e SF6.
Out/06 231
6.5 – Disjuntores
6.5.5.4 – Acionamento Hidráulico
Neste tipo de acionamento, a energia necessária para a operação do
disjuntor é armazenada em um "acumulador hidráulico" que vem a ser um
cilindro com êmbolo estanque tendo, de um lado, o óleo ligado aos
circuitos de alta e baixa pressão através da bomba hidráulica e, de outro,
um volume reservado a uma quantidade prefixada de N2. Em algumas
execuções, o N2 pode estar contido em uma membrana de elastômero.
A bomba hidráulica de alta pressão comprime o óleo e, consequentemente
o N2, até atingir a pressão de serviço (aprox. 320 bar). Através de
disparadores de abertura ou fechamento são acionadas as válvulas de
comando que ligam o circuito de óleo com o êmbolo principal de
acionamento.
Out/06 232
6.5 – Disjuntores
A característica principal deste tipo de acionamento é a sua grande capacidade de armazenamento de energia, aliada às suas reduzidas dimensões, o que é conseguido através da pressão de operação, que é da ordem de 320 atm. Além disso, sem a necessidade de ser mudar a configuração básica do acionamento, ou seja, dos blocos das válvulas de comando e dos êmbolos, pode-se aumentar a capacidade do mesmo, aumentando-se o volume de nitrogênio. Isto é particularmente importante para disjuntores a SF6 em EAT com resistores de abertura ou fechamento e de abertura rápida (2 ciclos), ou no caso em que o usuário tem exigências específicas com relação à seqüência de operação.
Out/06 233
O pára-raios é um dispositivos protetor que tem por finalidade limitar os valores dos surtos de tensão transitante que, de outra forma, poderiam causar severos danos aos equipamentos elétricos. Para um dado valor de sobretensão, o pára-raios (que antes funcionava como um isolador) passa a ser condutor e descarrega parte da corrente para a terra, reduzindo a crista da onda a um valor que depende das características do referido pára-raios.A tensão máxima, à freqüência nominal do sistema, a que o pára-raios poderá ser submetido, sem que se processe a descarga da corrente elétrica através do mesmo, é denominada de “tensão disruptiva à freqüência nominal”.
6.6 – Pára-raios
Out/06 234
6.6.1 - Características Construtivas dos Pára-raios
6.6.1.1 - Pára-raios com Gap e Resistor Não Linear
Estes pára-raios são constituídos basicamente de um gap em série com um resistor não linear, colocados no interior de um invólucro de porcelana.O gap é o elemento que separa eletricamente a rede dos resistores não lineares. Constitui-se de um conjunto de “subgaps” cuja finalidade é a de fracionar o arco em um número de pedaços, a fim de poder exercer um melhor controle sobre ele, no momento de sua formação, durante o processo de descarga e na sua extinção.
6.6 – Pára-raios
Out/06 235
Nos pára-raios convencionais o resistor não linear é fabricado basicamente com o carbonato de silício. Com este material pode-se observar que, por ocasião de tensões baixas tem-se uma resistência elevada e, com tensões elevadas, uma resistência baixa.
6.6.1.2 - Pára-raios de Óxido de Zinco
O pára-raios de óxido de zinco constitui-se basicamente do elemento não linear colocado no interior de um corpo de porcelana. Neste pára-raios não são necessários os gaps em série, devido às excelentes características não lineares do óxido de zinco.
6.6 – Pára-raios
Out/06 236
Os pára-raios de óxido de zinco apresentam vantagens sobre os pára-raios convencionais entre as quais podem ser citadas:
- Inexistência de gaps (gaps estão sujeitos a variações na tensão de descarga de um pára-raios que não esteja adequadamente selado, além de que um número elevado de partes no gap aumenta a possibilidade de falhas);- Inconvenientes apresentados pelas características não lineares do carbonato de silício;- Pára-raios convencionais absorvem mais quantidade de energia do que o pára-raios de óxido de zinco, o que permite a este último absorção durante um maior número de ciclos.
6.6 – Pára-raios
Out/06 237
6.6.2 - Recomendações de Distâncias de Pára-raios
As seguintes tabelas mostram a distância máxima entre o transformador e o pára-raios.
6.6 – Pára-raios
9535650138
8530550115
753045072
753035069
702525046
702520034,5
702515025
Neutro efetivamente
aterrado (PR 80%)
Neutro não aterrado ou
resistência de aterramento
(PR 100%)
NBI(kV)
Classe de Tensão do
Transformador (kV)
Distância (ft)
Out/06 238
6.6.2 - Recomendações de Distâncias de Pára-raios
6.6 – Pára-raios
120, 155145650138
90, 115121550138
75, 957335069
135, 1556035069
903020034,5
603720034,5
Distância (ft)Pára-Raios (kV)NBI - Trafo (kV)Tensão Nominal (kV)
Out/06 239
6.6.2 - Recomendações de Distâncias de Pára-raios
6.6 – Pára-raios
27,442,7138
22,941,169
18,327,434,5
Sistema IsoladoSistema Efetivamente Aterrado(kV)
Distância entre Pára-Raios e Terra (m)Tensão Nominal
Figura 37 – Distância de Para-raios
Out/06 240
Com a finalidade de limitar a corrente de curto-circuito, é comum
colocar um resistor ou um reator entre o neutro e a terra.
Nos geradores, o neutro, em geral, é aterrado através de resistores
ou bobinas de indutância. A maioria dos neutros dos transformadores
em sistemas de transmissão acima de 70 kV são solidamente
aterrados; abaixo dessa tensão, os neutros dos transformadores
podem ser ligados diretamente à terra ou através de resistências ou
de reatâncias indutivas.
Em SE’s industriais, o neutro do transformador é solidamente aterrado
quando seu secundário for em baixa tensão. Entretanto, quando o
secundário for em média tensão (2,4 a 15 kV) é comum aterrar o
neutro do transformador através de resistor de aterramento, obtendo-
se assim algumas vantagens para o sistema, tais como:
6.7 – Resistores de Aterramento
Out/06 241
- A corrente de curto-circuito entre fase e terra é de valor moderado, porém suficiente para sensibilizar os relés de terra;
- Segregação automática dos circuitos sujeitos a curtos-circuitos para terra (atuação mais rápida do relé de terra);
- Facilidade de localização dos curtos-circuitos fase-terra desde que sejam usados relés de terra adequados;
- O custo de manutenção é praticamente igual ao sistema solidamente aterrado, porém os danos nos motores ligados ao sistema são bastante reduzidos;
- Controla a valores moderados as sobretensões devido à ressonância LC e curtos-circuitos intermitentes.
6.7 – Resistores de Aterramento
Out/06 242
A seguir apresenta-se um método de aterramento do neutro de transformadores normalmente encontrado nas plantas industriais.
- Sistemas até 600 V
Solidamente aterrado.
- Sistemas de 2,4 a 13,8 kV
Resistor de aterramento na maioria dos casos e solidamente aterrado em poucos casos.
- Sistemas acima de 22 kV Inclusive
Solidamente aterrado.
6.7 – Resistores de Aterramento
Out/06 243
TÓPICO VTÓPICOS EM SISTEMAS ELÉTRICOS
INDUSTRIAIS
Out/06 244
1 – Malha de Aterramento
1.1 - Dados do Sistema Necessários para o Projeto
-Potência de curto-circuito fase-terra;
-Tensão entre fases;
- Tempo de eliminação da falta.
Out/06 245
Malha de Aterramento
1.2 - Dados da Subestação
-Resistividade do solo a ser utilizada (ρa, ρ1 e ρs);
- Dimensões do local onde será construída a malha;
- Material de recobrimento do piso da malha (normalmente brita).
Out/06 246
Malha de Aterramento
1.3 – Valores Adotados pelo Projetista
- Coeficiente de irregularidade ou segurança;
- Profundidade da malha de aterramento;
- Espaçamento entre condutores da malha de terra;
- Número de hastes a serem usadas na malha de terra.
Out/06 247
Malha de Aterramento
1.4 – Valores Calculados
- Número de condutores paralelos;
- Número de condutores transversais;
- Área total da malha de terra;
- Corrente de curto-circuito;
- Comprimento total de cabos;
- Bitola mínima dos condutores da malha.
Out/06 248
Malha de Aterramento
1.5 – Dimensionamento da Malha
- Método Iterativo
Condições de segurança a serem atendidas:
- Tensão de malha ≤ Tensão de malha máxima;
- Tensão de passo ≤ Tensão de passo máxima;
- Tensão de toque ≤ Tensão de toque máxima.
Out/06 249
A elaboração de um esquema de proteção envolve várias etapas desde o estabelecimento de uma estratégia de proteção, selecionando os respectivos dispositivos de atuação, até a determinação dos valores adequados para a calibração dos relés.
2 – Proteção
Out/06 250
2.1 - Proteção de Transformadores em Subestações
2.1.1 - Introdução
Ao contrário dos múltiplos tipos de defeitos suscetíveis de aparecer nas máquinas rotativas, os transformadores podem estar sujeitos apenas aos seguintes defeitos:
- Curtos-circuitos nos enrolamentos;- Sobreaquecimento.
Proteção
Out/06 251
Realmente, a construção dos transformadores atingiu um nível técnico tão
elevado que os mesmos podem ser considerados entre os elementos que
apresentam maior segurança de serviço. Até a proteção térmica, mesmo em
subestação sem operador, normalmente só controla alarmes ou bancos de
ventiladores.
Assim, o que deve preocupar, basicamente, é a proteção contra curto-circuito
interno e a proteção de retaguarda contra faltas externas. Os curtos resultam de
defeitos de isolamento que, por sua vez, são constituídos por sobretensão de
origem atmosférica ou de manobras, e por sobreaquecimento inadmissível dos
enrolamentos. As sobrecargas repetitivas, permanentes ou temporárias,
conduzem a um envelhecimento prematuro dos isolantes dos enrolamentos.
Com isso, acabam ocorrendo rupturas destes isolamentos, ocasionando curtos-
circuitos entre as espiras.
Proteção
Out/06 252
Pode-se então dividir a proteção de transformadores da seguinte forma:
1) Proteção contra Curto-Circuito Interno
- Para grandes transformadores: Proteção diferencial, de sobrecorrente, térmica e relé Buchholz.
- Para pequenas unidades e transformadores de média potência com alimentação unilateral: Proteção através de relés de sobrecorrente temporizados e/ou por fusíveis; e relés térmicos e imagens térmicas constituem a proteção contra sobrecarga.
2) Proteção de Retaguarda
Relés de sobrecorrente e/ou fusíveis.
Proteção
Out/06 253
2.1.2 – Esquemas de Proteção
A seguir serão apresentados esquemas típicos de proteção de transformadores, de acordo com o nível de tensão.
Proteção
Out/06 254
- Primário a 15 kV e secundário em baixa tensão para S 225 kVA e 225kVA < S 1000 kVA
Proteção
Figura 38 – Esquema de Proteção até 15kV
Nota 1 – Os alarmes são opcionais, sendo recomendados para S 500 kVA;Nota 2 – A proteção com relé primário pode ser utilizada em transformadores com potência acima de 1000 kVA, onde não se deseja uma proteção mais sofisticada, sem alarme e sempre verificando o limite de fabricação desses relés.
Out/06 255
- Primário 15 kV e secundário em média tensão e S 1000 kVA
Proteção
Figura 39 - Esquema deProteção acima de 15kV
Out/06 256
2.1.3 – Funções dos Relés
Relé de Gás (Buchholz – transformador com conservador)
Função ANSI: 63TR > 500 kVA
Relé de Temperatura do Óleo
Função ANSI: 26
Exemplo: Dois pares de contatosFaixa de ajuste: 55 a 100oC
- Alarme para óleo a 75oC- Desligamento da fonte para óleo a 85oC
Obs: O desligamento da fonte é opcional. 18
Proteção
Out/06 257
Temperatura do Enrolamento (Imagem Térmica)
Função ANSI: 49Utilização: TR 2500 kVA
Exemplo: Dois pares de contatos ajustáveis entre 80 e 115oC - Alarme a 80oC- Alarme para óleo a 75oC- Desligamento da fonte a 95oC - Liga ventiladores (se houver) a 75oC- Liga bomba de óleo a 80 oC (TR > 7500 kVA)
Proteção
Out/06 258
Relé de Sobrecorrente
Função ANSI: 51
Relé Diferencial
Função ANSI: 87Recomendável para TR > 1000 kVAEconômico para TR > 5000 kVAObrigatório para TR 7500 kVA
Proteção
Out/06 259
Relé de Nível de Óleo
Função ANSI: 71Alarme de nível mínimo
Proteção
Out/06 260
2.1.4 – Descrição da Principais Proteções
Proteção Diferencial Percentual (ANSI 87)
É capaz não só de eliminar todos os tipos de curtos-circuitos internos, como também os defeitos devidos a arcos nas buchas.
Nessa montagem diferencial, compara-se as correntes na entrada e na saída do elemento protegido, sendo que o relé diferencial opera quando é percorrido por uma corrente (diferença entre a entrada e a saída) que ultrapassa certo valor ajustado e denominado corrente diferencial.
Proteção
Out/06 261
No caso de transformadores, aparecem outras correntes diferenciais que não são originadas por defeito, devidas principalmente à:
- Corrente de magnetização inicial;
- Erros próprios dos TC’s colocados em cada lado do transformador;
- Erros no ajuste da relações de transformação dos TC’s;
- Etc.
Proteção
Out/06 262
Proteção de Sobrecorrente (ANSI 51)
Em transformadores de média e pequena potência, nos quais a importância econômica é menor, a proteção contra curto-circuito ou de retaguarda para faltas externas é feita através de relés de sobrecorrente primários ou secundários no lugar de relés diferenciais.
Proteção
Out/06 263
Proteção por meio de Relés de Pressão e/ou Gás (ANSI 63)
O relé de pressão é destinado a responder rapidamente a um aumento anormal na pressão do óleo do transformador devido ao arco, resultante de uma falta interna. Tal relé é insensível às lentas mudanças causadas, por exemplo, pela variação de carga. Constituem assim, valiosa suplementação aos relés diferenciais ou de sobrecorrente, para falta no interior do tanque.
O relé buchholz é uma combinação do relé de pressão com o relé detetor de gás.
Proteção
Out/06 264
Desligamento Remoto
Quando uma linha de transmissão alimenta um único banco de transformadores, é prática freqüente omitir-se o disjuntor do lado de alta tensão por motivo de economia. Faz-se então um desligamento remoto sobre o disjuntor do início da linha, de forma que, em caso de defeito, a proteção do banco atua sobre o disjuntor do lado de menor tensão e sobre a chave de aterramento rápido ou através de onda portadora para disparo de disjuntor remoto.
Proteção
Out/06 265
2.1.5 – Calibração do Relé Primário de SE de 13,8 kV em Função da Demanda
Proteção
1302500621200
1252400571100
1202300521000
114220047900
109210042800
104200036700
99190031600
94180026500
88170021400
84160016300
78150013250
72140010200
6713008150
Corrente de Ajuste (A)
Demanda (kVA)
Corrente de Ajuste (A)
Demanda (kVA)
Figura 40 – Calibração de Relés Primários
Out/06 266
Bibliografia • BEEMAN, D. – “Industrial Power Systems Handbook” – 1st edition, McGraw-
Hill Book Company, New York, 1955;• EARLEY, M.W., Murray, R.H. & Caloggero J.M. – “The National Electrical
Code 1990 Handbook” – 5th edition, NFPA, Quincy, Massachusetts, 1989;• MAMEDE, J. – Sistemas Elétricos Industriais – 5a edição, LTC – Livros
Técnicos e Científicos Ltda, Rio de Janeiro, 1997.• SOUZA, L.F.W. – Apostila do Curso de Subestações da Universidade
Federal Fluminense – UFF.• PETROBRÁS, Petróleo Brasileiro S.A.– Procedimento de Projeto de
Subestações, 1985;• STEVENSON, W.D. – Elementos de Análise de Sistemas de Potência –
Editora McGraw Hill do Brasil Ltda, São Paulo, 1974;• MEDEIROS, S. - Medição de Energia Elétrica, 2a edição - Editora da
Universidade Federal de Pernambuco, Recife, 1980;• MAMEDE, J. - Manual de Equipamentos Elétricos, Volume 1, 2a edição -
LTC – Livros Técnicos e Científicos Ltda, Rio de Janeiro, 1994;
Out/06 267
Bibliografia
• D’AJUZ, A. & Outros - Equipamentos Elétricos / Especificação e Aplicação em Subestações de Alta Tensão - Convênio Furnas Centrais Elétricas S.A. e Universidade Federal Fluminense, Rio de Janeiro, 1985;
• CEMIG, Companhia Energética de Minas Gerais – Manual de Distribuição: Fornecimento de Energia Elétrica em Tensão Primária – Rede de Distribuição Aérea – Belo Horizonte, 1981;
• ROEPER, R. – Correntes de Curto-Circuito em Redes Trifásicas – Siemens, São Paulo, 1986;
• CAMINHA, A.C. – Introdução à Proteção de Sistemas Elétricos;• PENNA FRANCA, S. – Anotações de Trabalho;• CARVALHO, M. – Transformadores de Corrente – Petrobrás, 1982;• CARVALHO, M. – Transformadores de Potencial – Petrobrás, 1984.