sistema de geração e distribuição de energia

SISTEMA DE GERAÇÃO E DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA EM UMA
EMBARCAÇÃO DE SUPORTE AS PLATAFORMAS DE PERFURAÇÃO
Leonardo Cordiviola Navarro
DRE:108089546
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de
Engenharia Elétrica da Escola Politécnica, Universidade
Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos
necessários à obtenção do título de Engenheiro.
Orientador: Heloi José Fernandes Moreira, D.Sc.
Rio de Janeiro
Março de 2015
SISTEMA DE GERAÇÃO E DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA EM UMA
EMBARCAÇÃO DE SUPORTE AS PLATAFORMAS DE PERFURAÇÃO
Leonardo Cordiviola Navarro
PROJETO
SUBMETIDO
AO
CORPO
DOCENTE
DO
DEPARTAMENTO
DE
ENGENHARIA ELÉTRICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS
PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO ELETRICISTA.
Aprovado por:
________________________________________
Prof. Heloi José F. Moreira, D.Sc.
(Orientador)
________________________________________
Prof. Sebastião Ércules Melo de Oliveira, D.Sc.
________________________________________
Prof. Severino Fonseca da Silva Neto, D.Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
Março/2015
ii
MARÇO DE 2015
Navarro, Leonardo Cordiviola
Sistema de geração e distribuição de energia elétrica em
uma embarcação de suporte as plataformas de perfuração/
Leonardo Cordiviola Navarro. - Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola
Politécnica, 2015.
X, 73 p.: il.; 29,7 cm.
Orientador: Heloi José Fernandes Moreira, D.Sc.
Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso
de Engenharia Elétrica, 2015.
Referências Bibliográficas: p. 73.
1. Introdução. 2. Balanço Elétrico da Embarcação. 3. Sistemas de
Distribuição. 4. Análise de Curto Circuito. 5. Conclusão. 6.
Referências Bibliográficas. I. Moreira, Heloi José Fernandes II.
Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica,
Curso de Engenharia Elétrica. III. Sistema de geração e
distribuição de energia elétrica em uma embarcação de suporte as
plataformas de perfuração
iii
AGRADECIMENTOS
Agradeço aos meus pais, Carlos Aberto da Silva Navarro e Perola Sobral Cordiviola
Navarro, e as minhas irmãs, Joana Cordiviola Navarro e Juliana Cordiviola Navarro, por
todo o apoio, cumplicidade, educação e carinho que sempre cultivamos em nossa família.
Ao meu orientador, Heloi José F. Moreira, pela oportunidade de poder realizar esse
trabalho e a dedicação que ele tem em ensinar e motivar os alunos do departamento de
Engenharia Elétrica da UFRJ.
Aos grandes amigos que fiz durante a faculdade e que estarei motivando-os até o
ultimo a se formar.
A minha namorada, Fabiana Kunz Menicucci, pelo amor, carinho, apoio,
companheiros e motivação que me proporciona a cada dia.
iv
Resumo do Projeto Final apresentado ao Departamento de Engenharia Elétrica como parte
dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Eletricista
SISTEMA DE GERAÇÃO E DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA EM UMA
EMBARCAÇÃO DE SUPORTE AS PLATAFORMAS DE PERFURAÇÃO
Leonardo Cordiviola Navarro
Março/2015
Orientador: Heloi José F. Moreira
Curso: Engenharia Elétrica
Diante da enorme demanda de projetos de navios e plataformas após as descobertas de novos
campos submarinos de hidrocarbonetos, uma das embarcações de bastante importância são as
embarcações de suporte as plataformas. Os sistemas elétricos destas embarcações devem ser
dimensionados e operados de forma bastante eficiente, para que não traga danos para a
tripulação e ao meio ambiente e, além disso, não traga prejuízos econômicos na sua forma de
operação. Este trabalho trata-se de um pré-projeto do sistema elétrico de geração. Destaca-se
também alguns sistemas e as formas que os equipamentos elétricos a bordo devam ser
instalados e especificados para o conhecimento e um correto planejamento do sistema elétrico
geral para este embarcação. Finalmente, faz-se um estudo da análise de curto circuito para um
dimensionamento preliminar das proteções no quadro elétrico principal, tendo em vista que o
serviço contínuo deste equipamento é de fundamental importância para uma correta operação
da embarcação.
Palavras-chave: Navio de suporte as plataformas de perfuração, Análise de cargas, Sistema
elétrico de distribuição em embarcações, Análise de curto circuito.
v
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Electrical Engineer.
Power Generation and Distribution Electrical Systems on a Platform Support Vessel
Leonardo Cordiviola Navarro
March/2015
Advisors: Heloi José Fernandes Moreira, D.Sc.
Course: Electrical Engineering
Given the huge demand for craft projects after the discoveries of new offshore fields of oil
and gas, one of the most important vessels is the platform support vessels. The electrical
systems of these vessels must be designed and operated very efficiently, so it does not bring
harm to the crew and the environment and, moreover, do not bring economic losses during
operation. This work is an electrical system pre-project of power generation. We highlight
some systems and the ways that the electrical equipment on board must be installed and
specified for the knowledge and correct planning of the overall electrical system for this type
of vessel. Finally, it is a short circuit analysis study for a correct primary dimensioning of the
protections in the main switchboard, given that the continuous operation of this equipment,
which is extremely important for proper operation of the vessel.
Key-words: Offshore support vessels, Load analysis, Distribution electrical system, Short
circuit analysis.
vi
Sumário
Listas de Figuras ........................................................................................................................ ix
1
Capítulo 1 ........................................................................................................................... 1
Introdução ................................................................................................................................... 1
2
1.1
Objetivos ...................................................................................................................... 6
1.2
Estrutura do Trabalho .................................................................................................. 6
Capítulo 2 ........................................................................................................................... 8
Balanço Elétrico da Embarcação ................................................................................................ 8
2.1
Análise de Carga .......................................................................................................... 9
2.2
Dimensionamento do sistema .................................................................................... 11
2.2.1
Geração Principal ............................................................................................... 12
2.2.2
Geração de Emergência ...................................................................................... 14
2.2.3
Energia de terra ................................................................................................... 16
2.2.4
Geração de emergência das cargas críticas......................................................... 18
2.2.5
Transformadores ................................................................................................. 20
2.3
3
Operação do Sistema ................................................................................................. 21
Capítulo 3 ......................................................................................................................... 25
Sistema de Distribuição da Embarcação .................................................................................. 25
3.1
Os painéis principais .................................................................................................. 25
3.2
Aterramento ............................................................................................................... 30
3.3
Proteções .................................................................................................................... 31
3.3.1
Proteção dos geradores ....................................................................................... 31
3.3.2
Proteção dos motores .......................................................................................... 34
3.3.3
Proteção dos transformadores ............................................................................. 37
3.4
Sistema de corte em situação emergência .................................................................. 38
3.5
Acionamento dos motores ......................................................................................... 39
3.5.1
Partida Estrela-Triângulo: .................................................................................. 39
vii
3.5.2
3.6
4
Soft-starter: ......................................................................................................... 42
Características das máquinas ..................................................................................... 44
3.6.1
Características construtivas ................................................................................ 44
3.6.2
Características do Ambiente de Operação .......................................................... 48
Capítulo 4 ......................................................................................................................... 50
Análise de Curto Circuito ......................................................................................................... 50
4.1
5
6
Cálculo da corrente de curto-circuito trifásico nos barramentos do QEP .................. 54
4.1.1
Procedimentos para cálculo ................................................................................ 60
4.1.2
Considerações iniciais ........................................................................................ 62
4.2
Situação 1: Apenas um gerador em serviço ............................................................... 63
4.3
Situação 2: Dois geradores em serviço (transferência de carga) ............................... 65
4.4
Capacidade de suporte e interrupção instantânea das proteções ................................ 67
Capitulo 5 ......................................................................................................................... 70
5.1
Conclusão................................................................................................................... 70
5.2
Sugestões para projetos futuros ................................................................................. 71
Capítulo 6 ......................................................................................................................... 73
Referências Bibliográficas ........................................................................................................ 73
viii
Listas de Figuras
Figura 1 – Unidades Offshore .................................................................................................... 3
Figura 2 – Sistema de Fire-Fighting ........................................................................................... 4
Figura 3 – Platform Supply Vessel ............................................................................................. 5
Figura 4 – Turbo geradores principais da embarcação 1280 kW – Stemac grupo geradores .. 14
Figura 5 – Gerador principal instalado na praça de máquinas ................................................. 14
Figura 6 – Turbo Gerador de emergência 69 kW – Stemac grupo geradores .......................... 16
Figura 7 – Quadro elétrico de energia de terra ......................................................................... 18
Figura 8 – Grupo de Baterias .................................................................................................... 19
Figura 9 – Banco de baterias com suspiro para emissão de hidrogênio ................................... 19
Figura 10 – Exemplo de transformador à seco 175 kVA ......................................................... 20
Figura 11 – Diagrama unifilar geral ......................................................................................... 21
Figura 12 – Quadro elétrico principal....................................................................................... 27
Figura 13 – Centro de Controle dos Motores - CCM ............................................................... 28
Figura 14 – Aterramento IT ...................................................................................................... 30
Figura 15 – Ligação da partida Estrela-Triângulo .................................................................... 40
Figura 16 – Soft-Starter ............................................................................................................ 42
Figura 17 – Tipos de faltas ....................................................................................................... 51
Figura 18 – Circuito RL ........................................................................................................... 52
Figura 19 – Corrente de Curto-Circuito ................................................................................... 53
Figura 20 – Diagrama unifilar dos barramentos QEP e QED .................................................. 55
Figura 21 – Diagrama de sequência positiva, primeira situação. ............................................. 64
Figura 22 - Diagrama de sequência positiva, segunda situação. .............................................. 66
Figura 23 – Propulsão diesel – Elétrica .................................................................................... 72
ix
Lista de Tabelas
Tabela 1 - Análise de cargas principais .................................................................................... 13
Tabela 2 - Análise de cargas essenciais .................................................................................... 15
Tabela 3 – Dimensões físicas dos geradores ............................................................................ 16
Tabela 4 - Análise de cargas essenciais críticas ....................................................................... 17
Tabela 5 – Orçamento de métodos de partida para um motor de indução de 10 HP ............... 43
Tabela 6 - Classes de Isolamento ............................................................................................. 45
Tabela 7 – Significado dos algarismos do grau de proteção das máquinas .............................. 46
Tabela 8 – Grau de proteção ..................................................................................................... 47
Tabela 9 – Especificação de cargas .......................................................................................... 59
Tabela 10 – Valores da corrente de curto-circuito em p.u de cada ramo do circuito (situação 1)
.................................................................................................................................................. 65
Tabela 11 - Valores da corrente de curto-circuito em p.u de cada ramo do circuito (situação 2)
.................................................................................................................................................. 66
Tabela 12 – Reatância para cálculo de curto circuito subtransitório e para cálculo da corrente
de interrupção dos disjuntores .................................................................................................. 68
Tabela 13 – Fator de multiplicação dos disjuntores - M .......................................................... 68
Tabela 14 – Resultados obtidos através do cálculo de curto circuito ....................................... 69
x
1 Capítulo 1
Introdução
As primeiras buscas por petróleo em território brasileiro ocorreram no final do século
XIX, onde foram encontrados sinais deste tipo de óleo na bacia de Bofete, no interior do
estado de São Paulo em 1892. Porém, após a perfuração do poço só foi encontrado água
sulfurosa. Apenas em 1939 em Salvador, no bairro de Lobato foi descoberta a primeira jazida
de petróleo explorável comercialmente.
Até pouco tempo atrás, o Brasil não tinha produção suficiente de petróleo sendo
necessária a importação de barris de petróleo do Oriente Médio, mas em 2007 o Brasil se
tornou auto-suficiente do mesmo.
O petróleo é encontrado abaixo do fundo do mar e em terras bastante firmes e são
necessários três passos para sua exploração. A primeira etapa é a prospecção a qual por um
estudo, é realizado a análise do solo e do subsolo a fim de serem encontradas as bacias
sedimentares. Já a segunda etapa é chamada de perfuração, após serem localizadas as bacias
sedimentares realizando-se a perfuração a fim de ser feito uma análise da viabilidade da
extração desse petróleo. Finalmente, a terceira etapa é a extração, após a perfuração dos poços
da etapa anterior e sendo viável a extração do óleo, a mesma é iniciada.
Quando realizada no mar, a extração é mais complexa, sendo necessário o uso de
equipamentos específicos para perfuração e extração através das chamadas plataformas de
perfuração e produção de petróleo. Os principais tipos de plataformas são as fixas, auto
elevatórias e semi-submersíveis e também são utilizados diversos tipo de navios-sonda.
Depois que o petróleo é extraído e processado, ele é transportado através de oleodutos
até os portos de embarque ou os grandes petroleiros dão sequência ao transporte até os
1
terminais marítimos a que se destinam. Chegando à costa, o óleo é bombeado até as refinarias,
também através de oleodutos.
Os grandes petroleiros são tipos particulares de navios tanques, como dito acima,
utilizados para transporte de petróleo bruto e derivados (chamados de hidrocarbonetos). Os
petroleiros são em geral os maiores navios que existem, e pelo seu enorme tamanho muitas
vezes são incapazes de atracar em portos convencionais, tendo que usar terminais específicos
construídos em alto mar ou efetuar a descarga/transferência dos hidrocarbonetos para navios
menores.
Alguns serviços de apoio marítimo devem ser mantidos durante a fase de perfuração,
produção e transporte dos hidrocarbonetos. Entre diversos tipos de embarcações de apoio
marítimo, uma das que mais se destacam nesse seguimento são as do tipo OSV (Offshore
Support Vessel), responsáveis pelo transporte de suprimento, auxílio das unidades marítimas
e geralmente realizar o retorno com carga para a costa.
Os OSV’s são navios geralmente de porte médio, possuindo um comprimento em
média de 60 a 80 metros. Atualmente, essas embarcações estão se tornando maiores e mais
complexas do que as antigas, e ainda casualmente incorporam em seus projetos atividades
específicas como recuperação do derramamento de óleo nos oceanos, combate a incêndio,
entre outros. A principal característica desse tipo de navio é a grande variedade de carga que
ele pode abrigar que o torna bastante multifuncional.
2
Figura 1 – Unidades Offshore
Alguns tipos de cargas e suas funcionalidades serão descritas a seguir:

Óleo diesel deve ser armazenado como carga e ser servido como combustível
para motores e alguns equipamentos instalados nas plataformas;

Água potável também é armazenada como carga e deverá ser consumida pela
tripulação presente na embarcação;

Água de perfuração como o próprio nome já induz, é utilizada para auxilio da
perfuração dos poços;

Lama liquida é necessária para resfriar os aparelhos de perfuração das
plataformas, estabilizarem a pressão de poços a fim de evitar desabamentos e
diminuir a corrosão das tubulações de perfuração;

Cimento é normalmente armazenado em sacos no convés principal e sua função
é na construção das estruturas dos poços de produção;

Dispersantes são os aditivos que ajudam um material numa mistura ficar
totalmente diluído ou misturado;
3

Óleo recuperado é o óleo do resultado de um serviço que destina-se á
recuperação de óleo derramado por algum motivo no mar;

Bombas de combate a incêndio não se trata de uma carga, mas um sistema de
combate a incêndio de plataformas e outras embarcações. Basicamente é
composta por uma bomba de alta capacidade de aspiração de água do mar com
jatos de longo alcance, e geralmente sua alimentação é realizada por óleo diesel;

Cargas gerais, grande espaço localizado à ré da embarcação para carregamento
de cargas não especificas: containeres, equipamentos, tubulações, alimentos,
peças de repor, dentre outros.
Figura 2 – Sistema de Fire-Fighting
Os support vessels, na sua grande maioria das vezes possui sua estrutura principal
(superestrutura) a vante, ou seja, deixa o convés principal mais acessível possível pelos
guindastes a ré e os equipamentos que localizam acima do convés principal como chaminés,
embarcações de sobrevivência e salvatagem, acomodações, espaços de serviços, dentre
outros, localizados na proa da embarcação.
Todas as embarcações de apoio marítimo necessitam de uma excelente capacidade de
manobra, devido as mais diversas condições de operações que eles são submetidos em
4
operação de carga e descarga em alto mar. Além disso, necessitam de um sistema de
posicionamento dinâmico eficiente com todos os controles de manobrabilidade realizado do
passadiço, onde é o convés mais alto da embarcação, sendo assim possuindo a visão mais
privilegiada.
O sistema de posicionamento dinâmico (Dynamic Positioning) recebendo sinais dos
sistemas de referência é capaz de controlar os propulsores de passo controlável, os
impulsionadores laterais (Thrusters) e o leme. O projeto do sistema DP deve levar em conta as
condições ambientais do local de operação da embarcação baseado em probabilidades
estatísticas.
Essas embarcações usualmente utilizam-se tomada de carga e descarga de granéis
líquidos e sólidos se aproximando lateralmente da unidade marítima que ele está operando.
Essa transferência ocorre normalmente através de estruturas auxiliares, como é o caso dos
mangotes, bombas guindastes e equipamentos em geral localizados no convés principal em
bombordo e boreste.
Figura 3 – Platform Supply Vessel
5
1.1 Objetivos
O objetivo deste trabalho é realizar um pré-projeto do sistema elétrico de geração e
comentar a respeito do sistema de distribuição de uma embarcação de apoio aos grandes
navios petroleiros e as plataformas, um Offshore support vessel, aplicando parte do
conhecimento adquirido durante o curso de Engenharia Elétrica.
O foco principal do trabalho é o detalhamento do sistema elétrico deste tipo de
embarcação, além de dimensionar o sistema elétrico principal de geração, fornecer um estudo
de análise de curto-circuito nos barramentos do painel de fornecimento de energia principal
analisando a dinâmica da corrente de curto circuito, mostrar a forma em que os painéis devem
ser construídos e instrumentados visando uma boa conduta de navegação em alto mar e
tentando minimizar ao máximo os danos referentes ao meio ambiente, aos equipamentos
elétricos da embarcação e a tripulação seguindo normas brasileiras e internacionais de projeto
para esse tipo de embarcação.
1.2 Estrutura do Trabalho
A distribuição dos capítulos será feita de forma a englobar todas as etapas básicas da
realização de um projeto do sistema elétrico da embarcação.
No capítulo 2, é apresentada a funcionalidade de cada carga do sistema,
compreendendo os procedimentos para configurar os principais equipamentos da planta da
embarcação. Entretanto, como passo inicial, será realizado uma análise de cargas visando o
dimensionamento de geradores, fonte de energia de emergência, tomada de energia do porto e
o banco de baterias. Ao final do capitulo apresentaremos o diagrama unifilar esquemático do
sistema.
6
O capitulo 3 trata da distribuição do sistema de energia a partir do quadro principal de
440VAC, centro de comando dos motores e o quadro de emergência. Nesta seção será
mostrada a forma em que os painéis deverão ser construídos e suas instrumentações, a forma
de aterramento a ser realizada, as proteções mínimas que devem ser utilizadas nos principais
tipos de carga e os métodos de partidas das cargas pesadas que exijam um atento especial
devido suas características transitórias, bem como suas características construtivas.
Em seguida, o capítulo 4, apresenta o estudo do cálculo da corrente de curto circuito
no painel principal de fornecimento de energia que possui o objetivo de aperfeiçoar o sistema
elétrico da embarcação. Como se trata de um pré-projeto do sistema elétrico da embarcação é
necessário ter em mãos os supostos valores de corrente de curto-circuito para que os
equipamentos que serão instados neste painel sejam dimensionados e especificados de forma
a funcionarem sobre as mais severas condições de falta.
As conclusões pertinentes ao trabalho encontram-se no capitulo 6. Por fim, é feita uma
análise geral dos resultados obtidos e são finalizados as principais atribuições e componentes
do sistema elétrico projetado. E posteriormente são propostos algumas idéias de projetos
futuros para colegas do curso de Engenharia Elétrica, na tentativa de aprimorar os sistemas
estudados.
7
2 Capítulo 2
Balanço Elétrico da Embarcação
Um dos estudos de grande importância e ponto de partida para realização do projeto
básico dos navios e embarcações é a realização do balanço elétrico. A finalidade principal
desse estudo é conhecer os equipamentos que possuem alimentação elétrica e são necessários
para o bom funcionamento da embarcação e enfim dimensionar a geração de energia, assim
como os principais equipamentos tais como painéis, transformadores, proteções e confirmar a
demanda de carga estimada para dimensionamento dos geradores.
Inicialmente o setor elétrico recebe uma lista de equipamentos de todos os setores
envolvidos na construção, seja ele de segurança, HVAC, mecânica, processo e iluminação,
para que esses equipamentos possam ser agrupados na melhor forma possível e assim elaborar
uma planilha de algumas situações de navegação e então analisar de forma criteriosa a
potência total a ser consumida.
Na análise da demanda de energia elétrica serão adotados todos os procedimentos
contidos nas normas, [1] [2]
Tomando posse de todas as cargas elétricas a serem utilizadas inicialmente na
embarcação, podemos dividi-las em três grupos de acordo com a sua função:

Cargas normais

Cargas essenciais

Cargas essenciais críticas
Como o próprio nome já diz, as cargas normais são as cargas que devem ser
alimentadas pela geração principal e em caso de um desligamento da geração principal elas
deverão ser desernegizadas. As cargas essenciais são normalmente alimentadas pela geração
principal, mas também passam a ser alimentadas pelo sistema de emergência quando ocorre
8
falha na geração principal e devem manter a propulsão e o direcionamento da embarcação em
um nível mínimo de segurança. Já as cargas essenciais críticas são alimentadas por baterias
após a falha sucessiva dos sistemas de geração principal e de emergência.
Então, surge a necessidade de discriminar as cargas para fazer uma análise correta do
consumo de energia em cada situação acima mencionada, de forma que não ocorra super ou
sub dimensionamento da geração elétrica.
2.1 Análise de Carga
Para começar a realização da análise de carga e posteriormente dimensionamento dos
sistemas elétricos, devemos separar as cargas como já mencionado anteriormente em cargas
normais, cargas essenciais e cargas essenciais críticas.
Primeiramente, o sistema elétrico dessa embarcação em situação normal de navegação
será divido em dez grupos de cargas elétricas dividas de acordo com o seu tipo de
funcionalidade e seu grau de importância dentro da embarcação.
Esses 10 grupos serão nomeados e listados de:

Sala de máquinas de uso contínuo (bombas de refrigeração do motor de propulsão,
bomba de óleo lubrificante, bomba de óleo combustível, purificadores de óleo
lubrificante, ventiladores da praça de máquina e etc.)

Sala de máquinas de uso intermitente (compressores de uso geral, bomba de borra,
bombas de transferência de óleo combustível e lubrificante, aquecedores e etc.)

Sala de máquinas diversas (bomba de lastro, bomba de esgoto, bombas hidróforas
de água doce, bomba de esgoto sanitário, bomba de combate a incêndio e etc.)

Máquinas de convés (guinchos de atracação e carga, molinetes, guindastes,
acionadores de escotilhas e etc.)
9

Ar condicionado e ventilação (compressor de ar condicionado, bomba de
refrigeração de ar condicionado, ventiladores e exaustores e etc.)

Cozinha/Despensa (fogão, forno, cafeteira, geladeira, máquina de lavar pratos,
fritadeira e etc.)

Lavanderia (máquina de lavar, secador, hidroextrator e etc.)

Oficina (torno, plaina, furadeira, esmeril, máquina de solda e etc.)

Iluminação

Equipamentos de navegação e comunicação (radar, rádio, VHF, ecobatímetro, giro
e piloto automático, odômetro de fundo, telefones, luzes de navegação,
intercomunicador e etc.)
O balanço elétrico será feito por grupo separadamente subdividindo em cinco
situações normais em que a embarcação poderá estar operando, são elas no mar navegando
apenas com os sistemas essenciais em funcionamento, navegando com condições normais da
geração principal, manobrando, efetuando operações em offshore, no porto fundeado. E em
cada tipo de situação será listado todos os equipamentos que deverão estar funcionando com
seus devidos fatores de carga (relação entre potência absorvida e potência nominal) e
simultaneidade (indica a percentagem dos consumidores que são acionados em um mesmo
instante) do grupo para que ao final do processo possamos escolher o pior caso para realizar o
dimensionamento das fontes de energia elétrica.
Os fatores de simultaneidade são analisados de acordo com a condição de operação da
embarcação como: Em navegação, em manobra, realizando operações em offshore e nas
operações fundeadas ao porto e os fatores de carga são definidos como a razão da demanda
média pela demanda máxima ocorrida em um mesmo intervalo de tempo especificado.
Diferente do realizado nas condições normais de operação, o dimensionamento dos
equipamentos de emergência serão feitos em apenas um único grupo, já que com a
embarcação em emergência ela não tem nenhuma opção de navegação a não ser realizar as
10
manobras determinadas previamente quando a geração elétrica principal da embarcação está
fora de seu funcionamento.
Então, no final do processo apresenta-se o balanço total da energia elétrica demandada
pela embarcação, explicitando cada um dos casos e em seu pior caso acrescentando as perdas
nos painéis e cabos elétricos por efeito Joule e também um acréscimo de 25% de folga para
caso seja necessário futuramente a instalação de novos equipamentos elétricos adicionais ou
substituição de equipamentos existentes por equipamentos mais robustos que demandem mais
energia.
2.2 Dimensionamento do sistema
Nesta seção, vamos analisar os dez grupos mencionados anteriormente em uma tabela,
a qual irá fornecer a potência total consumida na pior situação de cada grupo. Após a análise
de cada grupo separadamente para de fato levantar a potência necessária para os geradores
será mostrado à tabela final total e é baseado nela que vamos conseguir visualizar a pior
situação de navegação da embarcação, a qual se necessita a maior quantidade de energia
fornecida pelos geradores, e assim poder dimensionar de forma coerente os equipamentos de
geração.
Esses valores foram tirados de uma analise previa separada de cada grupo onde
constavam os equipamentos relacionados, a quantidade de equipamentos instalados na
embarcação, a potência nominal de cada equipamento (é importante ressaltar que todos os
valores de potência imputados nas tabelas a seguir estão em kW), fator de carga (varia de
acordo com o equipamento), a potência absorvida pelo equipamento (𝑃𝑎 = 𝑃𝑛 × 𝐹𝑐 , sendo que
𝑃𝑛 é a Potência nominal e 𝐹𝑐 é o Fator de Carga), o número de unidades em serviços e o fator
de simultaneidade (varia conforme mostra a “Tabela - Fatores de simultaneidade” do capítulo
11
5, página 7, NBR-7567 Execução de balanço elétrico) das cargas para cada situação de
navegação.
Para o caso das cargas essenciais críticas, como são equipamentos que não possuem
intermitência, ou seja, eles ficam sempre ligados a rede de energia e não possui situações
especificas para estarem energizados ou não, só possuem uma situação e consequentemente é
necessário de estudar a mais severa. Logo, o dimensionamento é feito direto de acordo com a
corrente demandada e o número de horas que é necessário para manter este tipo de
equipamento em funcionamento.
2.2.1 Geração Principal
A capacidade do sistema de geração principal desta embarcação será constituída por
dois turbo geradores, mas apenas um fica em funcionamento, ou outro fica de reserva para
caso ocorra uma paralisação inesperada do gerador principal.
Através de manobras realizadas por relés, é possível o ligamento do gerador
secundário a fim de que se consiga suprir todas as atividades normais de operação da
embarcação.
Após a análise de cargas da demanda total da embarcação, encontramos que a pior
situação de todas é quando a mesma se encontra realizando operações em offshore, ou seja,
esta situação é a que ocorre maior consumo de energia do gerador, 985 kW de potência ativa,
como pode ser observado na tabela 1.
12
Tabela 1 - Análise de cargas principais
MAR
CLASSIFICAÇÃO DOS GRUPOS
ESSENCIAL NORMAL
(kW)
(kW)
EM
MANOBRA
(kW)
OPERAÇÃO
EM
OFFSHORE
(kW)
NO PORTO
FUNDEADO
(kW)
1-Sala de máquinas uso contínuo
2-Sala de máquinas uso intermitente
3- Sala de máquinas (diversos)
4- Ar condicionado e ventilação
5- Máquinas de convés
6- Cozinha/Despensa
7- Lavanderia
8- Oficina
9- Iluminação
56,4
3,9
1,5
0,0
1,8
0,0
0,0
0,0
11,0
55,5
1,5
10,0
37,1
12,1
12,9
2,3
4,1
11,0
69,0
1,5
7,6
37,1
12,1
12,9
2,3
4,1
11,0
78,7
8,6
49,0
37,1
788,4
0,4
2,3
0,0
14,9
22,5
0,7
7,4
32,3
0,0
12,9
4,5
6,4
9,8
10-Equipamentos de navegação e
comunicação
4,8
5,1
5,1
5,6
1,9
Total
79,4
151,6
162,7
985
98,4
Sendo assim, é adotado um acréscimo de 25% em acima da demanda atual do projeto
básico para eventuais incrementos de cargas futuras ou substituição de equipamentos antigos
para equipamentos mais modernos. Logo, seriam necessários dois geradores de no mínimo
1231,25kW (985 𝑘𝑊 × 1,25).
Então, para suprir tais considerações usaremos dois turbo geradores de 1280 kW
elétricos, com gerador síncrono de 4 pólos, ligação estrela com o neutro acessível, classe de
isolamento H, 480V, 1800 rpm e 60hz, com um objetivo de que, mesmo a embarcação
estando em sua pior situação de navegação, ela opere com uma folga de 29,9%, para evitar
sobre-carga ou até mesmo que os geradores trabalhem em seus limites de regime de operação.
13
Figura 4 – Turbo geradores principais da embarcação 1280 kW – Stemac grupo geradores
Figura 5 – Gerador principal instalado na praça de máquinas
2.2.2 Geração de Emergência
O sistema de geração de emergência é constituído por apenas um único gerador, sendo
que todo o seu sistema é independente do sistema de geração principal da embarcação. Notase, na tabela 2 – análise de cargas essenciais, que a potência máxima requerida da embarcação
em situação de emergência é de apenas 54,90 kW.
14
Tabela 2 - Análise de cargas essenciais
CONSUMIDORES
N° UNID.
INSTALADAS
Iluminação de emergência
Ventilador do EDG
Bomba
de
incêndio
de
emergência
Ventilador do compartimento dos
motores
Bomba da máquina do leme
Compressor de ar
Bomba hidrófora de água
Carregador de baterias
Bússola
Anemômetro
GPS
Sistema de detecção de incêndio
Radar
Sistema de telefone automático
Sistema de difusão de mensagem
Estação de radio
Radio - telefone VHF
Piloto automático
Velocímetro digital
Ecobatimetro
Sistema
de
posicionamento
dinâmico
Luzes de navegação
Sistema de apito
POTÊNCIA FATOR DE POTÊNCIA FATOR DE POTÊNCIA
NOMINAL
CARGA ABSORVIDA SERVIÇO REQUERIDA
(kW)
(kW)
(kW)
(kW)
(kW)
1,00
1,00
7,00
1,10
0,70
0,75
4,90
0,83
1,00
1,00
4,90
0,83
1,00
8,50
0,90
7,65
1,00
7,65
1,00
30,00
0,75
22,50
1,00
22,50
2,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
2,50
8,60
5,50
5,00
0,30
0,20
0,20
1,00
0,35
0,80
0,50
1,00
0,20
0,30
0,25
0,25
0,90
0,75
0,90
0,75
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
2,25
6,45
4,95
3,75
0,30
0,20
0,20
1,00
0,35
0,80
0,50
1,00
0,20
0,30
0,25
0,25
1,00
0,70
0,70
0,50
0,80
0,80
0,80
0,80
0,80
0,80
0,80
0,80
0,80
0,80
0,80
0,80
2,25
4,52
3,47
1,88
0,24
0,16
0,16
0,80
0,28
0,64
0,40
0,80
0,16
0,24
0,20
0,20
1,00
2,00
1,00
2,00
0,80
1,60
1,00
1,00
1,00
0,30
1,00
1,00
1,00
0,30
0,80
0,80
0,80
0,24
Novamente adotando um acréscimo de 25% em acima da demanda atual do projeto
básico para eventuais incrementos de cargas futuros ou substituição de equipamentos antigos
para equipamentos mais modernos. Seria necessário um gerador de no mínimo 68,63 kW
(54,9 𝑘𝑊 × 1,25).
Então, para suprir tais considerações usaremos um único turbo gerador de 69,0 kW
elétricos, com gerador síncrono de 4 pólos, ligação estrela com o neutro acessível, classe de
isolamento H, 220V, 1800 rpm e 60hz, com um mesmo objetivo que o anterior, de mesmo a
embarcação estando em situação de emergência, ela evite trabalhar em sobre-carga ou que o
15
gerador funcione em seu limite de regime de operação, com uma folga de 25,68% de sua
energia total.
Figura 6 – Turbo Gerador de emergência 69 kW – Stemac grupo geradores
Uma etapa necessária na hora da escolha e compra dos geradores é fazer uma análise
das dimensões do equipamento, tendo em vista que o espaço dentro das embarcações de
suporte as plataformas é bastante limitado. Com isso, quanto mais espaço for economizado na
instalação dos geradores indica uma maior área de aproveitamento para outros tipos de
equipamentos como transformadores, trocadores de calor, painéis elétricos, e etc.
Tabela 3 – Dimensões físicas dos geradores
Dimensões físicas dos geradores
Comprimento Largura
Equipamento
(cm)
(cm)
Gerador Principal
469
190
Gerador de Emergência
190
101,3
Altura
(cm)
255
1395
Peso
(kg)
8085
1073
2.2.3 Energia de terra
A fim de suprir a energia necessária para a embarcação quando a mesma está atracada
no porto, utiliza-se uma tomada trifásica de energia de terra que é localizada na área externa
da embarcação de fácil acesso aos funcionários do porto. Esta tomada é ligada diretamente no
quadro elétrico de emergência da embarcação, sendo assim, podendo alimentar todas as
16
cargas elétricas conectadas a este painel que são apenas as cargas essências, mantendo os
geradores principais e de emergência desligados.
Tabela 4 - Análise de cargas essenciais críticas
CONSUMIDORES
Sistema de alarme geral e fogo
Piloto automático
Bússola magnética
Limpador de para brisas
Apito
Alarme de homem morto
Alarme de radar
Indicador do ângulo do leme
Monitoramento do motor principal
Monitoramento dos thrusters
Luzes de navegação e sinalização
Sistema de posicionamento dinâmico
Telefone automático
GPS
Alarme de CO2
Sistema de difusão de mensagem
Painel da máquina do leme
Unidade de alarme geral
N° UNID.
INSTALADAS
POTÊNCIA
NOMINAL
(W)
CORRENTE
(A)
1,00
1,00
1,00
3,00
1,00
1,00
1,00
2,00
1,00
2,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
2,00
1,00
170,00
300,00
60,00
65,00
300,00
200,00
100,00
100,00
1000,00
150,00
600,00
110,00
100,00
100,00
100,00
170,00
100,00
100,00
7,08
12,50
2,50
2,71
12,50
8,33
4,17
4,17
41,67
6,25
25,00
4,58
4,17
4,17
4,17
7,08
4,17
4,17
FATOR
CORRENTE
DE
(A)
SERVIÇO
0,08
0,17
0,17
0,17
0,17
0,08
0,08
0,17
0,17
0,17
1,00
0,08
0,17
0,17
0,17
0,17
0,17
0,08
0,57
2,13
0,43
0,46
2,13
0,67
0,33
0,71
7,08
1,06
25,00
0,37
0,71
0,71
0,71
1,20
0,71
0,33
45,29
TOTAL
17
Figura 7 – Quadro elétrico de energia de terra
2.2.4 Geração de emergência das cargas críticas
As cargas essenciais críticas estarão sendo alimentadas por um painel de 24 V de
corrente contínua. Usualmente este tipo de carga é projetada para permanecer funcionando
pelo menos durante um período de 8 horas após um blackout dos geradores principais e
geradores de emergência da embarcação
Como visto anteriormente na tabela 3, esse painel possui uma demanda de
aproximadamente 45 A com todas as cargas ligadas ao mesmo tempo. Então, os mesmos 45
A, funcionando durante um período de 8 horas e mais os 25% de folga que estamos adotando
para um eventual incremento de carga futuro necessitariam de um banco de baterias com
capacidade de 𝐶 = (45 × 8) × 1,25 = 450 𝐴. ℎ.
Então usaremos um banco de baterias da seguinte forma:
Serão usadas 6 baterias de capacidade de 150 A.h e 12 Volts. As quais, serão feitos 3
grupos de 2 baterias ligadas em série formando assim 3 grupos de capacidade de 150 A.h de
18
24 Volts. Já que a ligação de baterias em série resulta numa capacidade constante, porém com
um aumento da tensão terminal a qual elas serão conectadas.
E finalmente, esses 3 grupos de baterias ligadas em paralelo. Já que a ligação de baterias
em paralelo resulta no aumento da capacidade do sistema e a tensão terminal permanece a
mesma. Sendo assim, será gerado um banco de baterias de capacidade de 450 A.h e tensão
terminal de 24 V, com tensão e capacidade suficientes para a demanda de energia calculada
anteriormente.
Figura 8 – Grupo de Baterias
Figura 9 – Banco de baterias com suspiro para emissão de hidrogênio
19
2.2.5 Transformadores
Os transformadores utilizados para a distribuição da energia elétrica na instalação
desta embarcação serão dois transformadores a seco, já que estes minimizam a possibilidade
de prejuízo decorrente de um possível dano causado no invólucro do equipamento e
consequentemente tendo que parar a embarcação para reparos ocasionando perda de
faturamento.
Após uma previa separação de cargas por nível de potência e utilidade, o
transformador deverá fornecer no mínimo 112,2 kW para suprir as cargas estabelecidas em
seu pré-projeto. Entretanto, como se trata de apenas um pré-projeto com possíveis
incrementos de cargas futuros e adotando os mesmos parâmetros utilizados para
dimensionamento de geradores e banco de baterias, será utilizada uma folga de 25%.
Sendo assim, o sistema será composto de dois transformadores de 175 kVA, com
relação de transformação de 480/220 V. Um transformador será utilizado continuamente,
enquanto o outro permanecerá em stand-by.
Figura 10 – Exemplo de transformador à seco 175 kVA
20
2.3 Operação do Sistema
Figura 11 – Diagrama unifilar geral
O sistema da embarcação irá operar apenas com um gerador principal (Gerador 1) em
condições normais de operação, enquanto o outro gerador (Gerador 2) permanece em “standby” ou reserva. Existe um intertravamento entre os dois geradores para que não seja permitida
a operação de nenhuma dessas fontes em paralelo, com exceção de quando estiver ocorrendo
transferência de carga do gerador 1 para o gerador 2 ou vice e versa.
O quadro elétrico principal (QEP) será dividido em dois barramentos (Barramento A e
Barramento B) que são interligados através de um disjuntor denominado “bus-tie”, o qual
normalmente fica fechado. O gerador 1 é conectado na barramento A enquanto o gerador 2 é
conectado a barramento B e o mesmo é aplicado aos transformadores ligados a este painel,
21
um ligado em um circuito saindo do barramento A e o outro ligado em um circuito ligado do
barramento B. Sendo assim, mesmo que ocorra a necessidade de manutenção tanto nos
barramentos, como nos transformadores ou até mesmo nos circuitos dos geradores o painel
não precisa ser desenergizado.
O QEP alimenta cargas de potência elevada, com destaque maior para as bombas mais
pesadas de carga e descarga da embarcação. É deste painel que parte todo o suprimento de
energia para o quadro elétrico de distribuição (QED), que partilha a energia para as cargas e
painéis secundários a 220 VAC. Além de distribuir a energia entre os painéis secundários, o
barramento do QED é interligado ao barramento do quadro elétrico de emergência (QEE), o
qual está conectado todas as cargas essenciais incluindo as cargas essenciais críticas.
O QEE é um painel também fundamental, pois além de receber alimentação do QED,
ele também possui duas fontes de energia próprias. O gerador de emergência (GE) e a tomada
de energia de terra (QET) estão conectados neste painel sendo essas duas fontes imperiosas,
uma para quando ocorre à falha na geração principal da embarcação e ele se encontra em alto
mar e a outra para fornecer energia para o PVS quando está no porto fundeado.
O QEE é responsável por alimentar o banco de baterias (BAT.) através de dois
retificadores/carregadores,
porém
os
dois
não
funcionam
juntos.
Enquanto
o
retificador/carregador 1 está funcionando normalmente, o retificador/carregador 2 fica de
reserva ou “stand-by” e ambos ficam sendo monitorados através de uma central localizada no
passadiço da embarcação que emite sinais sonoros e visuais de alerta para caso de falha em
um dos retificadores possa ocorrer uma transferência de carga remota para o outro retificador
e assim as baterias nunca sejam deixadas de serem carregadas e fornecerem energia para o
quadro elétrico de 24V em corrente continua (Q24), o qual é responsável em manter as cargas
essenciais críticas funcionando.
22
Então, a operação da embarcação será da seguinte forma:
Em situação de navegação normal, o gerador 1 estará alimentando o painel QEP com o
disjuntor “bus-tie” fechado e os dois barramentos A e B energizados. Caso seja necessário, o
gerador 2 poderá assumir a geração da embarcação através de uma transferência de carga em
paralelo das duas gerações ou realizando sua partida sozinho após um “shutting-down” do
gerador 1.
Os transformadores T1 e T2 são intertravados, sendo proibido os dois trabalharem em
paralelo. Em operação normal apenas o transformador 1 funciona alimentando todas as cargas
do quadro elétrico de distribuição enquanto o disjuntor do transformador 2 fica aberto. O
transformador 2 só entrará em funcionamento na necessidade de reparo de algum
equipamento elétrico do ramo do transformador 1.
O quadro elétrico de distribuição, como o próprio nome já diz, é responsável apenas
para distribuir energia para outras cargas ou painéis localizados nos diversos ambientes da
embarcação. O QED é interligado com o QEE que por sua vez alimenta as cargas essenciais e
os retificadores/carregadores que são responsáveis por carregar o banco de baterias e
alimentar as cargas essências críticas da embarcação que foram conectadas ao quadro elétrico
de 24V de corrente contínua.
É importante notar que na ocorrência de pane nas duas gerações principais da
embarcação, a mesma entra em condições de navegação de emergência e então o gerador de
emergência que se encontra conectado ao QEE deverá ser ligado entre 30 a 45 segundos após
a falha. Caso não ocorra a partida do gerador de emergência, as baterias começam a ser
descarregadas e poderão suprir as cargas conectadas ao Q24 por um período de 8 horas.
23
E como foi dito anteriormente, quando a embarcação esta fundeada no porto, desligase o gerador, que, hipoteticamente, estaria funcionando e conectam-se os cabeamentos da
energia do porto o qual se limita a alimentar apenas as cargas conectadas ao quadro elétrico
de emergência.
24
3 Capítulo 3
Sistema de Distribuição da Embarcação
Tanto a distribuição, como a geração de energia elétrica em navios são de extrema
importância, pois são através delas que praticamente todos os equipamentos a bordo são
alimentados.
Tais
como
os
transformadores,
sensores,
sistemas
de
iluminação,
aquecimento/refrigeração, bombas, compressores, computadores e tantos outros. Sendo assim,
o acesso da energia elétrica é indispensável no dia a dia de qualquer tipo de embarcação, não
só pelo conforto que ela pode oferecer, mas principalmente pela capacidade de manter um
navio operando em alto mar com segurança.
Para isso torna necessário que os sistemas, tanto de geração, como distribuição e todas
suas
proteções
relacionadas
sejam
altamente
confiáveis,
utilizando-se
tecnologia,
conhecimento técnico, material de boa qualidade, sistemas auxiliares, sistemas de emergência
para que o sistema elétrico em geral da embarcação não seja o motivo para o encetamento de
um acidente.
3.1 Os painéis principais
Os painéis e os quadros elétricos possuem como finalidade receber a energia elétrica
proveniente dos geradores ou de outras fontes, como transformadores, baterias e etc..., para
que sejam responsáveis em distribuir a energia elétrica para as diversas cargas presentes na
embarcação.
Dentro dos painéis e quadros elétricos normais, existem gabinetes de metal que
resguardam instrumentos elétricos, equipamentos de proteção e dispositivos que regulam os
diversos tipos de controles e manobras necessários. A energia que chega nesses painéis é
conectada diretamente dos geradores, transformadores, baterias através de conexões nos
barramentos existentes neles.
25
Particularmente neste sistema, temos o QEP recebendo a energia proveniente de dois
grupos de turbo geradores, que por sua vez realizam todos os tipos de proteções, medições e
controle da energia oriunda dos geradores e são responsáveis também por distribuir energia
para os dois transformadores que estão conectados em seus barramentos, realizando a
distribuição para os painéis auxiliares ou secundares de distribuição. Próximo a este mesmo
painel, são interligados em seus barramentos os chamados CCM’s (Central de comando dos
motores).
Os CCM’s são painéis completos que acomodam equipamentos para proteção,
seccionamento e manobra de cargas. Possuem uma função específica nos sistemas de
distribuição, são painéis onde estão conectados a maioria dos motores pesados da embarcação
mas não deixa de poder ser centro de distribuição de outro tipo de cargas elétricas como
resistores, estufas e etc.
Normalmente é interessante a instalação deste tipo de equipamento para sistemas que
apresentam basicamente esses três tipos de necessidade:

Cargas que devem ser comandadas local ou remotamente;

Cargas com máxima necessidade de operação;

Alto nível de segurança para os operadores e pessoas de manutenção.
Neste caso, será instalado CCM Extraível, o qual dentro de cada compartimento é
montada uma gaveta que pode ser removida do painel sem o auxilio de ferramenta. Os
equipamentos para proteção e manobra das partidas são montados dentro das gavetas,
minimizando os tempos de parada, pois pode substituir as gavetas rapidamente.
26
Figura 12 – Quadro elétrico principal
No quadro elétrico principal da maioria dos tipos das embarcações é bastante comum a
utilização de barramentos trifásicos singelos, pois eles possuem um baixo custo de operação e
uma boa visibilidade da instalação, diminuindo os riscos na operação. Entretanto, estes
também têm desvantagens como baixa flexibilidade operativa, como dito no Capítulo 2. Para
suprir essa inconveniência, utilizam-se barramentos singelos com acoplamento longitudinal.
27
Figura 13 – Centro de Controle dos Motores - CCM
Seus instrumentos são:
Voltímetro
Indica a tensão elétrica do circuito em Volts(V). Recebe alimentação por meio de
transformadores de potencial, um para cada fase, que reduzem a tensão dos barramentos
principais a fim de transformá-las em valores compatíveis com os dos instrumentos,
geralmente utilizado 115 V e 60Hz.
Amperímetro
Indica a corrente elétrica do circuito em Ampéres (A). Recebe alimentação por meio
de transformadores de corrente, um para cada fase, que levam ao amperímetro valores
compatíveis aos do instrumento. Geralmente utiliza-se 5 A para este tipo de aparelho.
28
Frequencimetro
Indica a frequência elétrica em Hertz (HZ). Recebe alimentação por meio de
transformadores de potencial, um para cada fase, que reduzem a tensão dos barramentos
principais para valores compatíveis com os instrumentos, geralmente 115 V e 60 Hz.
Wattímetro
Indica a potencia elétrica do circuito em Watts (W). Recebe alimentação por meio de
transformadores de potencial e transformadores de corrente, os mesmo que fornecem a leitura
para o voltímetro e o amperímetro. É instalado um aparelho desses para cada fornecedor de
energia, geradores e energia de terra, também pode ser instalado em painéis secundários e
auxiliares, mas não é o usual.
Cosfímetro
Indica o fator de potência do circuito. Recebe alimentação por meio de
transformadores de potencial e corrente, os mesmo que fornecem a leitura para o voltímetro e
o amperímetro. Geralmente é instalado pelo menos um medidor para cada fornecedor de
energia.
Sincronoscópio
É um instrumento utilizado para estabelecer o ângulo de fase e a frequência necessária
para a sincronização entre fontes de corrente alternada (AC) de energia. Esta é uma medida de
segurança crítica, quando as redes de alimentação AC ou saídas do gerador são
compartilhadas.
29
3.2 Aterramento
Na tentativa de minimizar os danos que podem ser causados na ocorrência de um
choque elétrico quando uma pessoa faz um contato com uma carcaça metálica dos
equipamentos elétricos da embarcação, tudo que seja condutor de corrente elétrica como
carcaça de motores elétricos e painéis, geladeira e freezers, luminárias de corpo metálico e
etc. podem apresentar problemas de isolação e deverão estar conectadas a um mesmo ponto e
este interligado a estrutura da embarcação.
Tanto o neutro dos geradores, como o neutro dos transformadores no lado de baixa
tensão serão aterrados através de alta impedância a fim de manter o casco da embarcação
isolado do restante do sistema elétrico para que mesmo na ocorrência de algum tipo de falta
fase-terra, os equipamentos continuem funcionando durante um curto período de tempo
enquanto os técnicos de plantão localizem e corrijam a falta.
Figura 14 – Aterramento IT
Este isolamento será monitorado através de um relé de monitoramento de isolamento
CA o qual aplica uma tensão em corrente contínua gerada pelo próprio relé entre a rede e a
terra. Esta tensão superposta à rede provocará a circulação de uma corrente inversamente
proporcional à soma da resistência interna do monitor e a resistência de isolamento à terra da
30
rede. O sinal de corrente é amplificado e convertido num sinal para o sistema de indicação
permanente da isolação e também para o circuito de medição. Se a resistência de isolação cair
abaixo do valor ajustado, resultante de uma falha à terra, o Led “atuado” acende e o relé de
saída opera comutando seus contatos. [3]
3.3 Proteções
A proteção de sistemas elétricos industriais é feita geralmente pelos relés. Os relés são
sensores, que quando postos estrategicamente no sistema, na ocorrência de uma perturbação
ou algum defeito na rede a qual o mesmo está instalado, ele age de forma a isolar o local que
ocorreu a falta do resto do sistema.
É de extrema necessidade a implementação de sistemas de proteção para o bom
funcionamento dos equipamentos elétricos, para tentar manter o sistema operando da forma
em que foi projetado e também na tentativa de prevenção de acidentes, como o conhecido
choque elétrico.
Nesta embarcação apenas serão utilizado sistemas de proteções automáticas e semiautomáticas. Sendo assim, se torna dispensável uma central de comandos com operadores de
plantão para tomadas de decisões imediatas.
3.3.1 Proteção dos geradores
A proteção dos geradores na prática é geralmente realizada através de um releamento
aplicado a geradores, existem duas funcionalidades dos relés e podem ser divididos em dois
grupos, isto é, um grupo fica responsável pelas proteções dos circuitos de armadura e do
circuito de campo do gerador e também existem aqueles que são aplicados para detectar as
31
condições no sistema que poderiam modificar o regime de funcionamento da máquina e
seriam potencialmente prejudiciais para o gerador.
Nesta sessão serão exemplificados alguns tipos de relés apenas para o segundo tipo
que proteção mostrada acima:
Relé direcional de potência:
Para garantir a operacionalidade do sistema elétrico da embarcação, este relé tem o
objetivo de não permitir que um dos geradores altere o seu principio de funcionamento de
gerador para motor, sendo um consumidor de potência ativa, quando os dois geradores
principais estiverem operando em paralelo.
Relé de subtensão e sobretensão:
Os geradores interligados as cargas da instalação da embarcação pode estar sujeito a
sobretensões e subtensões devido aos motores de elevada potência que são energizados e
desligados diversas vezes dependendo das manobras que a embarcação deverá ser submetida.
Sempre que houver uma condição de subtensão ou sobretensão, o relé comuta sua
saída para interromper a operação do motor principal ou o processo a ser protegido. Também
protege o circuito entre assimetrias de 20% entre as devidas fases.
Relé de verificação de sincronismo:
Em sistemas que podem funcionar com dois ou mais geradores em paralelo, é
necessário a existência de uma proteção que irá cuidar do fornecimento de energia com
segurança. Os relés de sincronismo intertravam os circuitos de fornecimento de energia,
comparando ângulos de fases, frequência, e amplitude das tensões de maneira a impedir que
os circuitos não atendam esses pré-requisitos.
Relé de sequência de fase:
Dentro da embarcação existem diversos tipos de equipamentos elétricos trifásicos que
são proibidos de funcionar tanto com fases invertidas ou com a falta de uma de suas fases.
32
Com isso, surge a necessidade de instalar o relé de sequência de fase para ser responsável por
monitorar a sequência do fornecimento de energia e também fiscalizar o bom funcionamento
de todas as fases comutando seus contatos entre as posições de repouso e posições de
trabalho.
Relé de sub/sobre frequência:
Na maioria das vezes os relés de sobrefrequência são utilizados para em alguns casos
executar a função de proteção de sobrevelocidade, ou são usados como retaguarda ao
equipamento no circuito regulador de velocidade.
A velocidade e frequência da máquina para uma potência mecânica constante
fornecida pelo rotor do motor-gerador estão totalmente relacionadas à quantidade de potência
elétrica fornecida para a rede do sistema.
Os ajustes desta proteção dependerão da capacidade de sobrevelocidade do motor e do
gerador e será ajustada em porcentagem de acordo com a velocidade nominal da máquina.
Relé contra sobreexcitação:
A sobreexcitação ocorre devido à operação com tensões maiores que a nominal, ou
tensões iguais ou menores que a nominal a uma frequência inferior a nominal. O nível de
excitação da máquina afeta termicamente o gerador e os transformadores que a ele possam
estar conectados. O seu controle é determinado a partir da relação tensão pela frequência.
Relé contra perda de excitação:
Nas máquinas síncronas, quando ocorre uma perda de excitação, ela começa a
funcionar como uma máquina assíncrona (indução), girando bem abaixo da velocidade
síncrona e consequentemente absorvendo reativo do sistema. A ocorrência de uma perda de
excitação pode causar um colapso de tensão, ocorrendo uma falha de estabilidade no sistema.
33
Relé de sobrecorrente instantâneo:
Este relé provê uma proteção com alta sensibilidade e velocidade, atuando
imediatamente sempre que o valor de corrente ultrapasse um limite previamente ajustado.
Relé de sobrecorrente temporizada:
Este tipo de relé é do tipo de proteção térmica e com um elemento de desarme
instantâneo que irá efetuar uma proteção contra devidas sobrecargas, que devem ser
suportadas por aproximadamente 15% acima da corrente nominal da máquina em regime
continuo.
3.3.2 Proteção dos motores
Existem diversos tipos de problemas que podem ocorrer nos motores elétricos, sendo
eles de origem externa ou interna. Com o avanço das tecnologias nos dias de hoje os
dispositivos eletrônicos de proteção tem o objetivo de minimizar os danos provocados nos
motores, ou até mesmo nos sistemas elétricos em geral quando estes submetidos a condições
anormais de operação.
Os dispositivos devem ser escolhidos e dimensionados de acordo com os seguintes
critérios:

Condição de operação;

Importância funcional do motor;

Distúrbio que poderão surgir na rede;

Tipo de motor a ser protegido.
Existem diversos tipos de faltas que podem ser responsáveis por uma condição
anormal de operação de um motor, porém apenas será atentado ao caso das seguintes faltas a
serem protegidas:
34
Sobre corrente:
Na ocorrência de curto circuito no sistema as contribuições dos motores podem ser
altíssimas, causado severos danos a máquina. Com isso, utilizam-se dispositivos com unidade
de desarme instantâneo, a qual é ajustada em aproximadamente duas vezes a corrente de rotor
bloqueado para evitar a sua atuação devido à corrente transitória de partida e para
proporcionar um rápido desligamento no caso de faltas fase-fase ou faltas trifásicas na rede.
Sobre carga:
Quando os motores estão operando em sobre carga, consequentemente ocorre uma
solicitação de potência mecânica acima da sua capacidade nominal. Com isso, surge um
aumento considerável da corrente absorvida da rede fazendo com que acarrete uma elevação
de temperatura nos enrolamentos do motor podendo ultrapassar os limites máximos da classe
de isolamento em que o motor foi projetado e uma redução de velocidade comprometendo a
refrigeração da máquina.
Para evitar este tipo de situação, utiliza-se o relé térmico de sobre carga, que será
responsável por desligar o motor quando a corrente do mesmo ultrapasse 25% da corrente
nominal dos motores. Dessa forma o motor matém a temperatura interna dentro dos padrões
aceitáveis de seu material isolante.
Porém, é importante salientar que existem normas que impedem o uso deste tipo de
proteção para os motores empregados para dar direcionamento da embarcação. Ou seja, os
motores da máquina do leme não podem ser protegidos contra sobre carga e deverão ser
projetados para manter o seu funcionamento mesmo com a temperatura dos seus
enrolamentos sobre aquecidas.
35
Sub-tensão:
Na ocorrência de queda de tensão na alimentação dos motores, os mesmos perdem
conjugado e velocidade. Na tentativa de continuar fornecendo a mesma potência para a carga
durante a falta de tensão de alimentação, o motor começa a absorver mais energia da rede
acarretando um aumento da temperatura dos enrolamentos, acréscimos nas perdas e
consequentemente diminuição do rendimento.
Para não permitir que o motor continue operando neste tipo de situação, utiliza-se um
relé temporizador de sub-tensão, o qual deverá ser ajustado em consideração com as quedas
de tensão normais que podem ocorrer decorrente da própria partida ou da partida de outros
motores conectados na rede do sistema.
Novamente, com condições especiais para as máquinas do leme, é necessária a
utilização do relé de rearme automático imediatamente após as tensões de alimentação se
estabeleçam dentro dos níveis e padrões normais de funcionamento.
Rotor Bloqueado:
Este tipo de proteção não é muito usual nas embarcações, porém dependendo das
cargas a serem acionadas podem causar uma parada súbita nos rotores das máquinas
ocorrendo então uma drástica mudança da rotação de plena carga até que a velocidade zere,
sendo então necessário o seu uso.
Nesta situação ocorre praticamente o processo inverso da partida dos motores, ele zera
sua rotação a partir do bloqueio do rotor e começa a absorver da rede aproximadamente uma
corrente com as mesmas proporções da corrente necessária para dar a partida no motor.
Portanto, não possui mais ventilação em seus enrolamentos ocorrendo consequentemente um
rápido aquecimento até queimar.
Sendo assim, ajusta-se um valor de corrente aproximadamente 1,5 vezes a corrente
nominal da máquina com um tempo de atuação de mais ou menos 5 segundos.
36
3.3.3 Proteção dos transformadores
A proteção nos transformadores também é realizada por um conjunto típico de relés
que dependem de sua sensibilidade e da coordenação e seletividade imposta a eles diante dos
diversos outros grupos de proteção pertencentes nas imediações da instalação elétrica.
Como os transformadores estão sujeitos a ação da maresia, eles deverão estar providos
com resistências de aquecimento dentro da sua carcaça metálica ou, quando estiverem na
opção de espera (stand-by) manter seus terminais de alta conectados com a atuação da
corrente de magnetização circulando pelos enrolamentos a fim de evitar o acumulo de
umidade e condensação nas suas partes internas.
Em funcionamento, utiliza-se um dispositivo de imagem térmica, o qual permite aferir
a temperatura de seus enrolamentos de alta e baixa tensão através das correntes de fase e
assim protegendo-os contra sobrecargas configurados da seguinte forma:
Os terminais de alta do transformador deverão estar com o seu ajuste de corrente de
até 125% da corrente nominal do respectivo circuito. Caso não seja possível este ajuste, ele
poderá ser incrementado em até 250% do valor da corrente nominal desde que os terminais de
baixa tensão estejam protegidos com ajuste de até 125%.
É também bastante usual uma proteção seletiva de alta velocidade para defeitos fasefase e curto circuito nas próprias espiras de seus enrolamentos através da utilização de um relé
diferencial.
37
3.4 Sistema de corte em situação emergência
Este sistema tem como objetivo principal atuar de forma eficiente para evitar
ao máximo os acidentes, tais como incêndios, explosões, queima de equipamentos, perigo de
vida aos tripulantes, impactos ao meio ambiente dentre outros que possam ocorrer em todos
os ambientes da embarcação.
Todos os motores de ventilação, seja para exaustão, como refrigeração de ambientes
devem ser providos de botoeiras, para que seja possível a sua parada imediata em caso de
incêndio ou outra emergência. E essas devem estar localizadas em pelo menos dois espaços
distintos, uma nos painéis de controle dos motores (CCM’s) e a outra será acionada através do
passadiço. Este tipo de parada é para evitar que os motores de ventilação não sejam capazes
de alimentar o fogo, já que o mesmo deverá ser confinado e extinguido através de jatos de
𝐶𝑂2 acionados pneumaticamente.
Todos os motores responsáveis pelo funcionamento das bombas de óleo combustível,
óleo lubrificante, óleo de refrigeração e separadores de óleo também deverão possuir
botoeiras de parada de emergência dispostas da mesma forma em que foram instaladas as dos
motores responsáveis pela ventilação. Nesta situação, caso algum compartimento esteja em
chama, e uma das bombas de óleo estejam funcionando, a mesma pode estar bombeando
combustível inflamável para o local a ser confinado. Sendo assim, capaz de ocasionar uma
explosão.
Com isso, todos os motores que podem ser prejudiciais a embarcação numa situação
de emergência deverão ser imediatamente desconectados da energia da embarcação a ponto
de mante-la em condição segura para tentar combater a contingência.
38
3.5 Acionamento dos motores
É bastante conveniente aplicar ao motor toda sua tensão nominal para fazê-lo
funcionar. Porém, tendo em vista à existência de outros tipos de carga que são conectadas ao
mesmo meio de fornecimento de energia, a partida direta em plena tensão do motor pode não
ser a melhor maneira, devido às altas correntes de partida provocada pelas cargas indutivas.
Quando se dá a partida direta em um motor trifásico, ocorre o que chamamos de
corrente de partida 𝐼𝑝 , neste caso a corrente de pico pode variar de 7 a 8 vezes à corrente
nominal do motor, ou seja, um motor com corrente elétrica de 2A, durante a partida do motor
a corrente seria de 14A a 16A. Com isso, podem acarretar grandes quedas de tensão na linha,
prejudicando o funcionamento normal dos outros consumidores.
Uma das maneiras de reduzir a corrente de partida é utilizar os seguintes métodos de
partidas para motores de indução:
3.5.1 Partida Estrela-Triângulo:
Um dos métodos que ainda não caiu em desuso, diante das partidas suáveis fornecidas
pelos dispositivos eletrônicos, é a conhecida partida estrela-triângulo. Este método ainda é
muito utilizado pela sua simplicidade de construção, seu baixo custo em relação aos outros
dispositivos e sua confiabilidade.
Como o próprio nome já diz a partida estrela - triangulo prepara o motor para partir
com uma tensão menor do que a tensão nominal do sistema. Ou seja, o motor parte com uma
tensão bem abaixo dos seus valores nominais e quando a sua rotação chega a
aproximadamente 80% da sua rotação nominal (aproximadamente 7 segundos), ele é
chaveado para outro tipo de ligação fornecendo tensão superior a de partida fazendo com que
o mesmo consiga operar com suas condições nominais de projeto.
39
Evidentemente, é necessário que tenha-se acesso aos seis terminais dos enrolamentos
para que seja possível a ligação tanto em estrela como em triângulo e também que os
enrolamentos do motor sejam compatíveis com os níveis de tensão da rede quando o mesmo
estiver operando em triângulo.[4]
A partida estrela-triângulo basicamente aproveita as relações entre tensões de linha e
tensões de fase, já que nos sistemas de distribuição de energia a tensão de linha é √3 vezes
maior que a tensão de fase, como mostra a equação a seguir.
𝑉𝑙 = √3 × 𝑉𝑓
Como esta relação é constante, influencia diretamente na corrente de partida, esta
corrente é reduzida daquela proveniente da partida direta. Dado que a corrente de partida
direta dos motores é de 7 a 8 vezes maior que a corrente nominal, assim, neste método de
partida a corrente passa a ser de 2 a 3 vezes maior que a corrente nominal apenas.
Figura 15 – Ligação da partida Estrela-Triângulo
40
Dispositivos de partida estrela-triângulo automático:

Contator de linha (sempre conectado);

Contator de estrela (conectado somente durante o período da partida);

Contator de triângulo (conectado após a partida do motor através do relé de
temporizado).
Na partida, apenas os contatores de linha e os contatores de estrela estão em serviço,
𝐾1 𝑒 𝐾2 respectivamente. Depois do período da partida ocorre a substituição do contato 𝐾2 que
é desarmado e ocorre o acionamento do contator de triângulo 𝐾3 .
Para realização de uma correta comutação entre a estrela e o triângulo utiliza-se um
relé de tempo. Ao alimentar o relé com tensão nominal nos seus terminais, é fechado
imediatamente o contato correspondente a estrela. Decorrido o tempo ajustado ele abre o
contato referente a estrela e fecha o contato referente a etapa triângulo, a qual permanece
fechada durante todo o período de operação.
Pelo fato de tratar-se de uma partida com tensão aproximadamente 0,57 vezes menor
que a tensão nominal do motor, o mesmo não produzirá torque de partida máximo, mas
1
somente 3 deste.
Para a proteção desses motores acopla-se um relé de sobrecarga aos contatores de
linhas. Desta forma, o motor estará protegido tanto na partida como durante seu
funcionamento em regime permanente. É importante regular o relé de sobrecarga para a
partida, de forma que o mesmo não seja acionado, já que a corrente de partida certamente será
maior que o seu ajuste de atuação.
41
3.5.2 Soft-starter:
Os soft-starters serão utilizados para dar partida aos motores de indução, do tipo
gaiola, que serão conectados aos barramentos do quadro elétrico principal e de emergência.
Estes foram os escolhidos para serem utilizados. Pois limitam as correntes de partida, evitam
picos de corrente, incorporam paradas suáveis e efetuam proteções. Alem disso, apresentam
diversos controles sobre o motor, tais como:

Controla o tempo de aceleração do motor (Soft-Start)

Controla a corrente solicitada à rede durante a partida (Limitação de Corrente)

Controla tempo de desaceleração (Soft-Stop)

Controle do fator de potência (Energy-Safer)

Controle da freqüência e velocidade de operação (Slow-Speed)
Este equipamento eletrônico é capaz de controlar a potência do motor no instante da
partida e também na sua frenagem ao contrario dos sistemas convencionais. O seu
funcionamento baseia na utilização de uma ponte tiristorizada na configuração antiparalelo,
na qual é feita a partida e o comando através de uma placa de controle.
Figura 16 – Soft-Starter
42
A condição do soft-starter é controlar a potência do motor. Para isso ocorrer, o
controle do disparo dos tiristores atua no controle por tensão zero e controle de corrente zero.
Para efetuar a proteção dos tiristores contra uma variação de tensão é utilizado um
circuito snubber, circuito RC, já que a capacitância não permite uma variação de tensão
momentânea em seus terminais, este circuito é conectado aos terminais do tiristor. Na etapa
de bloqueio do tiristor, o capacitor começa a carregar até o instante no qual o dispositivo entra
em condução e então nesta etapa o capacitor começa a descarregar. O resistor colocado em
série com a capacitância é apenas para limitar correntes transitórias e amortecer a descarga do
capacitor.
Mesmo com a utilização de soft-starters os circuitos dos motores precisam de fusíveis
ou até mesmo disjuntores na entrada do dispositivo, para realizar uma proteção dos módulos
eletrônicos.
É bastante importante um estudo de viabilidade econômica na decisão da compra e
instalação dos diversos meios de acionamentos e partidas de motores elétricos, diante das
variáveis a serem analisadas em um projeto dos sistemas elétricos em geral.
Apenas por fins de comparação foi realizado um orçamento para os métodos de
partida mais usuais em embarcações. Uma partida elétrica de um motor de indução trifásico
de 10 HP e 380 V pode possuir uma diferença de aproximadamente R$ 800,00 reais/motor no
orçamento da obra dependendo da escolha entre a partida estrela-triângulo e um soft-starter,
como pode ser observado na tabela 4 abaixo.
Tabela 5 – Orçamento de métodos de partida para um motor de indução de 10 HP
Orçamento de métodos de partida de um motor elétrico
Tipo de partida
Partida Estrela-Triângulo
Partida por Soft-Starter
43
Preço (R$)
1.100,00
1.905,00
3.6 Características das máquinas
Na hora da compra e escolha dos equipamentos elétricos, sejam motores, painéis,
luminárias, interruptores e etc., a serem utilizados na embarcação deve ser atentado ao local
de sua instalação e a aplicabilidade em que o equipamento está condicionado, para poder levar
em consideração as possíveis variações de características construtivas e características de
ambiente de operação.
A seguir, serão apresentadas algumas variáveis que pode ser levado em conta na hora
da especificação e compra de um motor devido o lugar e a aplicação de seu uso:
3.6.1 Características construtivas
3.6.1.1
Classes de Isolamento
As classes de isolamento estipulam os níveis máximos de temperatura em que o motor
poderá operar sem que seja afetada a sua vida útil. Essas classes são definidas de acordo com
os tipos de materiais isolantes utilizados na construção do motor.
A escolha da classe de isolamento pode determinar o tamanho do motor, pode definir a
área livre necessária à ventilação natural ou até mesmo a necessidade de ventilação forçada
para sua refrigeração.
Sendo um motor de indução, uma máquina robusta e de construção simples, sua vida
útil depende quase exclusivamente da durabilidade de seus isolamentos, os quais são afetados
por umidade, vibrações, ambiente corrosivos e outros.
Abaixo, estão os valores das temperaturas máximas admitidas para cada classe de
isolamento existente, considerando uma temperatura ambiente de 40° C, segundo NBR-7034.
44
Tabela 6 - Classes de Isolamento
Classe
A
E
B
F
H
Temperatura Máxima
(C)
105
120
130
155
180
Temperatura de Serviço
(C)
95
110
120
145
170
As classes B e F normalmente são utilizadas em motores normais, sem uso especifico.
Na indústria, o método mais confiável e preciso para se determinar a temperatura dos
enrolamentos é através da variação de sua resistência ôhmica com a temperatura.
3.6.1.2
Graus de proteção
Os graus de proteção representam as medidas aplicadas ao invólucro de um
equipamento elétrico visando:

A proteção de pessoas contra o contato acidental com as partes energizadas
sem isolamento; contra contato com as partes móveis no interior do invólucro e
proteção contra a entrada de corpos sólidos estranhos (poeiras, fibras etc.).

A proteção do equipamento contra o ingresso de água em seu interior.
Assim, por exemplo, um equipamento a ser instalado em um local sujeito a jatos
d’água deve possuir um invólucro capaz de suportar tais jatos sob determinados valores de
pressão e ângulo de incidência, sem que haja penetração excessiva de água.
A simbologia adotada pela IEC 60529:2009 é composta com uma sigla IP (“índex of
protection”), seguida de dois algarismos. O 1° número indica proteção contra a entrada de
corpos sólidos e pode variar de 0 a 5 e o 2° número indica proteções contra a entrada de água
e líquidos podendo variar de 0 a 8.[4]
45
Tabela 7 – Significado dos algarismos do grau de proteção das máquinas
Primeiro
Algarismo
0
1
2
3
4
5
Grau de Proteção
Segundo
Descrição
Algarismo
Máquina não protegida e
nenhuma proteção
contra contato acidental
Máquina protegida
contra corpos sólidos >
que 50 mm, proteção de
contato acidental ou
inadvertido de grandes
superfícies do corpo
humano no interior da
carcaça
Máquina protegida
contra corpos sólidos >
que 12 mm e proteção
contra contato dos
dedos no interior da
carcaça
Máquina protegida
contra corpos sólidos >
2,5 mm e proteção
contra objetos com
espessura maior que 2,5
mm no interior da
carcaça
Máquina protegida
contra corpos sólidos > 1
mm e proteção contra
contato de fios e objetos
com espessura superior a
1 mm
Máquina protegida
contra poeira e proteção
total contra contato em
peças no interior da
carcaça
0
Máquina não
protegida
1
Máquina à prova de
pingos verticais
2
Máquina à prova de
pingos de até 15
graus com a vertical
3
Máquina à prova de
forma de chuva de
até 60 graus com a
vertical
4
Máquina a prova de
qualquer tipo de
pingo e chuvas
leves
5
Máquina a prova de
jatos de água
6
7
8
46
Descrição
Máquina à prova de
vagalhões
Máquina resistente
a imersão em água
Máquina
submersível
Abaixo, estão os graus de proteção mínimos exigidos para cada tipo de equipamento
elétrico correspondente ao local o qual deverá ser instalado dentro da embarcação.
Tabela 8 – Grau de proteção
47
3.6.2 Características do Ambiente de Operação
Uma grande parte dos equipamentos elétricos podem ser fornecedores de fonte de
ignição por consequência de apenas um centelhamento ou até mesmo um pequeno arco
elétrico na maioria das vezes não intencional.
Na indústria naval existem muitos ambientes dentro de uma embarcação que são
perigosos e necessitam de uma atenção especial, já que as atividades ali têm como fim o
manuseio de líquidos inflamáveis, emissão de gases e partículas sólidas que podem prejudicar
o funcionamento seguro.
Além disso, para analisar a viabilidade do uso de um motor em uma determinada
aplicação, é necessário o levantamento de duas variáveis que devem ser levadas em
consideração, como a altitude a qual o motor será instalado e a temperatura do meio
refrigerante.
A seguir, as duas principais definições para ambientes perigosos:
3.6.2.1
Ambientes agressivos
Ambientes agressivos, tais como estaleiros, instalações portuárias, industria de
pescados e múltiplas aplicações navais, exigem equipamentos que neles trabalham, sejam
perfeitamente adequados para suportar tais circunstancias com confiabilidade.
Os motores para aplicação nestes ambientes podem e devem possuir algumas das
seguintes características especiais:

Pintura anti-corrosiva

Placa de identificação em aço inoxidável

Elementos de montagem zincados

Enrolamento duplamente impregnado

Juntas de borracha para vedar a caixa de ligação
48

Ventilador de material não faiscante
No caso de motores navais, a característica de funcionamento específicas são
determinadas pelo tipo de carga a qual o motor deverá acionar.
3.6.2.2
Atmosferas potencialmente explosivas
Uma instalação onde produtos inflamáveis são continuamente manuseados,
processados ou armazenados, necessita, obviamente, de cuidados especiais que garantam a
manutenção do patrimônio e preservem a vida humana. Como por exemplo, as salas de tintas
e salas de baterias.
Uma instalação quando a proporção de gás, vapor, pó ou fibras é tal que uma faísca
proveniente de um circuito elétrico ou o aquecimento de um aparelho provoca a explosão.
Cada tipo de equipamento a ser instalado em uma dessas localidades necessita de um
tipo de proteção diferente que variam da seguinte forma:

Invólucro a prova de explosão;

Segurança aumentada;

Não centelhante;

Temperatura máxima de superfície;
49
4 Capítulo 4
Análise de Curto Circuito
Um curto-circuito é uma ligação entre dois pontos com diferentes potenciais elétricos
através de uma baixa impedância. Esta ligação pode ser feita solidamente ,quando se diz que
ocorreu um curto circuito franco, ou seja, é um curto-circuito de origem mecânica, ou também
por um arco elétrico quando é resultante por uma ruptura dielétrica do ar, ou seja, um curtocircuito de origem de falha de isolamento. Porém também existem os curtos circuitos de alta
impedância, os quais a corrente de curto circuito é da ordem da corrente nominal do circuito
exigindo assim técnicas especiais para a sua identificação.
Os curtos de origem mecânica são causados por:

Quebra ou corte de um condutor;

Contato acidental entre condutores;

Contato em condutores através de agentes externos.
E os curtos de origem de falha de isolamento são causados:

Devido à temperatura, umidade ou corrosão do material;

Devido à sobre tensões internas ou de origem atmosférica (Ruptura do
dielétrico de isoladores).
É de extrema importância nessa fase do projeto, realizar o cálculo de curto-circuito
para, além de elaborar o dimensionamento do painel principal e seus componentes, poder
fazer a delimitação do poder de corte de disjuntores e fusíveis, previsão dos esforços térmicos
e eletrodinâmicos provocado pelo aumento de temperatura na passagem da corrente de curto e
realizar a correta regulação das proteções.
50
Nas proteções de alta e média tensão, considera-se que os efeitos mecânicos devem ser
suportados pelos equipamentos e faz-se então a proteção contra os efeitos térmicos. Já para as
baixas tensões e alguns casos de médias tensões utilizam-se equipamentos de proteção
limitadores que protegem os equipamentos contra os efeitos térmicos e mecânicos, os quais
cortam a corrente de curto antes que ela atinja o seu primeiro valor de crista.
As correntes de curto circuito, dependendo do seu tipo de falta, capacidade dos
geradores, dos tipos de cargas e suas proximidades do curto e seus tipos de aterramentos
podem elevar em até 10 vezes as correntes nominal dos circuitos.
Os quatro tipos de curto circuito que podem ocorrer são:

Fase-Terra;

Fase-Fase;

Fase-Fase-Terra;

Trifásico;
Figura 17 – Tipos de faltas
51
Dentre os quatro tipos de curto-circuito abordados acima, eles podem ser classificados
em curtos-circuitos desequilibrados e curtos-circuitos equilibrados.
Os curtos-circuitos desequilibrados ocorrem quando as impedâncias, as tensões e as
correntes de curto não são iguais para as três fases. Neste tipo de curto-circuito não pode ser
aplicada a representação monofásica do sistema elétrico. Os curtos que se encaixam nesta
classificação são os curtos Fase-Terra, Fase-Fase e Fase-Fase-Terra.
Já os curtos-circuitos equilibrados, são aqueles nos quais ocorrem uma perfeita
simetria ou equilíbrio entre suas fases. Neste caso, as impedâncias, os módulos das tensões e
das corrente antes e após o curto são iguais para as três fases.
As correntes de curto-circuito são chamadas de corrente alternadas assimétricas já que
a mesma é composta por uma componente alternada, parcela simétrica, e por uma
componente DC (contínua), a qual representa a parcela assimétrica.
Para poder entender o comportamento assimétrico da corrente de curto-circuito,
momento transitório, podemos simplificar o sistema em um simples circuito RL, como pode
ser observado na Figura 10:
Figura 18 – Circuito RL
Sendo assim, aplicando a lei das malhas no momento que a chave “S” se fecha no
circuito acima, temos a seguinte equação diferencial:
Vmax . sin(w. t + α) = R. i + L.
52
di
dt
E resolvendo a equação, obtemos:
i(t) =
−R.t
Vmax
. [sin(w. t + α − θ) − e L . sin(α − θ)]
|Z|
Onde:
w. L
)
R
{
|Z| = √R2 + (w. L)2
θ = tan−1(
Ao observar a solução da equação diferencial para a corrente de curto-circuito ao
longo do tempo, é fácil notar que o primeiro termo da equação [sin(w. t + α − θ], possui um
comportamento senoidal em função do tempo representando a parcela simétrica da corrente
de curto e o segundo termo [e
−R.t
L
. sin(α − θ)], possui um decaimento exponencial com o
tempo e este representa a parcela assimétrica ou componente DC do curto.
É importante notar que existem duas situações as quais a componente DC é nula, são
elas:

(𝛼 − 𝜃) = 0

(𝛼 − 𝜃) = 𝜋
Figura 19 – Corrente de Curto-Circuito
53
Esta pode ser representada pela seguinte equação:
𝐼(𝑡)𝑎𝑠𝑠𝑖𝑚é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 = 𝐼(𝑡)𝑐𝑜𝑛𝑡í𝑛𝑢𝑎 + 𝐼(𝑡)𝑠𝑖𝑚é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎
Os valores assimétricos da corrente de curto-circuito normalmente são utilizados para
o dimensionamento dos barramentos do quadro elétrico principal da embarcação e determinar
se os mesmos foram dimensionados de forma a suportar os efeitos térmicos e dinâmicos das
correntes de falta.
Como os curtos circuitos trifásicos (simétricos) são na maioria das ocorrências os mais
severos, para efeito de cálculo e que possa ser analisado a situação mais grave, é conveniente
então o estudo do curto trifásico. Sendo assim, será simulado através da representação
monofásica em um diagrama de sequência positiva um curto circuito trifásico nos
barramentos das fases do quadro elétrico principal na situação que possua a maior
contribuição possível das cargas nele conectado.
4.1 Cálculo
da
corrente
de
curto-circuito
trifásico
nos
barramentos do QEP
Para realizar o cálculo do curto-circuito, iremos considerar apenas os dois barramentos
principais da embarcação o QEP (quadro elétrico principal) e o QED (quadro elétrico de
distribuição), porque são neles que as cargas que contribuem de forma significativa para o
curto circuito estão conectadas.
54
Figura 20 – Diagrama unifilar dos barramentos QEP e QED
Como pode ser observado no diagrama unifilar da figura 17, o quadro elétrico
principal possui dois geradores (que funcionam de forma intercalada), dois transformadores
(que possuem seus disjuntores intertravados) e diversas cargas conectadas (motores elétricos
de indução). Já o quadro elétrico de distribuição possui apenas o seu fornecimento de energia
através de um dos transformadores do quadro elétrico principal e diversas cargas conectadas
também em seus barramentos. Serão analisadas duas situações:
1) A embarcação funcionando de forma normal. Ou seja, apenas um gerador fornecendo
energia para as cargas do QEP e para um dos transformadores que por sua vez
alimenta os barramentos do QED.
2) A embarcação nota uma falha de funcionamento do gerador em serviço e é necessário
a realização de um paralelismo momentâneo para transferência de carga do gerador
que estava em serviço para o que estava em stand-by. Ou seja, nesta situação temos
dois geradores em paralelo fornecendo energia para as cargas do QEP e para um dos
transformadores que por sua vez alimenta os barramentos do QED.
55
As três equações logo abaixo são utilizadas para demonstrar um dos métodos (para
sistemas pequenos e pontuais) de determinar a contribuição da corrente de falta simétrica
subtransitória, transitórias e de regime permanente quando são conhecidas as suas respectivas
reatâncias das máquinas.
Para utilização correta do modelo proposto pelas fórmulas a seguir, as máquinas
devem ser representadas por sua tensão de fase em série com suas devidas impedâncias, sendo
desconsideradas as impedâncias entre os terminais das máquinas e o ponto de falta
(alimentadores, dispositivos de proteção, barramento e etc..). Caso contrario, essas
impedâncias devem ser consideradas.
Onde:
𝐼=
∆𝑉
𝑍
𝐼′ =
∆𝑉
𝑍′
𝐼 ′′ =
∆𝑉
𝑍 ′′
𝐼: Valor da corrente de falta simétrica em regime permanente
𝐼 ′ : Valor da corrente de falta simétrica transitória
𝐼 ′′ : Valor da corrente de falta simétrica subtransitória
𝑍: Impedância em regime permanente da máquina
𝑍 ′ : Impedância transitória da máquina
𝑍 ′′ : Impedância subtransitória da máquina
∆𝑉: Representa a diferença entre a tensão interna da máquina e a tensão no
ponto da falta
56
Observação: As impedâncias das máquinas síncronas são diferentes para cada período
a ser analisado ao longo do tempo. Isso ocorre devido ao acoplamento eletromagnético dos
três circuitos presentes das máquinas. A reatância subtransitoria possui seu valor em
aproximadamente 0,1 segundos que representa a atuação dos três circuitos atuando
simultaneamente (armadura, campo e amortecedores), já a reatância transitória representa
logo os ciclos seguintes com a atuação apenas dos dois circuitos (armadura e campo) e com
tempo de duração aproximadamente entre 0,5 a 2 segundos e a reatância de regime
permanente é a própria reatância síncrona da máquina e é responsável pelo fluxo de corrente
simétrico depois que esta condição é alcançada.
Portanto, como o objetivo deste capítulo é dimensionar os disjuntores e barramentos
para que eles sejam capazes de suportar a corrente máxima momentânea, será abordada a
corrente máxima eficaz (rms) e de pico durante o regime subtransitório que é o momento onde
ocorre os maiores picos de corrente.
Os geradores e transformadores já foram definidos na etapa de dimensionamento das
fontes de energia da embarcação, no capítulo 2, e por sua vez possuem suas reatâncias
subtransitórias de 0,2 e 0,1 p.u, com seus valores nominais como base respectivamente.
Na tentativa de simplificar os cálculos da contribuição de curto circuito na rede é
recomendada a divisão dos motores de indução em dois grupos. O primeiro grupo representa
todos os motores com potências menores que 50 HP (possuindo reatância subtransitória de
0,28 p.u) e o segundo inclui o grupo de motores com potências maiores ou iguais que 50 HP
(possuindo reatância subtransitória de 0,2 p.u).
Além disso, as cargas que serão conectadas aos barramentos dos painéis foram
especificadas como pode ser observado na tabela 8.
57
Sendo assim, de posse de todas essas informações é necessário a representação do
diagrama unifilar demonstrado na figura 17 em um diagrama de sequência positiva e aplicar
um curto circuito no barramento QEP para que possamos analisar o circuito e então calcular a
devida corrente de curto-circuito de cada situação.
É importante lembrar que a corrente de curto circuito é diretamente dependente das
impedâncias dos equipamentos. Sendo assim, qualquer alteração como incremento de carga
ou substituição de equipamentos é necessário avaliar se ocorrerão alterações nos níveis de
curto e se os equipamentos de proteção e o dimensionamento do sistema ainda estão
instalados corretamente, a fim de suportar os novos níveis de curto da instalação.
58
Tabela 9 – Especificação de cargas
Descrição da carga
Bomba de água de
refrigeração dos
propulsores
Ventilador praça de
máquinas
Bomba de óleo
lubrificante
Bomba de
arrefecimento da GB
Compressor de ar
Bomba lubrificante da
GB
Bomba circ./resf.
Água salgada dos
thrusters
Bomba de esgoto e
incêndio e serviços
gerais
Bomba de carga de
óleo diesel
Bomba de carga de
água doce
Unidade do ar
condicionado
Skimmer
Guindaste
Unidade do sistema
hidróforo
Bomba de incêndio
emergência
Bow thruster
Stern Thruster
Máquina de Solda
Torno Mecânico
Fator de
potência
Potência
Potência
Reatância
aparente
ativa (kW)
transitória
(kVA)
Barramento
0,88
8,5
9,7
0,28
QEP
0,88
30
34,1
0,28
QEP
0,88
15
17,0
0,28
QEP
0,87
5,5
6,3
0,28
QEP
0,88
8,6
9,8
0,28
QEP
0,88
8,6
9,8
0,28
QEP
0,87
5,5
6,3
0,28
QEP
0,88
33
37,5
0,28
QEP
0,88
33
37,5
0,28
QEP
0,88
37
42,0
0,2
QEP
0,88
33
37,5
0,28
QED
0,90
0,89
110
11
122,2
12,4
0,2
0,28
QED
QED
0,88
18
20,5
0,28
QED
0,88
8,5
9,7
0,28
QED
0,90
0,90
0,88
0,88
520
220
19
5,5
577,8
244,4
21,6
6,3
0,2
0,2
0,28
0,28
QEP
QEP
QED
QED
59
4.1.1 Procedimentos para cálculo
A maioria dos grandes sistemas elétricos interligados possuem diferentes níveis de
tensão. Sendo assim, torna-se necessário diversos cálculos trabalhosos de conversão dos
valores de impedância para a de um nível de tensão comum a todos os pontos da rede.
Na tentativa de eliminar esses cálculos se utiliza o sistema por unidade onde as
grandezas elétricas do sistema como potência, tensão, corrente e impedâncias são
representadas como frações de grandezas definidas no sistema como base. Alem da
simplificação dos cálculos, os valores em pu possuem uma interpretação direta dos resultados.
Os sistemas trifásicos representados em valores por unidade têm uma série de
benefícios, como pode ser observado a seguir:

Transparece uma idéia clara das grandezas do sistema

Os valores ôhmicos dos equipamentos podem variar bastante de acordo com a potência,
mas os valores em pu de equipamentos semelhantes encontram-se dentro de uma
estreita faixa de valores

As grandezas elétricas de transformadores são as mesmas quando referidas ao lado de
baixa ou alta da rede.
Sendo assim, pode-se concluir que em um grande sistema some os diferentes níveis de
tensão e a análise se resume apenas a uma solução simples de circuito composta apenas por
impedâncias.
Bases:
Para determinar qualquer grandeza por unidade basta fazer a diferença do valor real
pelo valor base desta grandeza no sistema:
𝑔𝑟𝑎𝑛𝑑𝑒𝑧𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 =
60
𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑟𝑒𝑎𝑙
𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑎 𝑏𝑎𝑠𝑒
Porém, só pode definir duas bases independentes no sistema e a partir dessas duas
bases independentes calculam-se todas as outras. Nos sistemas de energia utiliza como bases
independentes a potência trifásica aparente total 𝑆𝑏 e tensão de linha base do sistema 𝑉𝑏 e as
demais grandezas como corrente base e impedância base são calculadas utilizando as
seguintes expressões, respectivamente:
𝐼𝑏 (𝑘𝐴) =
𝑆𝑏 (𝑀𝑉𝐴)
√3 × 𝑉𝑏 (𝑘𝑉)
𝑍𝑏 (Ω) =
𝑉𝑏2 (𝑘𝑉)
𝑆𝑏 (𝑀𝑉𝐴)
Os circuitos trifásicos são representados em por unidade através dos circuitos de
sequência positiva, negativa e zero. Entretanto, como neste trabalho será apenas abordado o
cálculo de um curto-circuito trifásico equilibrado, utiliza-se somente o circuito de sequência
positiva.
Mudança de bases:
É bastante comum encontrar dados dos elementos do sistema fornecidos em pu para
uma determinada base. Para representar o sistema em pu na forma correta é necessário
transformar todos os dados para uma única base (potência e tensão), sendo assim modificar os
valores das bases iniciais para o valor em pu da nova base estabelecida.
Quando a tensão base é escolhida (normalmente utiliza-se a do gerador principal) as
demais tensões do sistema ficam dependentes da função relação de transformação dos
transformadores. Por exemplo, se a tensão do lado de alta de um transformador com ligação
Y-Y e relação de transformação 69/13,8 kV for definida como 60 kV, a tensão no lado de
baixa será de 12 kV.
61
Como o nosso estudo trata-se de operação com impedâncias, vamos supor que uma
impedância foi definida por uma determinada base (𝑆𝑏 e 𝑉𝑏 ) e surge a necessidade de uma
transformação da grandeza para uma base nova. Sendo assim, o novo valor de impedância
pode ser obtido através da seguinte expressão:
2
𝑍𝑝𝑢(𝑛𝑜𝑣𝑎)
𝑉𝑏𝑎𝑠𝑒(𝑎𝑛𝑡𝑖𝑔𝑎)
𝑆𝑏𝑎𝑠𝑒(𝑛𝑜𝑣𝑎)
= 𝑍𝑝𝑢(𝑎𝑛𝑡𝑖𝑔𝑎) × (
) ×(
)
𝑉𝑏𝑎𝑠𝑒(𝑛𝑜𝑣𝑎)
𝑆𝑏𝑎𝑠𝑒(𝑎𝑛𝑡𝑖𝑔𝑎)
4.1.2 Considerações iniciais
Nos estudos de curto-circuito de sistemas elétricos industriais normalmente utilizam as
máquinas rotativas presente no sistema como fonte de corrente nos barramentos onde ocorreu
o curto. As máquinas rotativas utilizadas para cálculos de falta podem ser divididas nas
seguintes categorias: [6]
1) Geradores síncronos
2) Motores síncronos
3) Máquinas de indução
4) Sistema de energia elétrica
Porém, este sistema que será analisado só possui duas das quatro categorias de
contribuição para a corrente de curto, são eles dois geradores síncronos e dezenove motores
de indução que foram especificados anteriormente.
Para os cálculos das correntes de curto-circuito nos sub-capitulos 4.2 e 4.3 a seguir,
será adotado as seguintes simplificações na hora de construir os diagramas de sequência
positiva, para tornar o resultado mais fácil de resolver e bastante conservativo:
62

As resistências do sistema são desprezadas. Já que as resistências do sistema em
comparação com as reatâncias possuem valores bem inferiores.

Admite-se impedância nula no ponto de ocorrência do curto. Vale ressaltar que
sempre existe uma impedância no ponto do curto e ao desprezá-las os cálculos
indicarão corrente de curto-circuito maiores, sendo assim um resultado
conservador.

As correntes de carga do sistema no momento anterior ao curto são desprezadas,
ou seja, as tensões pré-falta nos barramentos considerados para o cálculo são
iguais a 1 p.u.

As impedâncias referentes aos cabos alimentadores (tanto dos geradores, como
dos motores e transformadores) e dos barramentos são desprezíveis.

As máquinas rotativas (geradores e motores) são substituídas por uma fonte de
tensão de 1 p.u. em série com a sua devida reatância subtransitoria e o
transformador apenas é substituído por sua reatância.
4.2 Situação 1: Apenas um gerador em serviço
Nesta situação pode ser observado no circuito de sequência positiva na figura 18, a
presença de 5 ramos de contribuição para o cálculo da corrente de curto. O primeiro ramo é a
contribuição do gerador principal operando a plena carga, o segundo ramo representa a
contribuição dos motores elétricos com potências maiores ou iguais a 50 HP (alimentados
pelo QEP), o terceiro ramo da mesma forma que o segundo representa a contribuição dos
motores elétricos com potência inferiores a 50 HP (alimentados pelo QEP) e o quarto ramo
representa a contribuição dos motores conectados ao barramento QED com potências maiores
ou iguais a 50 HP em paralelo com os motores com potências menores que 50 HP e em série
com o transformador em serviço.
63
Figura 21 – Diagrama de sequência positiva, primeira situação.
Como todos os valores especificados previamente estão em p.u, temos que definir as
bases do sistema nesta configuração:
𝑉𝑏𝑎𝑠𝑒 = 480 𝑉 𝑜𝑢 0,48 𝑘𝑉
𝑆𝑏𝑎𝑠𝑒 = 1600 𝑘𝑉𝐴 𝑜𝑢 1,6 𝑀𝑉𝐴
𝐼𝑏𝑎𝑠𝑒 =
𝑍𝑏𝑎𝑠𝑒
𝑆𝑏 (𝑀𝑉𝐴)
√3 × 𝑉𝑏 (𝑘𝑉)
=
1,6 𝑀𝑉𝐴
√3. 0,48 𝑘𝑉
= 1,92𝑘𝐴
𝑉𝑏2 (𝑘𝑉)
0,48 𝑘𝑉 2
=
=
= 0,144 Ω
𝑆𝑏 (𝑀𝑉𝐴) 1,6 𝑀𝑉𝐴
Sendo assim, de posse desses valores como base, a partir dos cálculos abaixo se
determina o valor da corrente de curto circuito trifásica em questão e ao multiplicarmos a
mesma pelo valor de 𝐼𝑏𝑎𝑠𝑒 é possível observar o valor real da corrente (A).
"
𝐼𝑐𝑐(𝑛)
=
∆𝑉 1,0 (𝑝. 𝑢)
= "
𝑋𝑛"
𝑋𝑛 (𝑝. 𝑢)
64
Tabela 10 – Valores da corrente de curto-circuito em p.u de cada ramo do circuito (situação 1)
n (ramo)
Descrição
∆𝑽
𝑿"𝒏
𝑰𝒄𝒄"(𝒏)
1
Contribuição do gerador
1
0,2
5
2
Contribuição dos motores de 50 HP
e acima (QEP)
Contribuição dos motores menores
que 50 HP (QEP)
Contribuição dos motores (QED) em
série com o transformador
1
0,2
5
1
0,28
3,57
1
0,22
4,54
3
4
E através da primeira lei de Kirchhoff, lei dos nós, podemos concluir que a soma
algébrica das 5 contribuições da corrente de curto circuito é a corrente máxima proveniente de
um curto circuito trifásico nos barramentos do QEP
"
"
"
"
"
𝐼𝑐𝑐𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
= 𝐼𝑐𝑐(1)
+ 𝐼𝑐𝑐(2)
+ 𝐼𝑐𝑐(3)
+ 𝐼𝑐𝑐(4)
"
𝐼𝑐𝑐𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
(𝑝. 𝑢) = 18,11
"
(𝑘𝐴) = 34,8
𝐼𝑐𝑐𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
4.3 Situação 2: Dois geradores em serviço (transferência de
carga)
Nesta segunda situação pode ser observado no circuito de sequência positiva na figura
19, a presença de 5 ramos de contribuição para o cálculo da corrente de curto. O primeiro e o
segundo ramo são as contribuições dos geradores principais, o terceiro e o quarto ramo
representam novamente as contribuições dos motores elétricos de indução divididos de acordo
com a sua potência da mesma forma que a situação anterior e o quinto representa a
contribuição dos motores conectados ao barramento QED com potências maiores ou iguais a
65
50 HP em paralelo com os motores com potências menores que 50 HP em série com o
transformador em serviço, novamente da mesma forma que descrito na seção 4.2
Novamente os
motores
mais
pesados
da
embarcação foram
representados
separadamente para observar as suas contribuições no sistema.
Como se trata do mesmo sistema, com a única diferença sendo mais um ramo de
contribuição, os valores tomados como base podem ser observados na seção 4.2.
Figura 22 - Diagrama de sequência positiva, segunda situação.
Tabela 11 - Valores da corrente de curto-circuito em p.u de cada ramo do circuito (situação 2)
n (ramo)
Descrição
∆𝑽
𝑿"𝒏
𝑰𝒄𝒄"(𝒏)
1
Contribuição do gerador 1
1
0,2
5
2
Contribuição do gerador 2
1
0,2
5
3
Contribuição dos motores de 50 HP
e acima (QEP)
Contribuição dos motores menores
que 50 HP (QEP)
Contribuição dos motores (QED) em
série com o transformador
1
0,2
5
1
0,28
3,57
1
0,22
4,54
4
5
66
E novamente através da lei dos nós de Kirchhoff, podemos concluir que a soma
algébrica das 6 contribuições da corrente de curto circuito é a corrente máxima proveniente de
um curto circuito trifásico nos barramentos do QEP
"
"
"
"
"
𝐼𝑐𝑐𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
= 𝐼𝑐𝑐(1)
+ 𝐼𝑐𝑐(2)
+ 𝐼𝑐𝑐(3)
+ 𝐼𝑐𝑐(4)
"
𝐼𝑐𝑐𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
(𝑝. 𝑢) = 23,11
"
(𝑘𝐴) = 44,3
𝐼𝑐𝑐𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
4.4 Capacidade de suporte e interrupção instantânea das
proteções
A corrente subtransitória de curto circuito encontrada nas seções 4.2 e 4.3 anteriores é
chamada de parcela simétrica, desta forma esse valor não inclui a parcela assimétrica
(componente DC) da corrente de curto circuito. Para calcular exatamente o valor eficaz da
corrente de falta é bastante complicado, sendo assim serão utilizados alguns métodos
aproximados mais práticos e que fornecem resultados bastante satisfatórios [6].
Na determinação da corrente que um disjuntor deve suportar imediatamente depois da
ocorrência de uma falta trifásica, é necessário a multiplicação da corrente inicial simétrica
"
(𝐼𝑐𝑐𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
) por um fator de 1,6 que pode ser utilizado em sistemas de alta e baixa tensões para
se determinar o valor assimétrico eficaz da corrente de curto.
Sendo assim, para determinar o valor da corrente assimétrica inicial eficaz que ocorre
durante o primeiro ciclo de um curto circuito trifásico, basta utilizar a seguinte equação:
"
"
(𝑝. 𝑢). 𝐼𝑏𝑎𝑠𝑒
𝐼𝑎𝑠𝑠𝑖
= 1,6 . 𝐼𝑐𝑐𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
67
Para o calculo da corrente de interrupção instantânea dos disjuntores, que sempre
possui um valor menor que a corrente assimétrica eficaz durante o primeiro ciclo, depende
apenas da velocidade do disjuntor (i.e. 8, 5, 3 ou 2 ciclos) que é o tempo entre o momento que
a falta ocorreu com a total extinção do arco elétrico [7].
Tabela 12 – Reatância para cálculo de curto circuito subtransitório e para cálculo da corrente de
interrupção dos disjuntores
Tipo de máquina rotativa
Gerador com
enrolamento
amortecedor
Motor de indução acima
de 50 HP
Motor de indução abaixo
de 50 HP
Reatância para
corrente simétrica
inicial (p.u)
Reatância para corrente
de interrupção de
disjuntores (p.u)
1.𝑋𝑑"
1. 𝑋𝑑"
1,2. 𝑋𝑑" ou 0,2
3. 𝑋𝑑" ou 0,5
1,67. 𝑋𝑑" ou 0,28
Desprezível
No dimensionamento da corrente de interrupção dos disjuntores, são utilizados outros
valores de reatâncias para as máquinas do sistema, como pode ser observado na tabela 12.
Além disso, os valores rms da corrente de curto circuito de interrupção são obtidos através da
seguinte equação considerando os fatores de multiplicação sugeridos na tabela 13.
"
(𝑝. 𝑢). 𝐼𝑏𝑎𝑠𝑒
𝐼𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑟𝑢𝑝. = 𝑓𝑎𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑚𝑢𝑙𝑡𝑖𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎çã𝑜(𝑀). 𝐼𝑐𝑐𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
Tabela 13 – Fator de multiplicação dos disjuntores - M
Velocidade do disjuntor
Disjuntor de 8 ciclos ou mais lentos
Disjuntor de 5 ciclos
Disjuntor de 3 ciclos
Disjuntor de 2 ciclos
68
Fator de multiplicação
1
1,1
1,2
1,4
Como o nosso objetivo era de determinar a corrente de curto circuito momentânea que
os disjuntores conectados ao barramento QEP devem suportar e a corrente de interrupção
instantânea dos disjuntores, apenas os valores demonstrados na tabela 14 devem ser
considerados. Vale ressaltar que para fins de cálculo, foi utilizado um fator de multiplicação
para disjuntores com velocidade de desarme de 3 ciclos (apenas por ser o disjuntor com fator
de multiplicação intermediário).
Tabela 14 – Resultados obtidos através do cálculo de curto circuito
Valores obtidos com o cálculo de curto circuito nos barramentos do QEP
𝑰𝒊𝒏𝒕𝒆𝒓𝒓𝒖𝒑çã𝒐 (𝒌𝑨)
Situação
𝑰"𝒔𝒊𝒎é𝒕𝒓𝒊𝒄𝒂 (𝒌𝑨)
𝑰"𝒂𝒔𝒔𝒊𝒎é𝒕𝒓𝒊𝒄𝒂 (𝒌𝑨)
1
34,8
55,7
20,0
2
44,3
70,9
31,5
Entretanto, existem diversas aplicações de proteções com relés temporizados. Nestas
situações devem-se desconsiderar os efeitos da corrente transitória dos sistemas e apenas
utilizar as contribuições das máquinas síncronas, pois apesar delas não estarem mais
recebendo energia no momento do curto, o seu campo permanece energizado e as inércias do
rotor fazem com que a tensão interna na máquina sirva transitoriamente como uma fonte de
corrente alimentando o curto.
69
5 Capitulo 5
5.1 Conclusão
O objetivo deste trabalho foi realizar um pré-projeto do sistema elétrico de geração e
analisar o sistema de distribuição de uma embarcação de suporte as plataformas de perfuração
para que em etapas futuras de projeto e de posse do conhecimento da funcionalidade de
alguns equipamentos e sistemas apresentados neste trabalho seja possível um correto
planejamento do sistema elétrico geral neste tipo embarcação, tendo em vista a crescente
demanda do projeto para este tipo de embarcação depois das descobertas dos poços do pré-sal.
Na etapa de dimensionamento da geração elétrica, através de uma análise de carga
decorrente das diversas situações de operação que a embarcação pode ser submetida, foram
encontrados os valores de potência para cada equipamento de geração, foi realizado uma
divisão do sistema em dois níveis de tensão através de transformadores para que as cargas
possam ser atendidas da melhor forma possível e de posse dessas informações foi descrito a
forma que o sistema poderia operar de forma preliminar.
A respeito da análise sobre o sistema de distribuição da embarcação, pode-se notar a
importância desta etapa para o conhecimento de alguns pontos dos sistemas de potência
usuais e outros específicos para a área naval. Demonstra-se assim, nos diversos ambientes, as
características construtivas e de operabilidade as quais os equipamentos elétricos dentro de
uma embarcação devem projetados e certificados para que funcionem da forma desejada
quando instalados em diferentes aplicabilidades.
Por fim, diante de uma análise de curto circuito nos barramentos do quadro elétrico
principal, foi utilizada a metodologia clássica quando se trata de curtos circuitos trifásicos
através da simplificação do sistema através do equivalente monofásico de redes de sequência
positiva com consideração práticas utilizadas para sistemas elétricos industriais como sugere
as normas para este tipo de prática.
70
A análise de curto circuito no painel estudado contribuiu para descobrir a máxima
corrente de curto-circuito a qual os disjuntores devem estar dimensionados para suportar os
efeitos transitórios e posteriormente em uma etapa seguinte a de pré-projeto os barramentos e
as proteções possam ser dimensionadas com seus devidos ajustes da forma correta.
Por fim, podemos considerar que para uma etapa de pré-projeto que surge
anteriormente a fase de detalhamento e especificação, pôde-se compreender da forma geral
como funcionam os sistemas de geração e distribuição nas embarcações de forma satisfatória,
visto que esse representa uma fundamental importância na interconexão plataforma e
continente, uma vez que as plataformas de perfuração e produção de petróleo consomem um
grande volume de suprimentos e materiais, que necessitam ser transportados pelo mar através
dos modernos navios de suporte as plataformas, chamados de “Offshore Support Vessels”.
5.2 Sugestões para projetos futuros
As etapas de um projeto elétrico são dividas em muitos assuntos e de muita
especificação. Sendo assim, cabe um estudo mais aprofundado sobre as proteções e os
esforços eletrodinâmicos causados nos barramentos decorrente dos altos valores das correntes
de curto circuito.
Alem de um estudo mais aprofundado dos tipos de proteção instantânea e de longo
tempo, a análise de coordenação e seletividade é sem duvida uma etapa muito importante,
pois busca definir os ajustes das proteções para que as mesmas interrompam as correntes
anormais garantindo rapidez e atuação de forma adequada. Assim, garante-se a máxima
disponibilidade de energia da instalação, evitando possíveis prejuízos operacionais.
Nas ultimas décadas, com os adventos da eletrônica de potência, vem ocorrendo a
substituição do tradicional MCP (motor de combustão principal) pelos sistemas de propulsão
diesel-elétrico com sistema azimutal, que consiste na utilização de um determinado número de
71
geradores capazes de suprir toda a demanda de energia elétrica da embarcação e fornecem
energia para as unidades de propulsão que são acionadas e controladas localmente através de
motores elétricos.
Logo, um estudo aprimorado deste sistema é de fundamental importância para o
surgimento de novas tecnologias no setor naval, tendo em vista sua vasta gama de vantagens
em relação ao MCP, como por exemplos, a redução das dimensões da praça de máquinas, a
não necessidade da enorme e robusta linha de eixo, um melhor gerenciamento da potência
necessária para os diferentes tipos de operações. Que economiza energia combustível, dentre
outros.[8]
Figura 23 – Propulsão diesel – Elétrica
72
6 Capítulo 6
Referências Bibliográficas
[1]
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Execução de
Balanço Elétrico NBR 7567: Brasil, 1982.
[2]
AMERICAN BUREAU OF SHIPPING. Rules for Building and Classing
Offshore Support Vessels: United States, 2014.
[3] WARD ELETRO ELETRÔNICA Ltda, Relé Monitor de Isolação CA. Disponível
em: <http://www.ward.com.br/rax600.html/> . Acesso em: 13 nov. 2014.
[4] MOREIRA, Heloi J. F.; SOARES, George A.; TABOSA, Ronaldo P.; SHINDO,
Reinaldo; COSTA, Reynaldo S. Guia Operacional de Motores Elétricos. 1.ed. Brasil, 1998.
[5]
STEPHAN, Richard M. Acionamento, Comando e Controle de Máquinas
Elétricas . Rio de Janeiro: Editora Ciência Moderna Ltda., 2013.
[6]
INSTITUTE
OF
ELECTRICAL
AND
ELECTRONICS
ENGINEERS.
Recommended Practice for Protection and Coordination of Industrial and Commercial
Power Systems: Std 242-2001. New York 2001.
[7]
INSTITUTE
OF
ELECTRICAL
AND
ELECTRONICS
ENGINEERS.
Recommended Practice for Electric Power Distribution for Industrial Plants: Std 1411986. New York, 1986.
[8]
STEVENSSON, William D.; GRAINGER, John J. Power System Analysis.
3.ed. Estados Unidos: McGraw-Hill, Inc. 1994.
[9] MARINE ENGINES & SYSTEMS, Diesel-electric Drives. Disponível em:
<http://marine.man.eu/docs/librariesprovider6/marine-broschures/diesel-electric-drivesguideline.pdf?sfvrsn=0/>. Acesso em: 04 jan. 2014.
73