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CARACTERSTICAS CONSTRUTIVAS E OPERACIONAIS E MATERIAIS APLICADOS NA FABRICAO DE REATORES

Bruno Moreira Nogueira Vilela* Guilherme de Oliveira Alves* Maria Rita Dias Faria* bruno.vilela@engenharia.ufjf.br guilherme.alves@engenharia.ufjf.br maria.rita@engenharia.ufjf.br

Universidade Federal de Juiz de Fora* Faculdade de Engenharia Departamento de Energia

Materiais Eltricos ENE040

Resumo: Este texto demonstra as caractersticas construtivas de um reator, citando dois tipos o de derivao e o saturvel. Sendo que o reator de Derivao recebe um foco maior.

O reator em derivao tem como principal funcionalidade o controle de tenso e do fluxo de potncia em linhas de transmisso.

O reator saturvel pode ser utilizado como amplificador, uma vez que no h transferncia de potncia entre seus enrolamentos.

Palavras Chaves: reator, reator de derivao, reator saturvel. Abstract: This text describes some of the designs characteristics of a reactor, describing two types: saturable reactors and shunt reactors. This last one received a focus in this paper.

The main function of the shunt reactor is voltage control and power flow in transmission lines.

The saturable reactor can be used as an amplifier, once there is no power transfer between its windings.

Keywords: reactor, shunt reactor, saturable reactor.

1 INTRODUO Reatores eletromagnticos so equipamentos constitudos por um ncleo laminado de ao silcio (com baixas perdas) e bobinas de fio de cobre esmaltado ou alumnio. Geralmente, so impregnados com resina de polister adicionado com carga mineral, tem um grande poder de isolao e dissipao trmica (PACHEGO, OLIVEIRA, VASCONCELLOS, APOLNIO, MIRANDA, PEREIRA, 2004). Um dos tipos de reator o em derivao. Um equipamento eletromecnico constitudo basicamente de um enrolamento com ncleo de ar ou montado concentricamente a um ncleo magntico. Com a finalidade de melhorar a estabilidade e eficincia da transmisso de energia, reatores em derivao so empregados no sistema. Dependendo da origem da carga da linha e do balanceamento da potncia reativa, eles so colocados em uma configurao paralela para compensar a

corrente capacitiva comum ao longo das linhas de transmisso ou nos cabos.

Outro tipo de reator descrito nesse trabalho o reator saturvel. Um reator saturvel em engenharia eltrica uma forma especial de indutor onde o ncleo magntico pode ser deliberadamente saturado por uma corrente eltrica direta nos enrolamentos de controle. Uma vez saturado, a indutncia do reator saturvel cai dramaticamente. Isso diminui a reatncia indutiva e permite o aumento do fluxo de corrente CA.

2 DESENVOLVIMENTO Este captulo apresenta os dois tipos de reatores cuja operao e funcionalidade sero apresentadas neste trabalho.

2.1 Reatores em Derivao Reator em derivao um dos principais equipamentos eltricos utilizados para o controle de tenso. Sua funo de absorver o excesso de potncia reativa capacitiva da transmisso, reduzindo e mantendo adequado o nvel da tenso e reduzindo sobretenses em surtos de manobra. Servem, portanto, ao compensar o efeito de reatncia da linha, para a neutralizao do efeito Ferranti, por exemplo (U.S. NAVY, 2002). A Figura 1 exemplifica um reator em derivao.

Figura 1 - Reator em Derivao (DIRECT INDUSTRY, 2014)

2

O reator em derivao basicamente compostoenrolamento com ncleo de ar ou montado conceum ncleo magntico. A constituio do reator com ncleo de ar um enrolamento e uma estrutura mecnicapode ser visto na Figura 2.

Figura 2 - Reator em Derivao com Ncleo de Ar (DIRECT INDUSTRY, 2014

J o com ncleo magntico constitudo de um enrolamento concntrico ao ncleo magntico, com projeto e conadequados para a operao com expectativa de vida longa imerso, em geral, em leo mineral isolante (FRONTINSeu funcionamento fundamenta-se nas leis de Faraday do eletromagnetismo e de Ampre. Segundo a lei de Ampre, a corrente eltrica em um circuito estabelece um campo magntico, enquanto que, segundo a lei de Faraday, um circuito imerso em um campo magntico varivel submetido a uma tenso eltrica.

Pode-se dividir os reatores em derivao por tipos de ligao (manobrvel e no-manobrvel), de ncleo (ar ou ferromagntico) e nmero de fases (monofsicos ou trifsicos). O tipo no manobrvel tem uma ligao fixa e permanente ao sistema eltrico, enquanto no manobrvel, essa ligao temporria e manobrvel atravs de disjuntor.No Brasil, o ncleo de ar raramente utilizado. So bastante aplicados quando conectados ao enrolamento tercirio de um autotransformador na Amrica do Norte.

A coluna principal do ncleo magntico constituda de segmentos de material ferromagntico coentre os segmentos. So geralmente mais compactos, com menos perdas e mais econmicos, quando comparados a reatores equivalentes com ncleo de ar.

atravs de anlises tcnicas e econmicas, como custo do investimento, confiabilidade, necessidade de fase reserva, limitaes de transporte, de capacidade de fabricao e de capacidade de ensaios em fbrica que feita a escolha entre reatores trifsicos e bancos de unidades monofsicas.

No Brasil, o mais utilizado so bancos trifsicos de reatorde alta tenso formados por unidades monofsicas. Sendo

composto de um om ncleo de ar ou montado concentricamente a

A constituio do reator com ncleo de ar um enrolamento e uma estrutura mecnica adjacente, como

Reator em Derivao com Ncleo de Ar )

J o com ncleo magntico constitudo de um enrolamento concntrico ao ncleo magntico, com projeto e construo

com expectativa de vida longa RONTIN, 2013).

se nas leis de Faraday do eletromagnetismo e de Ampre. Segundo a lei de Ampre, a corrente eltrica em um circuito estabelece um campo

agntico, enquanto que, segundo a lei de Faraday, um circuito imerso em um campo magntico varivel submetido

se dividir os reatores em derivao por tipos de manobrvel), de ncleo (ar ou

ico) e nmero de fases (monofsicos ou

O tipo no manobrvel tem uma ligao fixa e permanente ao sistema eltrico, enquanto no manobrvel, essa ligao temporria e manobrvel atravs de disjuntor. No Brasil, o ncleo de ar raramente utilizado. So bastante aplicados quando conectados ao enrolamento tercirio de um autotransformador na Amrica do Norte.

A coluna principal do ncleo magntico constituda de segmentos de material ferromagntico com entreferros entre os segmentos. So geralmente mais compactos, com menos perdas e mais econmicos, quando comparados a

atravs de anlises tcnicas e econmicas, como custo do idade de fase reserva,

limitaes de transporte, de capacidade de fabricao e de capacidade de ensaios em fbrica que feita a escolha entre reatores trifsicos e bancos de unidades monofsicas.

No Brasil, o mais utilizado so bancos trifsicos de reatores de alta tenso formados por unidades monofsicas. Sendo

as fases conectadas em estrela aterrada. Os reatores de tercirio so em geral reatores trifsicos, sendo as fases conectadas em estrela no aterrada.

2.1.1 Componentes de um Reator em Derivao

A parte ativa de um reator em derivao constituda de ncleo, estrutura mecnica do ncleconexes (FRONTIN, 2013).O ncleo, geralmente constitudo de material tipo ao ferromagntico (FeSi), tem a funo de estabelecer uma rota para o fluxo magntico estabelecido pela corrente no enrolamento. Apresenta caracterstica tensolinear at um valor elevado de tenso. Assim, uma indutncia de valor elevado tambm obtida, otimizando a capacidade de potncia reativa do reator.

A especificao de linearidade da curva de magnetizao do ncleo para valores elevados da tenso de operao, em relao tenso nominal ou tenso mxima de operao, reflete diretamente nas dimenses do ncleo e das massas de materiais ativos (ao magnas dimenses e o custo de um reator em derivao.

O enrolamento formado por vrias bobinas e espiras, as quais so construdas de condutoreseletroltico. Geralmente, um nico enrolamento utilizado. Em casos especficos, utilizasecundrio de baixa potncia e tenso para alimentar cargas de servios auxiliares em subestaes remotas e/ou cargas locais de baixa potncia.

Acessrios podem ser radiadores, buchas e dispositivos de comando, controle e proteo.

O ncleo de um reator em derivao apresenta arranjos especficos dependentes do nmero de fases e de certos requisitos especificados. Os trs arranjos norutilizados so: 1 fase, 3 colunas; 3 fases, 3 colunas e 3 fases e 5 colunas.

O ncleo magntico constitudo de chapas (laminaes) de ao magntico com adio de silcio (FeSi). As chapas so laminadas a frio e isoladas com resinareduzida, elevadas resistncias mecnica e eltrica.

O ncleo magntico tem a(s) sua(s) coluna(s) principal(is) com enrolamento, constituda pela combinao alternada de segmento de ao magntico e espaadores (entreferros ou de ar) de cermica. Cada um dos segmentos de ao magntico laminado radialmente. A Figura 3 espaadores de cermica (gaps

Figura 3 - Reator em derivao: segmento e entreferro(FRONTIN

O fluxo magntico nos entreferros apresenta elevada distoroComo os segmentos so laminados na direo radial, o fluxo magntico direcionado nas laminas anisotrpicas de FeSi em

as fases conectadas em estrela aterrada. Os reatores de tercirio so em geral reatores trifsicos, sendo as fases conectadas em estrela no aterrada.

Componentes de um Reator em

ativa de um reator em derivao constituda de ncleo, estrutura mecnica do ncleo, enrolamento e suas

.

O ncleo, geralmente constitudo de material tipo ao ferromagntico (FeSi), tem a funo de estabelecer uma

xo magntico estabelecido pela corrente no enrolamento. Apresenta caracterstica tenso-corrente (UxI) linear at um valor elevado de tenso. Assim, uma indutncia de valor elevado tambm obtida, otimizando a capacidade de potncia reativa do reator.

specificao de linearidade da curva de magnetizao do ncleo para valores elevados da tenso de operao, em relao tenso nominal ou tenso mxima de operao, reflete diretamente nas dimenses do ncleo e das massas de materiais ativos (ao magntico e cobre) e podem elevar as dimenses e o custo de um reator em derivao.

O enrolamento formado por vrias bobinas e espiras, as quais so construdas de condutores isolados de cobre eletroltico. Geralmente, um nico enrolamento utilizado. Em casos especficos, utiliza-se ainda um enrolamento secundrio de baixa potncia e tenso para alimentar cargas de servios auxiliares em subestaes remotas e/ou cargas

Acessrios podem ser radiadores, buchas e dispositivos de comando, controle e proteo.

O ncleo de um reator em derivao apresenta arranjos especficos dependentes do nmero de fases e de certos requisitos especificados. Os trs arranjos normalmente utilizados so: 1 fase, 3 colunas; 3 fases, 3 colunas e 3 fases e 5

O ncleo magntico constitudo de chapas (laminaes) de ao magntico com adio de silcio (FeSi). As chapas so laminadas a frio e isoladas com resina isolante: espessura reduzida, elevadas resistncias mecnica e eltrica.

O ncleo magntico tem a(s) sua(s) coluna(s) principal(is) com enrolamento, constituda pela combinao alternada de segmento de ao magntico e espaadores (entreferros ou gaps

Cada um dos segmentos de ao magntico A Figura 3 mostra um segmento com

gaps de ar).

tor em derivao: segmento e entreferro RONTIN, 2013)

treferros apresenta elevada distoro. Como os segmentos so laminados na direo radial, o fluxo magntico direcionado nas laminas anisotrpicas de FeSi em

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sua direo de menor perda e de maior permeabilidade magntica, reduzindo, assim, as perdas no ncleo magntico e os sobreaquecimentos da coluna do ncleo.

O fluxo magntico no enrolamento alternado devido corrente alternada que circula por ele e a reorientao, que ocorre a cada meio perodo desse fluxo d origem s vibraes mecnicas, que passam da estrutura do ncleo, atravs do leo at as laterais do tanque do reator. Assim, durante o projeto de um reator, devem-se levar em conta essas vibraes, incluindo a possibilidade de ocorrerem ressonncias mecnicas, na hora de dimensionar a sua estrutura mecnica.

2.1.2 Tipos de Enrolamentos Num reator em derivao, temos os seguintes tipos de enrolamento, de acordo com o nvel de tenso (FRONTIN, 2013):

Disco contnuo: tenses de at 92kV;

Disco contnuo com blindagens internas: tenses at 345kV. Essa tecnologia pode ser usada para maiores nveis de tenso;

Disco em camada (disk layer): tenses de at 245kV. Essa tecnologia tambm pode ser usada para maiores nveis de tenso;

Disco entrelaado: extra-alta e ultra-alta tenses. Possui elevada capacitncia srie, resultando em distribuio aproximadamente linear das tenses do tipo impulso de alta frequncia;

Disco parcialmente entrelaado: extra-alta e ultra-alta tenses. uma combinao do enrolamento do tipo disco entrelaada com o disco contnuo. Assim, combina os benefcios de alto desempenho dos discos entrelaados com o de fabricao otimizado das bobinas em disco contnuo;

Camada: extra-alta tenso: as camadas concntricas so ligadas em srie com isolao interna (entre espiras e entre camadas), adequadamente dimensionada para todas as formas de onda das tenses especificadas.

2.1.3 Isolamento de Reatores leo e celulose (papel e presspan) compe basicamente o isolamento dos reatores. Sua estrutura semelhante dos transformadores. O leo tem, ainda, a funo de resfriamento do reator. A Figura 4 ilustra o material presspan.

Figura 4 - Presspan (MYLAR PRESSPAN ELECTRICAL INSULATION FISH PAPER, 2014)

Os condutores das bobinas do enrolamento so envolvidos em tiras de papel, que formam a isolao entre condutores adjacentes. Esse isolante deve ter caractersticas eltricas, trmicas e mecnicas de acordo com o limite de elevao de temperatura do reator (55C, 65C ou 95C). Os condutores so enrolados em cilindros de presspan, que proporcionam fixao mecnica e isolao entre enrolamentos de fase e entre estes e o ncleo. Tiras de presspan so fixadas no sentido axial, formando canais de leo que contribuem para a isolao e para o resfriamento.

Barreiras isolantes adicionais so usadas entre os enrolamentos de fases diferentes e entre enrolamentos e o ncleo e o tanque. So isolantes, diminuem a espessura dos canais de leo, o que aumenta a rigidez dieltrica (kV/mm). Para evitar o risco de descargas superficiais, a localizao das barreiras deve coincidir com superfcies equipotenciais.

Como dito anteriormente, o resfriamento dos reatores tipicamente a leo. A potncia das perdas transferida para o leo isolante. Sendo assim, o leo em circulao (natural ou forada) transfere a sua energia trmica para as superfcies do tanque e do sistema para o ambiente externo. A transferncia de calor ocorre por conduo, conveco natural ou forada e radiao.

2.1.4 Requisitos Funcionais Admite-se tolerncia de 2,0%, a mais ou a menos, por fase em relao ao valor especificado para a reatncia, de modo que nenhum valor medido de qualquer das trs fases pode se afastar mais de 1,0% do valor mdio delas.

Seu aterramento pode ser do tipo estrela solidamente aterrada ou estrela aterrada atravs de impedncia. A adoo de reator de neutro identificada em estudos de religamento monopolar, em frequncias da rede entre 56 e 66Hz. Quando h a necessidade do uso de impedncia de aterramento, o isolamento do neutro dimensionado considerando esse equipamento (FRONTIN, 2013). Os reatores em derivao so especificados para operar continuamente na mxima tenso operativa da rede durante toda a sua vida til. Os manobrveis so especificados para suportar os transitrios, devido s manobras de abertura e fechamento dirias de seus disjuntores durante toda a sua vida til. Sobretenses inadmissveis e transitrios de frequncia elevada no podem ser provocados quando existem manobras de abertura e fechamento desses reatores para no colocar em risco os equipamentos e o operador. Conforme Resoluo Normativa n474/2012, os reatores em derivao submetidos ao regime de operao devem ser especificados para a expectativa de vida til de 36 anos.

Para reatores trifsicos ou monofsicos de potncia nominal igual ou superior a 5 Mvar e de tenso nominal do enrolamento de alta tenso igual ou superior a 230 kV, a perda total mxima, tenso e freqncia nominais, deve atender ao estabelecido na Tabela 1.

A temperatura ambiente mdia do ponto de instalao deve ser levada em conta para efeito de dimensionamento e especificao de reatores em derivao, pela transmissora (FRONTIN, 2013).

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Tabela 1 - Equipamentos de Alta Tenso, Prospeco e Hierarquizao de Inovaes Tecnolgicas (FRONTIN,

2013) Potncia nominal - Pn (Mvar) Perda mxima

5 Pn 10 0,70 % 10 Pn 15 0,60 % 15 Pn 20 0,50 % 20 Pn 30 0,40 %

Pn 30 0,30 %

2.1.5 Especificao de Reator em Derivao

Algumas vezes, as normas tambm definem condies externas vlidas para a operao do reator. Por exemplo: um reator dever ser capaz de operar com uma carga definida at uma determinada condio de temperatura ambiente, sem exceder determinados limites de temperaturas internas.

Atualmente, h uma tendncia para a unificao das normas nacionais. As normas tcnicas ABNT e NBR so, em geral, fundamentadas nas normas tcnicas IEC correspondentes.

A especificao de um reator define e descreve as condies operacionais correspondentes. Em geral, contm informaes relacionadas a: regime normal de operao, condies anormais de operao e avaliao de perdas.

Condies anormais de operao podem incluir informaes e requisitos para sobrecorrentes e sobretenses, como tambm a interao eletromagntica e transitria entre o reator e o sistema eltrico adjacente. Em geral, o projeto de um reator em derivao considera a otimizao entre perdas totais e custos de fabricao, sendo, portanto, til o conhecimento do valor das perdas totais durante o projeto do reator. A otimizao geral de um reator influenciada pelos parmetros de especificao, como por exemplo: requisitos de nvel de isolamento para o terminal de linha e neutro elevam as dimenses de um reator; limites reduzidos de elevaes de temperatura do leo e do enrolamento afetam o enrolamento e o sistema de resfriamento.

As perdas totais de um reator so afetadas pelo valor especificado de tenso nominal (UR), pela tenso mxima operativa (UMAX) e pelos limites de elevaes de temperatura do leo e enrolamentos, que so elementos interdependentes. Tambm deve ser observado que as dimenses de um reator so principalmente influenciadas pelo valor da tenso operativa mxima (UMAX) enquanto as perdas totais so otimizadas, em geral, para as condies nominais (UR). A potncia nominal de um reator em derivao o valor da potncia reativa (QR) especificada para a operao na tenso e frequncia nominais. A tenso de operao mxima (Umax) a mxima tenso de operao frequncia nominal, na qual o reator capaz de operar continuamente sem exceder os limites de elevao de temperatura especificados.

muito importante especificar a tenso (nominal ou mxima) de referncia de um reator para se evitar danos ao equipamento. Considerando a caracterstica linear da relao (U x I), a reatncia (XR) e a indutncia (LR) tm valor constante mesmo para a tenso operativa mxima (UMAX) maior que a tenso nominal (UR).

Os reatores em derivao (unidades trifsicas ou banco trifsico de unidades monofsicas) so, em geral, conectados em Yo (estrela com neutro aterrado). Os nveis de isolamento devem ser especificados correspondentes tenso mxima operativa do seu terminal de linha.

Os limites de elevaes de temperatura do leo e enrolamentos so uma funo das caractersticas trmicas dos materiais e no devem ser ultrapassados.

O reator em derivao opera com fator de carga prximo de 1.0 pu e seu carregamento depende do valor de tenso na barra de conexo.

O sistema de resfriamento de um reator em derivao pode ser composto por ONAN (leo Natural e Ar Natural) ou KNAN (ster Natural e Ar Natural) e deve ser dimensionado para a condio de perdas totais relacionadas tenso operativa. A linearidade do ncleo reflete diretamente nas dimenses do ncleo e das massas de materiais ativos (ao magntico e cobre) e podem elevar as dimenses e o custo de um reator em derivao.

Os valores de suportabilidade a sobretenses dinmicas de um reator em derivao devem satisfazer s condies usuais dos sistemas. Existem tambm caractersticas especiais que so caractersticas necessrias para o bom funcionamento do equipamento, devido a particularidades do sistema, como exemplo, a igualdade entre as impedncias de sequncia zero e de sequncia positiva.

2.1.6 Desempenho de reator em derivao A capacidade de operar de maneira confivel e sem falhas com desempenho tcnico e econmico adequado caracterizam o desempenho operacional de um reator em derivao (FRONTIN, 2013). Nesse contexto, so relevantes o desempenho eletromagntico, dieltrico, trmico, acstico e mecnico.

Ao energizar um reator em derivao a tenso de operao da rede eltrica, uma corrente eltrica estabelecida no enrolamento do reator. Em conseqncia, a corrente eltrica estabelece um campo magntico no espao ocupado adjacente ao enrolamento. A presena de materiais magnticos, condutores e materiais metlicos no condutores resulta em indues, fluxos magnticos, foras eletromagnticas, perdas, aquecimentos, vibraes e solicitaes mecnicas correspondentes.

Um reator em derivao com ncleo magntico e coluna principal com entre ferros distribudos so dimensionados com induo magntica nos segmentos na faixa de 1,2 1,6T, dependente dos requisitos de linearidade da curva de magnetizao, nvel de rudo audvel e de amplitude de vibrao mecnica.

Quando energizado sob a tenso de operao, perdas so estabelecidas no ncleo, no enrolamento e adicionais em componentes metlicos da parte ativa e do tanque. Em conseqncia, a confiabilidade operacional e a expectativa de vida so dependentes do desempenho trmico do reator em operao.

Esse desempenho certificado atravs de um conjunto de medies de temperaturas no ensaio de elevao de temperatura (leo, enrolamento, partes metlicas) do reator em derivao (ABNT NBR5386-6 de 2012Nov26).

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2.1.7 Reator em Derivao e o Sistema Eltrico

Como um reator opera em interao contnua com o sistema eltrico adjacente, temos os seguintes estados de operao: estado de operao em regime permanente com tenso nominal, estado de operao em regime temporrio com tenso mxima operativa e estado de operao em regime transitrio.

No estado de operao em regime permanente, h uma relao linear entre a tenso aplicada e a corrente no reator ou qualquer variao da tenso resulta na variao proporcional da corrente no enrolamento. O fluxo e a induo magntica so tambm proporcionais tenso de forma de onda senoidal. Nessas condies, a reatncia indutiva do reator constante e a potncia reativa absorvida pelo reator uma funo quadrtica do valor eficaz da tenso aplicada e o reator pode ser operado, ao longo de sua vida til esperada, em conformidade com os seus limites trmicos correspondentes.

Os efeitos das componentes harmnicas de corrente so devidos saturao parcial do ncleo magntico. Seus efeitos so, em geral, reduzidos e de pequena importncia prtica para proteo por rels ou interferncias eletromagnticas.

No estado de operao em regime transitrio, os fenmenos transitrios podem ser divididos em duas classes: corrente de ligao (inrush) e sobretenses transitrias. A corrente de ligao (inrush) um fenmeno transitrio associado a efeitos de saturao no ncleo magntico, que surgem devido manobra de energizao de um reator. Acima do ponto de saturao do ncleo, a corrente eleva-se muito mais rpido do que o fluxo magntico, podendo ter um pico de at 7,7 vezes a corrente nominal.

Essas sobretenses so minimizadas atravs da aplicao de rels sincronizadores ao disjuntor que manobra o reator e a proteo do reator por meio de para-raios de xido de zinco.

Um reator em derivao tem um ciclo de carga aproximadamente constante Dessa forma, pode operar em regime de temperaturas mais elevadas. O sistema de isolao misto composto pela combinao de isolao slida (papel e presspan) e lquida (leo isolante) muito utilizado neste tipo de reator.

O envelhecimento e a deteriorao do sistema de isolao de um reator so provenientes de solicitaes (trmicas, eltricas, mecnicas) e de reaes qumicas internas estabelecidas durante sua vida til. Contaminantes de origem interna e/ou externa contribuem para a acelerao do envelhecimento e resultam na reduo da vida til e/ou da confiabilidade operacional com elevao do risco de falha do reator.

Com isso, h a necessidade de se utilizar mtodos de monitorao, anlise de estado, diagnsticos e manuteno que possam assegurar a operao confivel e sem falha de um reator em derivao ao longo da sua vida til. Isto envolve um conjunto de processos (off-line ou on-line) que correspondem medio no campo, de parmetros de operao e grandezas caractersticas de um reator. Em geral os processos de identificao de dados, mtodos de anlise, indicao de tendncias, alarmes, anlises de estado e anlises comparadas so similares queles utilizados para um transformador de potncia.

2.1.8 Novas Tecnologias As novas tecnologias para construo e projeto de reatores em derivao proporcionaram desenvolvimentos relevantes tais

como: elevao de potncia reativa nominal por unidade de reator, elevao da tenso nominal e tenso mxima operativa para nveis de ultra-alta tenso, expanso da aplicao de reator em derivao com enrolamento secundrio (reator-transformador), utilizao crescente de materiais avanados, seleo da alternativa de revitalizao ou substituio de um reator em final de vida til (FRONTIN, 2013). Reator com Potncia Reativa Varivel:

O desenvolvimento da tecnologia de reator com controle da potncia reativa absorvida (VSR variable shunt reactor) resulta em benefcios operacionais elevando dinmica e flexibilidade do controle de tenso e de fluxo de potncia correspondentes. O VSR permite controlar o nvel de tenso do sistema eltrico de uma forma mais eficiente e em degraus menores, a potncia reativa absorvida do sistema eltrico obtida atravs da variao, por degraus, da indutncia do reator. A Figura 5 exemplifica um arranjo geral de um reator em derivao com potncia reativa varivel.

Figura 5 - Arranjo de um reator em derivao de potncia varivel (FRONTIN, 2013)

O VSR pode ser usado para as seguintes aplicaes: Controle e reduo de picos de tenso no sistema eltrico ao ligar ou desligar reator em derivao de potncia reativa fixa; maximizao da capacidade dinmica do sistema eltrico durante a ocorrncia de uma falha no sistema; controle de potncia reativa em parques elicos de gerao de energia; compactao e otimizao de subestaes; manuteno da estabilidade da tenso eltrica do sistema; substituio flexvel de reatores.

Reator-transformador:

Em alguns casos, reatores em derivao podem ser especificados com um enrolamento secundrio de baixa potncia quando comparada potncia nominal do reator (ou do enrolamento primrio). Nesses casos, o reator em derivao denominado de reator-transformador. Sua aplicao pode ser economicamente interessante para alimentar cargas de servios auxiliares e/ou cargas locais leves de baixa potncia em subestaes remotas, sem transformao, em sistemas eltricos de grande extenso. A Figura 6 mostra o esquema de ligao para esse tipo de aplicao, servios auxiliares.

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Figura 6 - Reator em derivao com enrolasecundrio (FRONTIN, 2013)

3 REATORES SATURVEIS Um reator saturvel em engenharia eltrica um tipo especial de indutor onde o ncleo magntico pode ser deliberadamente saturado por uma corrente eltrica direta em um enrolamento de controle. Uma vez saturado, a indutncia do reator saturvel cai drasticamente. Isto diminui reatncia indutiva e permite o aumento do fluxo de corrente CA.

Reatores saturveis proporcionam um meio muito simples de controlar a corrente alternada (CA) atravs de uma carga, tal como uma lmpada incandescente, a corrente aproximadamente proporcional corrente contnua (enrolamento de controle. Alm disso, devido ao arranjo especial dos enrolamentos eltricos, o enrolamento de controle, e o ncleo, o enrolamento de controle bem isolado a partir da energia de CA. Os enrolamentos de alimentao so normalmente configurados para que eles anulem tenses CA que poderiam ser induzidas no enrolamento de controle.

O componente bsico em qualquer circuito amplificadmagntico um reator saturvel. Qualquer reator de ncleo magntico pode ser saturado, se corrente suficiente passa num enrolamento do ncleo. Assim, de certo modo, todos os reatores com ncleos magnticos poderiam ser classcomo reator saturvel. No entanto, uma unidade destinada a ser amplificador magntico tem um ncleo muito especial, em comparao com uma unidade projetada para seou transformador (SILVA, 1979). desejvel usar um material com uma histerese retangular. Contudo, a retangularidade no pode ser atingida; mesmo com os melhores materiais, o ciclo estaria levemente inclinado no sentido horrio. Vrios tipos de ligas de nquel-ferro tm propriedades mais adequadas para o uso como material de ncleos de reatores saturveis. Estes materiais so ligas de alta permeabilidade e ligas de gro orientado.

Os materiais de alta permeabilidade, assim como Permalloy, Mumetal, liga 1040 e equivalentes tmbaixos e intermedirios de densidade de fluxo de saturao, mas ciclos de histerese relativamente estreitos e inclinados.

Reator em derivao com enrolamento secundrio (FRONTIN, 2013)

Um reator saturvel em engenharia eltrica um tipo especial de indutor onde o ncleo magntico pode ser deliberadamente saturado por uma corrente eltrica direta em um enrolamento

saturado, a indutncia do reator saturvel cai drasticamente. Isto diminui reatncia indutiva e permite o

proporcionam um meio muito simples de ) atravs de uma carga, tal

como uma lmpada incandescente, a corrente CA porcional corrente contnua (CC) no

enrolamento de controle. Alm disso, devido ao arranjo especial dos enrolamentos eltricos, o enrolamento de controle,

ncleo, o enrolamento de controle bem isolado a partir da . Os enrolamentos de alimentao CA tambm

so normalmente configurados para que eles anulem tenses que poderiam ser induzidas no enrolamento de controle.

er circuito amplificador magntico um reator saturvel. Qualquer reator de ncleo

gntico pode ser saturado, se corrente suficiente passa num enrolamento do ncleo. Assim, de certo modo, todos os reatores com ncleos magnticos poderiam ser classificados como reator saturvel. No entanto, uma unidade destinada a ser amplificador magntico tem um ncleo muito especial, em comparao com uma unidade projetada para ser reator linear

histerese retangular. Contudo, a retangularidade no pode ser atingida; mesmo com os melhores materiais, o ciclo estaria levemente inclinado no sentido horrio. Vrios tipos de ligas de

ferro tm propriedades mais adequadas para o uso de reatores saturveis. Estes

materiais so ligas de alta permeabilidade e ligas de gro

Os materiais de alta permeabilidade, assim como e equivalentes tm valores

e fluxo de saturao, vamente estreitos e inclinados.

Figura 7 - Reator Saturvel (EENGINEERING KIMBERLY, 2014

Figura 8 - Modelo Simplificado do Reator (SILVA,

Permalloy uma famlia de ligas metlicas com 70% Ni (nquel) e o restante, principalmente de ferro, podendo conter pequenos teores de outros elementos como cobre, cromo e molibdnio. Essa liga recebe tratamento trmico especial para que adquira suas propriedades magnticas desejadas. Sua principal propriedade uma permeabilidade magntica () elevada, que pode atingir 200.000, em baixas intensidades de campo magntico.

Mumetal (Mu-metal) uma liga com 17%Fe (Ferro), 5%Cu (Cobre(Magnsio), podendo ser considerada pertencente famlia das ligas Permalloy. A permeabilidade magntica do pode atingir 100.000.

Os materiais de gro orientado, como 45%Ti e 3%Co), Deltamax, Hypernik V, OrthonikPermeron, e equivalentes, tm valores mais altos de densidade de fluxo de saturao, e ciclos de histerese mais retangulares do que os materiais de permeabilidade elevada.

Devido ao formato no linear da curva de satuferro, o fluxo por ampre e a indutncia do reator de ncleo de ferro, complexa a funo de densidade de fluxo do ncleo.

Reator Saturvel (ELECTRICAL ENGINEERING KIMBERLY, 2014)

Modelo Simplificado do Reator Saturvel (SILVA, 1979)

Permalloy uma famlia de ligas metlicas com 70% - 90% Ni (nquel) e o restante, principalmente de ferro, podendo conter pequenos teores de outros elementos como cobre, cromo e molibdnio. Essa liga recebe tratamento trmico

ial para que adquira suas propriedades magnticas Sua principal propriedade uma permeabilidade

) elevada, que pode atingir 200.000, em baixas intensidades de campo magntico.

metal) uma liga com 76%Ni (Nquel), Cobre) e 2%Cr (Cromo) ou Mg

), podendo ser considerada pertencente famlia das . A permeabilidade magntica do Mu-metal

Os materiais de gro orientado, como Orthonol (52% Ni, , Deltamax, Hypernik V, Orthonik,

e equivalentes, tm valores mais altos de densidade de fluxo de saturao, e ciclos de histerese mais

que os materiais de permeabilidade

Devido ao formato no linear da curva de saturao do re e a indutncia do reator de ncleo

de ferro, complexa a funo de densidade de fluxo do

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Figura 9 - Ciclo de Histerese (US NAVY, 2002) Reatores saturveis fornecem meios bastante simples para o controle de corrente alternada pela carga como em uma lmpada incandescente; a corrente CA grosseiramente proporcional a corrente CC no enrolamento de controle.

No enrolamento de controle do reator saturvel no h f.e.m. induzida, e portanto, transferncia de energia; o enrolamento de controle percorrido por corrente contnua e a potncia necessria para vencer as perdas. A potncia de controle , por isso, notavelmente inferior controlvel, e o reator funciona, portanto, como amplificador (FIGINI, 2002).

4 CONCLUSO Este trabalho apresentou dois tipos de reatores, de derivao e saturvel, comentando detalhadamente sua constituio (materiais construtivos e isolamento), funcionalidade e algumas caractersticas de operao.

Atravs do estudo apresentado pde-se perceber que ambos os reatores possuem dentro de suas especificaes, inmeros pontos semelhantes diferenciando-se no tratamento do material utilizado no ncleo, possuindo assim caractersticas distintas.

AGRADECIMENTOS Ao professor Marcelo Aroca Tomim pelo incentivo ao desenvolvimento deste trabalho e pelas discusses e sugestes no decorrer do mesmo, aos colegas de sala e Universidade Federal de Juiz de Fora pelo suporte.

REFERNCIA BIBLIOGRFICA FRONTIN, S.O., Equipamentos de alta tenso prospeco

e hierarquizao de inovaes tecnolgicas, Braslia, 2013

U.S. Navy, Bureau of Naval Personnel, Training Publications Division, Basic Electricity, 2002

SILVA, M.S. Um mtodo analtico para anlise harmnica de reatores saturados.1979.150 f.Tese (Mestrado em Engenharia Eltrica)-Departamento de Engenharia Eltrica, PUC-RJ,Rio de Janeiro. 1979.

PACHECO, J. M.; OLIVEIRA, J. C.; VASCONCELLOS, A. B.; APOLNIO, R.; MIRANDA, N. R. O.; PEREIRA, E. S.; Projeto e Anlise Desempenho de um Reator Saturado de 570 kVAr e 13,8 kV para Regulao de Tenso, 2004

FIGINI, G.F.; Eletrnica Industrial, Circuito e Aplicaes, 2002.

Imagem da empresa DIRECT INDUSTRY, retirada em http://www.directindustry.com, em 2014

Imagem da empresa ELECTRICAL ENGINEERING KIMBERLY, retirada em http://www.vias.org/kimberlyee/ee_30_04.html, em 2014

Imagem da empresa MYLAR PRESSPAN ELECTRICAL INSULATION FISH PAPER, retirada em http://www.alibaba.com/showroom/electrical-presspan-paper.html, 2014

BIOGRAFIA Bruno Moreira Nogueira Vilela, graduando em Engenharia Eltrica pela UFJF (Juiz de Fora, MG), participou em projeto de pesquisa Otimizao de Sistemas de Distribuio com Insero de Usinas Elicas UFJF (Juiz de Fora, MG) em 2012/13. As suas reas de interesse so simulao e modelagem de Sistemas de Potncia e Planejamento Energtico.

Guilherme de Oliveira Alves, graduando em Engenharia Eltrica pela UFJF (Juiz de Fora, MG), participou de projeto de pesquisa Mtodos Numricos Aplicados Anlise de Sistemas de Transmisso e Distribuio de Energia Eltrica pela UFJF (Juiz de Fora, MG) em 2011/12. bolsista pelo CNPQ no projeto de pesquisa Mtodos Numricos Aplicados Anlise de Sistemas de Distribuio de Energia Eltrica desde 2012. As suas reas de interesse so modelagem e simulao de Sistemas de Potncia e de Distribuio.

Maria Rita Dias Faria, graduanda em Engenharia Eltrica pela UFJF (Juiz de Fora, MG), participou em projeto de pesquisa Otimizao de Sistemas de Distribuio com Insero de Usinas Elicas UFJF (Juiz de Fora, MG) em 2012/13. Interesse em Sistemas Eltricos de Potncia.