Estudos Preliminares Sobre Equipamentos EleÌ tricos

1. Introdução ao Estudo de Equipamentos Elétricos
Os estudos básicos visando à especificação das características dos equipamentos,
realizados na etapa de detalhamento, consistem no estudo de fluxo de potência, para
determinação das correntes nominais, no estudo de curto-circuito, para determinação da
suportabilidade ao curto-circuito e da capacidade de interrupção dos disjuntores e,
finalmente, no estudo de sobretensões, para determinação dos níveis de isolamento.
Na figura 1 é mostrado um diagrama que relaciona os estudos de engenharia com as
especificações dos diversos equipamentos que compõem um sistema de potência.
2. Corrente Nominal
O roteiro para a especificação das correntes nominais de disjuntores, chaves,
secionadores, transformadores de corrente, capacitores serie e filtros de onda é
resumido nos seguintes passos:
I - Determinar os fluxos máximos nas linhas de transmissão, a partir de estudos de
fluxo de potência em condições de operação normal e de emergência, para
configurações futuras (horizonte de 30 anos, aproximadamente);
II - Especificar os requisitos de corrente nominal no mínimo iguais aos valores dos
fluxos.
III - Adequar aos valores recomendados pelas normas vigentes.
IV - Adotar, sempre que possível, a padronização dos valores de corrente nominal,
visando à redução do número de unidades reservas e a simplificação da especificação.
V - Investigar o fluxo de potência nos barramentos das subestações, para condições
de saída de linha e de disjuntores em manutenção, e no caso de se detectar
sobrecargas indesejáveis, especificar valores maiores de corrente nominal ou aplicar
restrições operativas para limitação do fluxo de potência.
A seguir será apresentado um exemplo de caso real para ilustrar o roteiro proposto.
Exemplo:
Especificar as correntes nominais dos disjuntores, secionadores, transformadores de
corrente e filtros de onda da subestação de 345 kV, da figura 2. Os valores das
correntes que chegam e que saem da subestação estão indicados na figura 3. O arranjo
da subestação é do tipo ‘barra dupla com disjuntor simples’, conforme mostrado na
figura 4.
Figura 4
Solução
I - Fluxos Máximos
Da observação da figura 3, conclui-se que os fluxos máximos correspondem a corrente
de 1.244 A nas linhas para o subsistema 1 (condição de emergência I) e a corrente de
1.280 A nas linhas para o subsistema 2 (condição de emergência II).
II - Requisitos de Corrente Nominal
Equipamentos das linhas para o subsistema 1: 1.244 A.
Equipamentos das linhas para o subsistema 2: 1.280 A.
III - Adequação às Normas
Equipamentos das linhas para o subsistema 1: 1.250 A.
Equipamentos das linhas para o subsistema 1: 1.600 A.
IV - Padronização
Adotar 1.600 A para os equipamentos de todas as linhas.
V - Fluxo nos Barramentos
Na figura 4 está representado o arranjo da SE onde são indicados os valores máximos
das correntes que podem passar em cada circuito.
Como o valor de corrente nominal especificado em IV foi de 1.600 A para todos os
equipamentos, após o exame do fluxo nos barramentos, conclui-se que não há
possibilidade de ocorrências de sobrecargas indesejáveis.
3. Corrente de Curto-Circuito
Durante a ocorrência de um curto-circuito num sistema de potência, os equipamentos
devem suportar, sem prejuízo, no seu desempenho, todas as solicitações de corrente
que, porventura, surgirem até o instante em que os disjuntores atuem no sentido de isolar
o trecho defeituoso do sistema.
Além disso, os disjuntores devem ser capazes de interromper as correntes de curtocircuito e, também, suportar as correntes que surgirem quando, em manobra de
fechamento, estabelecerem o curto-circuito.
Um dado importante para a especificação da corrente de curto-circuito é a assimetria
que a mesma pode apresentar, dependendo do valor da tensão no ponto de aplicação do
curto-circuito, no instante da sua ocorrência. Em primeira aproximação, se essa tensão for
nula, a assimetria será máxima e vice-versa.
A componente contínua da corrente de curto-circuito, responsável por essa assimetria,
decai exponencialmente, sendo a constante de tempo função de relação X/ R da rede.
O valor do pico máximo da corrente de curto-circuito assimétrica define a característica
dinâmica dos equipamentos enquanto que, o valor eficaz da corrente simétrica define a
característica térmica e devem, portanto, ser especificados.
A duração da corrente de curto-circuito também deve ser especificada e corresponde
ao tempo máximo que o equipamento pode ficar submetido à corrente de curto-circuito.
Seu valor, normalmente especificado, e de 1s a 3s.
O roteiro para a especificação das correntes de curto-circuito de disjuntores, chaves
secionadores, transformadores de corrente, capacitores serie e filtros de onda é resumido
nos seguintes passos:
I - Determinar as correntes através dos equipamentos para configurações futuras,
previstas para um horizonte da ordem de 30 anos, aproximadamente. Adequar aos
valores das normas vigentes e adotar, quando possível, a padronização.
II - Determinar a relação X/R da rede e a constante de tempo da componente contínua
da corrente de curto-circuito.
III - Determinar o valor do pico máximo da corrente de curto-circuito assimétrica. Esse
valor também define a capacidade de estabelecimento em curto-circuito para os
disjuntores.
IV - Determinar o valor da componente contínua (para os disjuntores) no instante da
separação dos contatos do disjuntor;
O Exemplo apresentado a seguir ilustra o roteiro proposto.
Exemplo:
Especificar os requisitos de corrente de curto-circuito para os disjuntores,
secionadores, transformadores de corrente e filtros de onda da subestação da figura 5,
conhecendo-se os valores das correntes para curtos-circuitos aplicados, não
simultaneamente, nos pontos assinalados com um ‘X’ e sabendo-se estar aberta a
extremidade oposta da linha onde o curto-circuito esta aplicado. Os curtos-circuitos
aplicados são trifásicos.
Figura 5
Solução
I - Correntes de curto-circuito, valores de norma e padronização.
Conforme a figura 5, a hipótese de estar aberta a extremidade oposta da linha onde o
curto-circuito esta aplicado, também conhecida como condição de ‘line-out’, corresponde
a pior condição de curto-circuito possível.
II - Relação X/R e a Constante de Tempo da Componente Contínua
Como se sabe, a relação X/R define o decaimento exponencial da componente
contínua que, por sua vez, determina a assimetria da corrente de curto-circuito.
A forma de onda da corrente de curto-circuito em função do tempo, pode ser obtida
diretamente da utilização de programas convencionais de cálculo de transitórios
eletromagnéticos, onde pode ser adotada a representação trifásica da rede em estudo,
por meio de suas resistências e reatâncias a 60 Hz.
Não sendo possível adotar tal procedimento, a relação X/R pode ser obtida pela
redução da rede de impedâncias através de programas convencionais de cálculo de
curto-circuito ou, como recomendado no guia ANSI C37.0101972 - "Application Guide
for AC High Voltage Circuit Breakers Rated on a Symmetrical Current Basis", pela
redução das redes de resistências e reatâncias, separadamente, ou ainda, utilizando
valores típicos recomendados nesse mesmo guia.
Embora diferentes valores de relação X/R possam ser calculados numa mesma
subestação, é conveniente especificar um mesmo valor para efeito de padronização.
Esse valor será o maior encontrado na subestação e, de acordo com as normas
vigentes, não deve ser inferior a 17.
Na figura 6 é mostrada a curva de decaimento exponencial da componente continua
da corrente de curto-circuito em função do tempo, para X/R = 17.
Neste exemplo, será apresentado o cálculo de X/R para um curto-circuito na barra da
subestação da figura 5, aplicando as recomendações do guia ANSI.
Figura 6
Para curtos trifásicos: X / R = X1 / R1
e para curtos monofásicos: X / R = (2X1+ XO) / (2R1 + RO),
onde,
R1 = resistência equivalente de sequência positiva
X1 = reatância equivalente de sequência positiva
RO = resistência equivalente de sequência zero
XO = reatância equivalente de sequência zero
Supondo não serem conhecidas as resistências da rede, serão adotados valores
típicos, conforme segue:
Para máquinas:
Xm
0,600
= 80 → Rm =
= 0,0075 pu
Rm
80
Para linhas:
XL
0,141
= 5 → RL =
= 0,0282 pu
RL
5
Posseguindo na redução da rede:
−1
X eq.
1 ⎞
⎛ 1
=⎜
+
⎟ = 0,114 pu
0
,
600
0
,
141
⎠
⎝
−1
1 ⎞
⎛ 1
Req. = ⎜
+
⎟ = 0,006 pu
0
,
0075
0
,
0282
⎠
⎝
X eq.
Req.
=
0114
= 19
0,006
A tabela 1 apresenta diversos valores da rtelação X/R. Como o valor calculado é 19,
será adotado o valor da tabela imediatamente superior, ou seja, 20.
A constante de tempo de um circuito RL é definida como sendo a relação L/R.
τ=
L ωL 1 X
=
= ×
R ωR ω R
Onde:
ω = 2 × π × f = 377 para f = 60Hz
X
= 20 , tem-se:
Considerando
R
τ=
1
2×π × f
×
X
1
=
× 20 = 50ms = 3,2 ciclos
R 377
O percentual de componente contínua da corrente de curto-circuito em
função do tempo será, portanto:
% I cc = 100 × e
−t
3, 2
Para t em ciclos.
III – Pico Máximo da Corrente Assimétrica
Na figura 7 está mostrada a curva de corrente de curto-circuito em função do tempo.
Figura 7
Observa-se que o pico máximo da corrente assimétrica ocorre para t = 0,5 ciclos
(8,33 ms em 60 Hz ou 10 ms em 50 Hz).
Portanto, para t = 0,5 ciclos esse valor pode ser calculado por:
IASS = ICA (eficaz) x F
Sendo
−t
F = 2 × ⎛⎜1 + e τ ⎞⎟
⎝
⎠
Fazendo-se t = 8,33 ms (60 Hz) ou t = 10 ms (50 Hz), o pico máximo será então de:
I ASS .
−8, 33
⎛
= 2 × ⎜1 + e 53 ⎞⎟ × 40 = 105kA
⎝
⎠
Este mesmo valor corresponderá também à capacidade de estabelecimento em
curto-circuito dos disjuntores.
A tabela 1 também apresenta alguns valores do fator F em função de valores da
relação X/R e da constante de tempo de circuitos a 60 Hz.
São indicados também, em percentagem, os valores da componente CC no instante
de separação dos contatos, indicando-se o tempo em ciclos a que esses valores se
referem. Os valores de t e CC foram arredondados para números inteiros.
IV - Valor da Componente Contínua no Instante da Separação dos contatos do
Disjuntor
Supondo que o tempo para a separação dos contatos do disjuntor, contado a partir do
início do curto-circuito, seja de 1,5 ciclos. Tem-se:
% Icc = 100 x e-1,5/3,2 = 100 x 0,624 = 62 %
Para t = 2,5
Temos % Icc = 100 x e-2,5/3,2 = 100 x 0,458 = 46 %
Na tabela 2 são resumidos os resultados obtidos, compondo os requisitos de
corrente de curto-circuito dos equipamentos.
A terminologia utilizada no quadro para definir as grandezas, foi extraída da ABNT
para cada equipamento específico. Pode-se observar que o nome de uma grandeza
pode mudar, dependendo do equipamento em questão.
4. Níveis de Isolamento dos Equipamentos
O nível de isolamento de um equipamento é o conjunto de tensões suportáveis
nominais, aplicadas ao equipamento durante os ensaios e definidas em norma
específica para esta finalidade, que define sua característica de isolamento. A NBR6939 - Coordenação de Isolamento - Procedimento, define 3 faixas de tensões máximas
para os equipamentos: faixa A, com tensões entre 1 kV e 52 kV, faixa B, com tensões
iguais ou superiores a 52 kV e inferiores a 300 kV e faixa C, com tensões superiores a
300 kV. Os limites das faixas acima são os mesmos adotados pela IEC-71.1.
As tensões definidas em norma a serem aplicadas nos ensaios para comprovar o
nível de isolamento de um equipamento, são as seguintes: tensão suportável estatística
(ou convencional) de impulso de manobra (ou atmosférica); tensão suportável nominal a
frequência industrial de curta duração; e tensão suportável nominal de impulso de
manobra (ou atmosférico).
A tensão suportável estatística de impulso de manobra (ou atmosférico) é o valor de
crista de uma tensão de ensaio de impulso de manobra (ou atmosférico), para o qual a
probabilidade de não ocorrerem descargas disruptivas na isolação, em condições
especificadas, é igual a uma probabilidade de referencia especificada.
A norma NBR-6939, de Coordenação de Isolamento, adota a probabilidade de
referência igual a 90%, ou seja, a probabilidade de ocorrerem descargas disruptivas
nesta tensão é de 10%, e este conceito é aplicável somente ao isolamento autoregenerativo.
A tensão suportável convencional de impulso de manobra (ou atmosférico) é o valor
de crista especificado de uma tensão de impulso para o qual não deve ocorrer descarga
disruptiva num isolamento submetido a um número especificado de aplicações, em
condições especificadas. Este conceito aplica-se somente a isolamentos nãoregenerativos.
A tensão suportável nominal a frequência industrial de curta duração é o valor eficaz
especificado da tensão, a frequência industrial, que um equipamento deve suportar em
condições de ensaio especificadas e durante um período de tempo, geralmente, não
superior a 1 minuto.
A tensão suportável nominal de impulso de manobra (ou atmosférica) é o valor de
crista especificado de uma tensão suportável de impulso de manobra (ou atmosférico),
que caracteriza o isolamento de um equipamento no que concerne aos ensaios de
tensões suportáveis.
A NBR-6939 estabelece que para os equipamentos classificados nas faixas A e B
(tensão máxima inferior a 300 kV) consideram-se, para o estabelecimento do nível de
isolamento, somente as tensões suportáveis nominais de impulso atmosférico e a
frequência industrial de curta duração. Para a faixa C (tensão máxima igual ou superior
a 300 kV) consideram-se as tensões suportáveis nominais de impulso de manobra e
atmosférico.
As tabelas 1 e 2 da NBR-6939, que apresentam os níveis de isolamento normalizados
para os equipamentos classificados nas faixas A e B são reproduzidas nas tabelas 3 e 4
deste capítulo.
Formas de Onda Padronizadas para Ensaios de Impulsos
1. Ensaio de Frequência Industrial
É utilizada uma fonte senoidal com frequência de 60 Hz. O nível de tensão é ajustado
pelos transformadores de cascata. Em alguns equipamentos, como transformadores de
potência e reatores derivação, é necessário realizar-se o ensaio com frequência superior
a 60 Hz, a fim de se evitar problemas de saturação no equipamento ensaiado.
2. Ensaio de Impulso Atmosf6rico
É utilizado um gerador de impulsos com forma de onda ajustável ao impulso
atmosférico padronizado para ensaios: impulso 1,2 x 50 μs, conhecido como onda plena
(figura 2a) e impulso 1,2 x 50 μs cortado, conhecido como onda cortada (figura 2b).
3. Ensaio de Impulso de Manobra
É utilizado um gerador de impulsos com forma de onda ajustável ao impulso de
manobra, padronizado para ensaios: impulso 250x 2500 μs (figura 3).
Figura 3 - Impulso de Manobra 250 x 2500 μs
Níveis de Isolamento e Ensaios Normalizados
1. Tensão Critica de Descarga (V50)
Tensão de ensaio para a qual um isolamento (auto-regenerativo) tem 50% de
probabilidade de suportar esta tensão sem ocorrer descarga ou, consequentemente,
50% de probabilidade de provocar descarga no isolamento (figura 4). O ensaio é
realizado com a aplicação de 30 a 40 impulsos no equipamento e só pode ser aplicado
em equipamentos cujos isolamentos podem ser considerados puramente autoregenerativos: chaves, postes isoladores e porcelanas de buchas.
2. Tensão Suportável a Impulso de Manobra
a. Estatística
Tensão de impulso de manobra de ensaio para a qual um isolamento autoregenerativo tem uma probabilidade de suportar esta tensão igual a 90% (10% de
probabilidade de descarga). Em uma distribuição normal (Gaussiana) esta tensão situase a menos 1,3 σ do valor V50 (figura 4).
A tensão suportável a impulso de manobra estatística especificada para os
equipamentos com isolamentos auto-regenerativos (poste isolador, chave etc.) e
equipamentos com isolamento auto-regenerativo em paralelo com isolamento nãoregenerativo (TP, TC, disjuntor etc.), é verificada por meio do chamado ensaio 15 x 2
das normas IEC e ABNT.
Neste ensaio, o equipamento é submetido a 15 impulsos de manobra, para cada
polaridade, com magnitude V igual à tensão suportável especificada. Se houver até, no
máximo, duas descargas no isolamento externo, o equipamento passa no ensaio.
Havendo mais de duas descargas, o equipamento é rejeitado. Não poderá haver
nenhuma descarga interna nos isolamentos não-regenerativos do equipamento. Este
ensaio apresenta um aceitável limite de confiança, com o número relativamente
pequeno de quinze impulsos aplicados.
Outro tipo de ensaio equivalente ao ensaio 15 x 2, para isolamentos autoregenerativos, é o ensaio 5 x 10 da ANSI. Este ensaio consiste na aplicação inicial de 5
impulsos de manobra. Se não houver descarga, o equipamento passa no ensaio.
Havendo mais de uma descarga, o equipamento é rejeitado. Se houver apenas uma
descarga, o equipamento é submetido a mais 10 impulsos e não deverá sofrer nenhuma
descarga para ser aceito.
Estatisticamente, é demonstrado que o ensaio 15 x 2 é mais seletivo que o ensaio 5 x
10, já que a probabilidade de se rejeitar um equipamento perfeito é menor no ensaio 15
x 2 e a probabilidade de se aceitar um equipamento defeituoso é praticamente a mesma
nos dois tipos de ensaios.
b. Convencional
Tensão de impulso de manobra de ensaio que um isolamento não-regenerativo é
capaz de suportar sem apresentar nenhuma descarga.
Os equipamentos cujos isolamentos não-regenerativos são as partes principais do
equipamento (transformadores e reatores) são ensaiados com um número reduzido de
impulsos: 1 pleno de amplitude reduzida e 3 plenos, para cada polaridade, de
amplitudes iguais à tensão suportável, a fim de evitar danos ao isolamento pela
aplicação de grande número de impulsos durante os ensaios.
Tensão Suportável a Impulso Atmosférico
a. Estatística
Tensão de impulso atmosférico de ensaio para a qual um isolamento autoregenerativo tem probabilidade de suportar esta tensão igual a 90% (10% de
probabilidade de descarga).
Os ensaios a impulsos atmosféricos para os equipamentos com isolamentos autoregenerativos são semelhantes aos ensaios para impulsos de manobra: ensaios 15 x 2
(ABNT/ IEC) e 5 x 10 (ANSI).
b. Convencional
Tensão de impulso atmosférico de ensaio que um isolamento não-regenerativo é
capaz de suportar sem apresentar nenhuma descarga.
Os ensaios a impulso atmosférico, nos isolamentos não-regenerativos, são realizados
com a seguinte sequência de aplicação dos impulsos: 1 impulso pleno, de amplitude
reduzida; 1 impulso pleno; 1 ou 2 impulsos cortados, de amplitude reduzida; 2 impulsos
cortados; 2 impulsos plenos.
A tabela abaixo apresenta um resumo dos ensaios dielétricos para os equipamentos
em função da classificação do seu tipo de isolamento principal.