Estudo de Implantação de um Dispositivo de Proteção para

UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO
CENTRO TECNOLÓGICO
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
PROJETO DE GRADUAÇÃO
ESTUDO DA IMPLANTAÇÃO DE UM DISPOSITIVO DE
PROTEÇÃO DE REGULADORES DE TENSÃO
ÉVERSON LIRA GUIMARÃES
VITÓRIA – ES
SETEMBRO/2005
ÉVERSON LIRA GUIMARÃES
ESTUDO DA IMPLANTAÇÃO DE UM DISPOSITIVO DE
PROTEÇÃO DE REGULADORES DE TENSÃO
Parte manuscrita do Projeto de Graduação
do aluno Éverson Lira Guimarães,
apresentado
ao
Departamento
de
Engenharia
Elétrica
do
Centro
Tecnológico da Universidade Federal do
Espírito Santo, para obtenção do grau de
Engenheiro Eletricista.
VITÓRIA – ES
SETEMBRO/2005
ÉVERSON LIRA GUIMARÃES
ESTUDO DA IMPLANTAÇÃO DE UM DISPOSITIVO DE
PROTEÇÃO DE REGULADORES DE TENSÃO
COMISSÃO EXAMINADORA:
___________________________________
Prof. Dr. Cícero Romão Cavati
Orientador
___________________________________
Prof. Dr. Getúlio Vargas Loureiro
Examinador
___________________________________
Eng. Eduardo Luiz Henriques
Examinador
___________________________________
Msc Wanderley Cardoso Celeste
Examinador
Vitória - ES, 16, setembro, 2005
4
DEDICATÓRIA
Dedico esta monografia de fim de curso aos meus familiares, em especial meu
pai – Messias Souza Guimarães (in memorian ) – minha mãe – Elma Lira Guimarães –
meu irmão – Ederson Lira Guimarães – e ainda a Cristina Valéria os intermináveis
incentivos dados ao longo de minha graduação.
5
AGRADECIMENTOS
Dedico meus sinceros agradecimentos ao professor doutor Cícero Romão
Cavati por sua orientação precisa e objetiva em diversos momentos de incertezas, aos
demais professores do Departamento de Engenharia Elétrica, por compartilhar parte
valiosa de seus conhecimentos, os quais foram, sem sombra de dúvidas, fundamentais
em cada pequeno detalhe desta monografia e a todos os colegas os quais eu tive e que
se mostraram verdadeiros parceiros na busca pelo objetivo comum de nos tornarmos
Engenheiros. A todos, muito obrigado.
6
Lista de figuras
Figura 1-1 - Diagrama funcional .................................................................................13
Figura 2-2 - Auto-transformador.................................................................................16
Figura 2-3 - Auto-tranformador elevador....................................................................17
Figura 2-4 - Auto-transformador abaixador................................................................17
Figura 2-5 - Chave reversora de polaridade................................................................17
Figura 2-6 - Tape´s de derivação.................................................................................18
Figura 2-7 - Reator......................................................................................................18
Figura 2-8 - Reator posição de neutro.........................................................................19
Figura 2-9 - Reator posição de tape 1..........................................................................19
Figura 2-10 - Corrente circulante................................................................................20
Figura 2-11 - Fluxos magnéticos no reator..................................................................21
Figura 2-12 - Ausência de tensão no reator.................................................................22
Figura 2-13 - Presença de tensão no reator.................................................................22
Figura 2-14 - Bobina de equalização...........................................................................23
Figura 2-15 - Corrente circulante................................................................................23
Figura 2-16 - Esquemático do regulador de tensão.....................................................25
Figura 2-17 - Regulador tipo A...................................................................................26
Figura 2-18 - Regulador tipo B...................................................................................26
Figura 2-19 - Elevador (R16)......................................................................................27
Figura 2-20 - Abaixador (L16)....................................................................................28
Figura 2-21 - Elevador (R16)......................................................................................29
Figura 2-22 - Abaixador (L16)....................................................................................29
Figura 2-23 - Regulador tipo B com um TP................................................................32
Figura 2-24 - Regulador tipo A com dois TP´s...........................................................32
Figura 2-25 - Largura de faixa do regulador...............................................................33
Figura 2-26 - Compensador de queda de tensão na linha............................................35
Figura 2-27 - Consumidores ao longo da linha-Vi é o ponto de regulação.................36
Figura 2-28 - Regulador aplicado a sistema com fontes em paralelo..........................38
Figura 2-29 - Circuito monofásico..............................................................................39
7
Figura 2-30 - Regulação em uma fase........................................................................39
Figura 2-31 - Regulação em três fases com dois reguladores.....................................40
Figura 2-32 - Regulação de circuito trifásico a quatro fios.........................................40
Figura 2-33 - Regulação de circuito trifásico a três fios.............................................40
Figura 3-1 - Localização dos sensores de corrente ......................................................44
Figura 3-2 - Localização do módulo de proteção ........................................................45
Figura 3-3 - Garra de corrente ...................................... Erro! Indicador não definido.
Figura 3-4 - Princípio básico do efeito Hall ................................................................48
Figura 3-5 - Campo magnético x corrente ...................................................................48
Figura 3-6 - Circuito condicionador de sinal ...............................................................49
Figura 3-7 - Linha CI da SECON ................................. Erro! Indicador não definido.
Figura 3-8 - Resistor RM .............................................................................................50
Figura 3-9 - Correntes de primário e secundário .........................................................51
Figura 3-10 - Relação Ip x I .........................................................................................51
Figura 3-11 – Considerações .......................................................................................51
Figura 3-12 - Diagrama de conexões ...........................................................................52
Figura 3-13 – Dimensões do sensor SECOHR 500 BRC ............................................53
Figura 3-14 - O TC toroidal .........................................................................................56
Figura 3-15 - O TC toroidal .........................................................................................57
Figura 3-16 - O TC e o condutor .................................................................................57
Figura 3-17 - Sensoriamento do próprio equipamento ................................................59
Figura 3-18 - O TC toroidal e sua comunicação externa .............................................60
Figura 3-19 - O TC toroidal experimental ...................................................................62
Figura 3-20 - O circuito condicionador de corrente ....................................................62
Figura 3-21 - Adicionando offset ao sinal do TC ........................................................63
Figura 3-22 - Resultados obtidos da placa experimental .............................................64
Figura 3-23 - Simulação dos limites de tensão ............................................................65
Figura 3-24 - Resultados obtidos da placa experimental .............................................65
Figura 3-25 - Freqüência de corte ................................................................................66
Figura 3-26 - Placa experimental montada ..................................................................67
8
Figura 4-1 – Localização dos sensores de tensão ........................................................69
Figura 4-2 - Esquema do TC .......................................................................................72
Figura 4-4 - Esquemático do regulador de tensão .......................................................77
Figura 4-5 - O TP no regulador de tensão ...................................................................81
Figura 4-6 - O RCT1 e o RCT2 no painel traseiro da caixa do sistema de controle ..82
Figura 4-7 - Circuito condicionador de tensão ............................................................84
Figura 4-8 - Sinal deslocado e atenuado ......................................................................85
Figura 4-9 - Resultado experimental ...........................................................................85
Figura 4-10 - Ganho e freqüência de corte ..................................................................86
Figura 4-11 - Circuito de alimentação simétrica .........................................................88
Figura 5-1 - Localização das buchas S e L ..................................................................91
Figura 5-2 - O circuito alimentador .............................................................................93
Figura 5-3 - Operações de manobra.............................. Erro! Indicador não definido.
Figura 5-4 - Posição das chaves no equipamento regulador .......................................95
Figura 5-5 - Chaves de manobra no regulador de tensão ............................................96
Figura 5-6 - Chave by-pass ..........................................................................................97
Figura 5-7 - Chaves do painel de controle ...................................................................98
Figura 5-8 - Curto-circuitando o equipamento regulador de tensão ............................99
Figura 5-9 - Contator a vácuo 3TL71 da Siemens.....................................................101
Figura 5-10 - Sistema de autoproteção para circuito monofásico .............................103
Figura 5-11 - Sistema de autoproteção para circuito trifásico ..................................104
9
LISTA DE TABELA
Tabela 2-1- Tensões fonte/carga para o regulador tipo A ...........................................31
Tabela 2-2 -Tensões fonte/carga para o regulador tipo B............................................32
Tabela 2-3 - Comparação entre o tipo A e o tipo B .....................................................32
Tabela 2-4 - Faixas de regulação x corrente ................................................................36
Tabela 2-5 - Padronização de reguladores ...................................................................41
Tabela 3-1 - Tabela comparativa .................................................................................66
Tabela 4-1- Cargas dos aparelhos de medição ............................................................70
Tabela 4-2 - Cargas nominais padronizadas dos TP´s .................................................71
Tabela 4-3 - Características elétricas dos TP´s ............................................................74
Tabela 4-4 - Ligações de derivação e níveis de tensão (50Hz) ...................................78
Tabela 4-5 - Relações de RCT .....................................................................................80
Tabela 5-1 - Dados de aplicação de pára-raios shunt ..................................................92
Tabela 5-2 - Caracteristicas elétricas do contator a vácuo 3TL81 ............................102
10
SUMÁRIO
1
INTRODUÇÃO ..............................................................................................12
2
OS REGULADORES DE TENSÃO .............................................................15
2.1 Sobre os tipos de reguladores de tensão ...........................................................15
2.2 O regulador de tensão monofásico de 32 degraus ............................................17
2.2.1 Principio de funcionamento do regulador de tensão ...............................18
2.2.2 Funcionamento do regulador de tensão do tipo degrau...........................25
2.2.3 Tipos de regulador por degraus ...............................................................27
2.2.4 O sistema de controle (Relé regulador) ...................................................33
2.3 Tipos de conexões em bancos de reguladores ..................................................39
2.4 Dimensionamento de reguladores .....................................................................41
2.5 Conclusões ........................................................................................................43
3
AQUISIÇÃO DE DADOS – O SENSOR DE CORRENTE .......................44
3.1 A localização do sensor no equipamento regulador de tensão .........................44
3.2 O sensor tipo garra de corrente .........................................................................45
3.3 O sensor de efeito hall.......................................................................................47
3.3.1 O efeito Hall ............................................................................................47
3.3.2 O sensor de corrente ................................................................................49
3.4 O transformador de corrente toroidal................................................................54
3.4.1 Os tipos de transformadores de corrente .................................................54
3.4.2 O transformador de corrente toroidal ......................................................55
3.5 A escolha do sensor de corrente........................................................................58
3.5.1 O monitoramento da corrente nos reguladores de tensão monofásicos de
32 degraus.........................................................................................................58
3.5.2 Colhendo o sinal do TC do regulador de tensão .....................................60
3.6 O circuito condicionador de corrente................................................................61
3.7 Conclusões ........................................................................................................67
4
AQUISIÇÃO DE DADOS – O SENSOR DE TENSÃO .............................68
4.1 O sensor de tensão ............................................................................................68
4.2 A localização do sensor no equipamento regulador de tensão .........................68
11
4.3 O transformador de potencial (TP) ...................................................................69
4.4 Características do circuito de tensão em reguladores de tensão monofásicos de
32 degraus ...............................................................................................................75
4.4.1 O uso do TP no regulador de tensão monofásico de 32 degraus ............75
4.4.2 Cálculo da relação total de transformação ..............................................77
Exemplo .................................................................................................78
4.5 Colhendo o sinal do TP do regulador de tensão ...............................................80
4.5.1 Efetuando a coleta do sinal do RCT ........................................................81
4.5.2 O circuito condicionador de tensão .........................................................83
4.6 Sobre a alimentação do circuito de aquisição de dados ....................................87
4.6.1 Alimentação via RCT ..............................................................................87
4.6.2 Alimentação via sistema de controle do regulador de tensão de 32
degraus ..............................................................................................................88
4.7 Conclusões ........................................................................................................89
5
ATUAÇÃO DA PROTEÇÃO .......................................................................90
5.1 Sobre o atual sistema de proteção dos reguladores de tensão monofásicos de
32 degraus ...............................................................................................................90
5.1.1 Proteção contra surtos de tensão .............................................................90
5.1.2 Proteção contra faltas ..............................................................................93
5.2 Análise do sistema de proteção .........................................................................94
5.2.1 Sobre os procedimentos de manobra .......................................................95
5.2.2 Sugestões descartadas para a proteção ....................................................96
5.3 Definindo a proteção do equipamento regulador de tensão..............................99
5.4 O dispositivo de atuação .................................................................................100
5.5 Visão geral do sistema de autoproteção ..........................................................102
5.6 Conclusões ......................................................................................................104
6
CONCLUSÕES ............................................................................................106
12
RESUMO
Este trabalho tem por objetivo apresentar o desenvolvimento de um estudo de
aquisição de dados e atuação para a implementação de um dispositivo de proteção para
reguladores de tensão em linhas de distribuição de energia elétrica. Para tanto, foi feita
uma análise do atual sistema de proteção dos reguladores bem como das possibilidades
de promover adicional proteção, para que estes equipamentos venham de fato terem a
sua vida útil preservada. Foi desenvolvido também um sistema de aquisição de sinais
de corrente e tensão, a partir de sensores de corrente e tensão utilizados no próprio
equipamento regulador.
13
1
INTRODUÇÃO
A motivação para realizar o referido projeto pode ser entendida da seguinte
forma: Geralmente as unidades monofásicas de reguladores de tensão possuem
proteção contra surtos de tensão através de uso de para raios, porém nem sempre esta
proteção é garantida, pois há correntes de fuga devido a condições não previsíveis e
estas correntes causam a elevação de temperatura nos enrolamentos e a conseqüente
queima dos mesmos. Entretanto, estes reguladores não possuem autoproteção e nem a
proteção do conjunto de reguladores em termos de sobre-correntes e surtos de tensão,
quando instalados em redes primárias trifásicas de distribuição de energia.
Este projeto constitui-se numa complementação de outro projeto ora em
desenvolvimento que trata do desenvolvimento e implementação de uma interface
digital usando um Microcontrolador PIC, para o processamento de dados.
O objetivo deste estudo pode ser esclarecido com o diagrama funcional
ilustrado na figura 1-1.
Regulador
Aquisição
Processamento
Atuação
de
de
de
da
Tensão
Dados
Dados
Proteção
(A)
(B)
(C)
(D)
Figura 1-1 - Diagrama funcional
Sendo:
(A) O equipamento Regulador de Tensão;
(B) O sistema de aquisição de dados que será analisado ao longo deste
trabalho;
(C) O sistema de processamento de dados que faz parte de outro trabalho ora
em desenvolvimento;
(D) O sistema de atuação da proteção do regulador que também será analisado
ao longo do desenvolvimento deste trabalho.
14
Assim, este trabalho apresenta um estudo de um sistema de proteção para
reguladores de tensão o qual fornecerá dados suficientes para a compreensão do
funcionamento básico do regulador monofásico de tensão de 32 degraus (escopo A);
apresentará uma proposta de um sistema de aquisição de dados de tensão e de corrente
com uma relação custo-benefício satisfatória (escopo B), que venha a interagir de
forma eficaz com a placa controladora responsável pelo processamento de dados
(escopo C) e analisará o atual sistema de proteção do equipamento propondo, se
possível, uma forma eficiente de atuação da proteção (escopo D).
O segundo capítulo traz diversas informações sobre os reguladores de tensão
monofásicos por degraus, o terceiro e quarto capítulos fazem uma análise do
equipamento regulador de tensão, onde serão feitas propostas para o sistema de
aquisição de dados (tensão e corrente) e o quinto capítulo vem a fazer o estudo da
atuação do equipamento regulador de tensão.
15
2
OS REGULADORES DE TENSÃO
Os sistemas elétricos devem apresentar requisitos mínimos de qualidade tais
como tensão estável, ausência de perturbações e ruídos e a maior disponibilidade
possível. Do lado dos consumidores, principalmente industriais, duas situações podem
se apresentar: 1- Instalações dotadas de equipamentos sensíveis ou alimentados por
redes que apresentam acentuada variação de tensão por limitação do sistema de
distribuição local; 2- Instalações dotadas de sistemas de elevada potência que
requerem tensões variáveis em grandes faixas para sua operação. Nos dois casos, são
empregados sistemas condicionadores de tensão, os quais se não forem
adequadamente concebidos e dimensionados, comprometem tanto a instalação que
alimentam quanto a rede elétrica a qual estão conectados, propagando perturbações
para outros consumidores e diminuindo, portanto, a qualidade da energia disponível no
sistema de distribuição.
Na seção 2.1 são apresentados alguns tipos de reguladores de tensão e suas
características, consideradas relevantes, para a escolha de um regulador que resalva o
problema observado. Na seção 2.2 é feito um detalhamento do regulador de tensão
monofásico de 32 degraus, escolhido como referência para que se alcance o objetivo
proposto no capítulo 1. A seção 2.3 descreve os tipos de conexões em bancos de
reguladores. Na seção 2.4 é mostrado o dimensionamento de reguladores e por fim, na
seção 2.5, são mostradas as conclusões deste capítulo.
2.1 Sobre os tipos de reguladores de tensão
Os equipamentos condicionadores de tensão, de grande potência comumente
utilizados, são os transformadores com derivações comutáveis por meio de comutador
sob carga ou por sistemas recortadores de tensão baseados em eletrônica de
potência. No primeiro caso, as faixas de variação são estreitas, o ajuste é feito em
degraus, com pequenos transitórios de comutação e, em sistemas, que requerem ajuste
16
muito freqüente, o severo desgaste do comutador, resulta em grande incidência de
manutenção e redução da disponibilidade do equipamento. No segundo caso, os
recortadores a tiristores permitem grandes faixas de variação, ajuste contínuo, porém
introduzem sérios problemas de harmônicos e ruídos elétricos na instalação e na rede.
Em algumas aplicações de baixa tensão de saída, utilizam-se ainda os variadores de
escovas de deslocamento helicoidal, que tem como fator limitante a existência dos
contatos deslizantes. Todos os equipamentos acima citados apresentam sérias
restrições e eventuais sobrecargas além de serem muito susceptíveis a curtos-circuitos
na saída.
O regulador de tensão de indução é uma solução para o condicionamento de
tensão em sistemas de grande porte que apresentam muitas e expressivas vantagens
sobre os equipamentos anteriormente citados, tendo apenas como aspecto negativo o
seu custo que é ligeiramente superior para a mesma potência e faixa de variação. Sua
construção é similar à da máquina assíncrona de rotor bobinado, constituindo-se de um
transformador de campo rotativo e fase variável na configuração trifásica, e de um
transformador de acoplamento variável na configuração monofásica. Uma adequada
conexão entre enrolamentos do primário e secundário produz tensão variável na saída
em função do ângulo relativo entre estator e rotor. A faixa de variação da tensão é
completamente percorrida numa excursão bastante limitada desse ângulo sendo o
acesso ao rotor feito por meio de cabos flexíveis, dispensando o uso de contatos
móveis como anéis coletores e escovas. O posicionamento entre rotor e estator é
realizado por um simples sistema mecânico motorizado. Dessa forma o regulador de
indução permite uma variação contínua da tensão de saída, com a vantagem de não
possuir nenhum elemento de desgaste ou contato móvel. Isso permite uma alta
confiabilidade e capacidade de sobrecarga, ilimitada freqüência de ajustes e ciclos de
variação da tensão, além de apresentar bom comportamento durante curtos-circuitos.
Dentre os diversos tipos de reguladores, este trabalho irá tomar como
referência o regulador de tensão monofásico de 32 degraus, por se tratar do regulador
de maior abrangência em unidades reguladoras nos sistemas de distribuição, em
especial, o sistema de distribuição da ESCELSA.
17
2.2 O regulador de tensão monofásico de 32 degraus
A aplicação de reguladores de tensão, nos sistemas de distribuição de energia
elétrica teve início na década de 40, nos países desenvolvidos. Principalmente no
EUA, em função de sua grande extensão territorial, onde os centros de consumo estão
espalhados por vastas áreas, distantes dos pontos de geração, e, aliado a isso, o
aparecimento de grande quantidade de novos aparelhos eletroeletrônicos, sensíveis a
oscilações de tensão, fez aumentar as reclamações dos consumidores, que passaram a
exigir boa qualidade na distribuição de energia elétrica. Por conta disso, hoje se
encontram instalados em vários pontos daquele país dezenas de milhares de
reguladores, fornecendo aos pontos de consumo uma regulação de tensão adequada e
conferindo qualidade ao fornecimento de energia. Isso traz pelo menos três
conseqüências benéficas:
9
Satisfação do consumidor;
9
Redução das perdas na distribuição;
9
Aumento do faturamento das concessionárias de energia elétrica.
O Brasil apresenta certa similaridade com os EUA no que se refere ao espaço
territorial, o que viabiliza a utilização dos reguladores de tensão. Estes têm grande
aceitação por parte das concessionárias, por razões econômicas, de simplicidade e
versatilidade. Além disso, hoje há reguladores de tensão totalmente fabricados no
Brasil, o que elimina os problemas de obtenção de peças de reposição verificados até
1986, quando tais equipamentos eram total ou parcialmente (comutador de derivações
em carga) importados dos EUA. Na seção 2.2.1 é mostrado o princípio de
funcionamento do regulador de tensão, bem como alguns detalhes com relação à
comutação sob carga. A seção 2.2.2 apresenta detalhe do funcionamento do regulador
de tensão do tipo degrau, sendo apresentado, na seção 2.2.3, os tipos de reguladores
monofásicos do tipo degrau normalmente encontrados, bem como uma análise
18
comparativa entre eles. Na seção 2.2.4 é feita uma análise sobre o sistema de controle
do regulador de tensão.
2.2.1 Principio de funcionamento do regulador de tensão
O princípio de funcionamento de um regulador de tensão é similar a de um
auto-transformador, ou seja, existe, além do acoplamento magnético entre o primário e
o secundário, um acoplamento elétrico, conforme ilustra a figura 2-1
Figura 2-1 - Auto-transformador
Há duas formas de se executar a ligação elétrica entre o primário e o
secundário, tornando o auto-transformador elevador conforme figura 2-2, ou abaixador
conforme figura 2-3.
Figura 2-2 - Auto-transformador elevador
Figura 2-3 - Auto-transformador abaixador
19
Conforme pode ser visto nas figuras 2-2 e ,2-3, é a polaridade das bobinas que
determina a ligação elétrica para o auto-transformador funcionar como abaixador ou
elevador.
Portanto, vamos adicionar uma chave inversora de polaridade no circuito, para
possibilitar que o auto-transformador funcione como elevador e abaixador, conforme a
figura 2-4.
Figura 2-4 - Chave inversora de polaridade
Adicionando tape’s a bobina “C”, passamos a ter degraus de tensão, conforme
figura 2-5.
Figura 2-5 - Tape´s de derivação
Logo, se a carga estiver ligada no tape 1, e se for preciso alterar sua ligação
para o tape 2, será necessário interromper o circuito, ou seja, desligar o regulador.
Para que isso não aconteça, a solução é adicionar um reator ao circuito, porque
enquanto uma das extremidades (pernas) do reator é deslocado para o tape 2, a
alimentação da carga se
figura 2-6.
faz através da outra extremidade do reator, conforme
20
Figura 2-6 - Reator
Considere, para isso, com o intuito de melhorar o detalhamento do circuito do
reator, um pedaço da bobina “C”. Considere ainda que inicialmente as duas
extremidades do reator estejam na posição 0 (neutra), conforme figura 2-7:
Figura 2-7 - Reator posição de neutro
Finalmente, considere que a outra extremidade do reator altere (viaje) para o
próximo tape como mostra a figura 2-8. A tensão aplicada aos terminais do reator é
Vd, mas a tensão na carga aumentará ou diminuirá na proporção de
center tape, o que explica o reator ser um divisor de tensão.
Vd
, devido ao
2
21
Figura 2-8 - Reator posição de tap 1
Analisando o circuito da figura 2-8, quando “B” sair do tap 0, e estiver sendo
deslocado para o tape 1, a energização do circuito se fará através de “A”, conforme já
explicado anteriormente.
Ao ser aplicada a tensão Vd sobre os terminais do reator, circula uma corrente
interna, IC (figura 2-9). Esta corrente deve ser limitada para que não ocorra o desgaste
excessivo dos contatos do comutador e a vida útil dos mesmos seja preservada.
A determinação do limite da corrente circulante interna no reator parte do
princípio da extinção de arco em um circuito conforme ilustra a figura 2-9.
Figura 2-9 - Corrente circulante
Analisando a figura 2-9 as equações 2-1 e 2-2 podem ser inferidas, utilizando
as Leis de Kirchhoff no referido circuito.
22
VR = 2Vb – Vd
Equação 2-1
Onde VR é a tensão sobre a chave no momento da comutação, Vb a tensão em
cada metade da bobina do reator e Vd a tensão na bobina principal do equipamento.
IR = ½IL - IC
Equação 2-2
Onde IR é a corrente de arco que circula durante a comutação de tape, Ic é a
corrente circulante interna no reator e IL é a corrente da carga..
A partir deste ponto, desenvolveram-se estas equações e conclui-se que o
reator deve ser projetado para uma corrente circulante dada pela equação 2-3, onde a
idéia é de se fazer com que a corrente de arco durante a comutação caia a zero. A
tolerância para o ensaio de corrente circulante é de ± 20%.
IC = 50% IL
Equação 2-3
O núcleo do reator possui de 1 a 2 “Gap’s” que são dimensionados para que a
corrente circulante se estabeleça dentro dos parâmetros anteriores. Estes “gap’s” são
preenchidos com fenolite ou premix [1]. Contudo, ao longo da vida útil do regulador, o
“gap” pode aumentar ou diminuir devido a vibrações e/ou temperatura e a calibração
da corrente não corresponder aos parâmetros anteriores. Para exemplificar os cálculos
para efeito de recalibração do reator, considere o regulador com as seguintes
características:
HCMR - 60Hz – 138kVA (1380 kVA) – 13800V ± 10% (32 degraus) – 100A.
Projeto
⇒
IC = 0,5 x 100 = 50A ± 20%
Campo
⇒
Supondo: IC = 70 A
Medindo o Gap = 2 x 10,5 = 21mm
Para recalibrar se faz a proporção direta, a saber:
70 A corresponde a 21mm
23
50 A corresponde a X
Então X = 15mm ⇒ 2 x 7,5mm
O reator apresenta a característica de possibilitar a circulação da corrente de
carga, IL, não constituindo impedância para esta corrente. Isto acontece por causa do
center tape, que promove a circulação da metade de IL por um lado do reator (A) e a
outra metade de IL por outro lado do reator (B), conforme figura 2-10.
Figura 2-10 - Fluxos magnéticos no reator
De acordo com a figura 2-10, tem-se que os fluxos magnéticos,
pela corrente,
φL
2
, criados
IL
, se anulam, o que em um circuito indutivo significa que a tensão
2
induzida na bobina do reator devido a circulação da corrente de carga é zero, ou seja:
Vinduzida = N
dφ
=0
dt
Equação 2-4
Entretanto, um desgaste nos contatos do comutador pode ocorrer. Para
analisarmos este efeito, considere os dois circuitos mostrados nas figuras 2-11 e 2-12.
No circuito da figura 2-11, como não existe tensão aplicada sobre o
reator ⇒ IC = 0.
24
Figura 2-11 – Ausência de tensão no reator
Já no circuito da figura 2-12, como existe tensão aplicada sobre o
reator ⇒ IC ≠ 0.
Figura 2-12 – Presença de tensão no reator
A alternância da corrente circulante de zero (figura 2-11) para o valor 50% IL
(figura 2-12) durante as comutações do regulador, causaria um elevado desgaste dos
contatos do comutador devido ao L
di
, ou seja, a taxa de variação de corrente de zero
dt
para 50% seria elevada, o que causaria o aumento da tensão de arco e
conseqüentemente da potência de arco.
Para resolver este problema e manter a corrente circulante no reator constante
em 50% IL , independentemente da posição do comutador, adiciona-se uma bobina de
equalização ao circuito do reator, conforme ilustra a figura 2-13.
25
Figura 2-13 - Bobina de equalização
Note que a bobina de equalização se localiza na parte ativa do transformador
principal do regulador, que possibilita que esta bobina seja um elemento ativo, ou seja,
uma fonte de tensão no circuito do reator, quando o mesmo estiver na condição do
circuito ilustrado pela figura 2-11. Sendo assim, analisando o circuito da figura 2-14,
percebe-se que a corrente circulante nesta condição muda de sentido, mas se mantém
em módulo.
Figura 2-14 - Corrente circulante
2.2.2 Funcionamento do regulador de tensão do tipo degrau
O equipamento regulador de tensão de 32 degraus permite que se obtenha em
seus terminais de saída ou em um ponto remoto do sistema uma tensão constante e
pré-determinada. Ao contrário do regulador auto-booster, o regulador de tensão do tipo
26
degrau (figura 2-15) pode elevar ou reduzir o valor da tensão dos seus terminais de
entrada.
O regulador de tensão de 32 degraus compõe-se basicamente de um
autotransformador dotado de várias derivações no enrolamento série, uma chave
reversora de polaridade que permite adicionar ou subtrair a tensão do enrolamento
série e um controle de componentes estáticos que possibilita realizar os ajustes
necessários à regulação da tensão no nível pretendido. Estes reguladores são
particularmente utilizados em redes de distribuição rural de grande comprimento, que
alimentam em seu percurso comunidades urbanas. Podem ser instalados na saída do
alimentador da subestação ou em determinados pontos da rede. Algumas vezes, os
reguladores são utilizados para regular toda a barra da subestação em vez de somente
um alimentador.
Para uma queda de tensão muito elevada, pode-se utilizar os reguladores de
tensão de 32 degraus, os reguladores de tensão auto-booster e bancos de capacitores
em derivação. Entretanto, deve-se limitar o uso de reguladores de tensão a ser aplicado
num determinado alimentador em função da capacidade térmica dos condutores ou
com base nas perdas ôhmicas decorrentes.
Para melhor entender o funcionamento de um regulador de 32 degraus, podese analisar o esquema apresentado pela figura 2-15. Nele, a tensão da fonte é elevada a
um comutador de tape que pode variar do ponto neutro N até a derivação 8 ao longo
do enrolamento série. Um transformador de potencial (um TP), instalado no lado da
carga, envia um sinal para o relé regulador de tensão (o controle) e este, irá analisar
este sinal comparando-o com uma tensão de referência pré-ajustada por um operador.
Assim, o controle irá comandar a ordem para elevar ou reduzir a tensão, através da
chave reversora. Se a chave de reversão estiver na posição VL e o comutador de
derivação for assumindo tapes em ordem crescente a tensão de saída vai diminuindo.
Se a chave de reversão estiver posicionada no ponto VR ocorre o processo inverso.
27
Figura 2-15 - Esquemático do regulador de tensão
Nota-se no mesmo circuito, a presença de um transformador de corrente
(o TC) instalado no lado da carga, cuja finalidade é a de enviar para o controle um
sinal de carregamento da linha, compensando as quedas de tensão que venham a
ocorrer no sistema.
2.2.3 Tipos de regulador por degraus
Os tipos de reguladores por degraus, conforme NBR 11809 – Item 3.10, são:
Tipo A
Chamado de regulador com excitação variável, uma vez que a bobina de
excitação, B, sente qualquer variação de tensão da fonte. Logo, o
regulador é variável, conforme ilustra a figura 2-16.
Figura 2-16 - Regulador tipo A
Volt
deste
Espira
28
Tipo B
Chamado de regulador de excitação constante, uma vez que a bobina de
excitação B se localiza no lado de carga, não sentindo variações de tensão. Logo o
Volt
deste regulador é constante, conforme ilustra a figura 2-17.
Espira
Figura 2-17 -Regulador tipo B
Para o regulador tipo A vamos utilizar como referência para este cálculo o
regulador com as seguintes características: 13800V ± 10% - 100A, fazendo uma
regulação de 1380V para a carga.
Analisemos este regulador operando como regulador elevador como ilustra a
figura 2-18.
Figura 2-18 - Elevador (R16)
Considere-se a seguinte equação
VB I C
=
, onde:
VC I B
VB, IB, VC, IC são a tensão e corrente nas bobinas B e C, respectivamente.
29
Logo,
13800 I C
=
⇒ IC = 10 IB
1380
IB
Ainda, IF = IB + IL e IC = IL
Então,
1) I L = 10 I B ⇒ I B =
I L 100
=
= 10 A
10 10
2) IF = IB + 100 = 10 + 100 = 110A
Para se analisar como este mesmo regulador, por exemplo, opera como
regulador abaixador, considere a figura 2-19.
Figura 2-19 - Abaixador (L16)
Logo, para IL=IC = 10IB
IF = - IB + IL
Então, se
IB = 10 A, tem-se
IF = 90A
30
Para o regulador do tipo B será considerado como referência para o cálculo
das correntes o mesmo regulador utilizado para o tipo A, ou seja, o regulador 13800V
± 10% - 100A, fazendo uma regulação de 1380V para a carga.
Considere inicialmente este regulador operando como regulador elevador
como ilustra a figura 2-20.
Figura 2-20 - Elevador (R16)
Logo,
13800 I C
=
⇒ IC = 10 IB
1380
IB
Ainda, IF = IB + IL e IF = IC
Então,
1) I C =
I C 100
=
+ IL
10 10
IC – 0,1IC = 100
0,9IC = 100
IC =
100
= 111,1A
0,9
2) IB = 11,1A
Finalmente, a análise que se segue, mostra este mesmo regulador operando
como regulador abaixador como ilustra a figura 2-21.
31
Figura 2-21 - Abaixador (L16)
Logo,
1) IC = 10 IB
2) IF = - IB + IL
Então,
1) I C = −
IC
+ 100
10
1,1 IC = 100
IC = 90,9A
Logo, será visto a análise comparativa entre os reguladores tipo A e tipo B:
Considerando que a regulação do tipo A é de + 9,1% até – 11% e a do tipo B é de ±
10%, tem-se que a regulação do tipo A e do tipo B são obtidos conforme mostrado nas
tabelas 2-1 e 2-2, respectivamente.
Tabela 2-1- Tensões fonte/carga para o regulador tipo A
TENSÃO NA FONTE (V)
TENSÃO NA CARGA (V)
13800
13800
(- 10%) = 12420
(12420 + 1242) = 13662
(+ 10%) = 15180
(15180 – 1518) = 13662
12544
13800
15332
13800
A conclusão é que
este regulador não
consegue regular ±
10%.
32
Concluindo:
12544
x100% = 90,0% ⇒ Re gula + 9,1%
13800
15332
x100% = 111,1% ⇒ Re gula − 11,1%
13800
Tabela 2-2 -Tensões fonte/carga para o regulador tipo B
TENSÃO NA FONTE
TENSÃO NA CARGA
(V)
(V)
13800
13800
(- 10%) = 12420
(12420 + 1380) = 13800
(+10%) = 15180
(15180 – 1380) = 13800
Concluindo:
12420
x100% = 90,0% ⇒ Re gula + 10%
13800
15180
x100% = 110% ⇒ Re gula − 10%
13800
Analisando a tabela 2-3, conclui-se que, como IC é 11,1% maior no regulador
tipo B se comparada ao tipo A, as perdas no enrolamento “C” são maiores que no tipo
A. Logo o tipo B tende a ser um regulador maior porque demanda mais radiador para
sua refrigeração.
Tabela 2-3 - Comparação entre o tipo A e o tipo B
R16
TIPO A
TIPO B
IF (A)
110
111,1
IC (A)
100
111,1
IB (A)
10
11,1
33
L16
IF (A)
90
90,9
IC (A)
100
90,9
IB (A)
10
9,09
É importante observar ainda que o regulador do tipo B possui apenas um
TP para alimentar o relé e o motor do comutador. O tipo A possui dois TP’s, um
para o relé e outro para o motor, como ilustram as figuras 2-22 e 2-23.
Figura 2-22 - Regulador tipo B com um TP
Figura 2-23 - Regulador tipo A com dois TP´s
2.2.4 O sistema de controle (Relé regulador)
O sistema de controle dos reguladores monofásicos é composto por elementos
estáticos e permite obter grande versatilidade do equipamento quando em operação.
Serão apresentadas nesta seção, as principais características dos sistemas de controle
em reguladores de tensão monofásicos por degraus.
34
Conforme descrito no item 2.2.2, existe nos reguladores por degraus um TP
instalado no lado da carga que fornece uma amostra da tensão da carga. Em circuitos
de baixa tensão, normalmente o valor da tensão do secundário deste TP é 120V e
quando o regulador está com tensão nominal aplicada no primário do TP, o sensor de
tensão do relé regulador tem a finalidade de comparar a tensão fornecida pelo TP com
a tensão de referência ajustada. Logo, supondo que esta seja de 120V, se houver uma
alteração para mais ou para menos da tensão fornecida pelo TP, o relé regulador
comandará o comutador de forma a ajustar a tensão do lado da carga até que se tenha
120V no secundário do TP e, conseqüentemente, tensão nominal no lado da
carga. Caso haja necessidade de operação em sistemas com tensão nominal diferente a
do regulador, pode-se atuar neste controle para adequar o funcionamento. Alguns
fabricantes fornecem o regulador com possibilidade de funcionamento em tensões
diferentes da nominal, bastando para isso modificar ligações no controle ou atuar em
chaves, etc.
Um ajuste de insensibilidade pode ser feito, de modo a determinar a faixa de
precisão a partir da tensão de referência, dentro da qual o regulador considera que
não há necessidade de comutação. Normalmente os reguladores são fornecidos com
largura de faixa de 1,5 a 6V ou ±0,6% a 6% da tensão de referência como ilustrado na
figura 2-24.
Figura 2-24 - Largura de faixa do regulador
Esta faixa de precisão pode ser utilizada, em alguns casos, como uma
vantagem para o próprio equipamento, uma vez que, quanto maior esta faixa, menos
35
operações de comutação serão feitas, minimizando os desgastes internos, nos casos em
que seja este um ponto crítico a considerar [2].
Um ajuste de temporização também pode ser feito. A finalidade da
temporização é evitar comutações desnecessárias em função de variações rápidas de
tensão. Sem ela ocorreria um número excessivo de comutações, provocando desgaste
mecânico acelerado do comutador. Dessa forma, a correção de tensão se dá somente
para variações de tensão cujas intensidades estejam fora dos valores ajustados pela
tensão de referência e largura de faixa, e ainda, por período maior que o determinado
na temporização. A faixa de temporização normalmente fornecida é de 10 a 120s, em
incrementos de 10s.
Este controle também apresenta uma outra função importante, que é a
coordenação de dois ou mais reguladores de tensão ligados em cascata; o mais
próximo à fonte deve responder mais rápido às variações de tensão para evitar um
número de operações excessivas dos demais reguladores. Normalmente, o regulador
mais próximo à fonte tem a temporização ajustada em 30s e os demais em 45s, em
incrementos de 15s para cada banco em cascata.[1].
Um compensador de queda de tensão é um componente que simula a
impedância da linha desde o banco de reguladores até o ponto onde se deseja que a
tensão seja constante. O circuito básico do compensador simula as quedas de tensão
existentes na linha, fazendo com que o regulador as compense.
Este tipo de regulador com compensador de queda de tensão é geralmente
utilizado em subestações de distribuição com o propósito de regular a tensão em um
ponto remoto à frente ao longo de um alimentador primário de distribuição. Em alguns
casos, esta é uma interessante estratégia de controle de tensão[2].
O secundário do TP, que fornece a amostra da tensão do lado de carga, é
colocado em série com um circuito cuja resistência e indutância são imagens da
resistência e indutância da linha, como pode ser visto na figura 2-25. Quando o
regulador é submetido à carga, circula no TC uma corrente proporcional ao
carregamento e, conseqüentemente aparece uma queda de tensão em Rc e Xc
proporcional a queda de tensão da linha.
36
Figura 2-25 - Compensador de queda de tensão na linha
Neste caso, a tensão “vista” pelo relé regulador é a tensão do secundário do TP
menos a queda provocada pelo compensador. Logo o relé posicionará o regulador de
maneira a restabelecer o equilíbrio entre a tensão que ele “vê” e a tensão de saída do
regulador. Assim esta tensão de saída é maior que aquela considerada para o sistema,
porém, devido à queda de tensão na linha, a tensão na carga ficará constante.
O regulador de tensão permite o aumento da corrente passante (aumento de
carga) com a redução da faixa de regulação. A faixa de regulação máxima normalizada
é de ±10%. Porém, há no regulador ajustes capazes de limitar esta faixa nos seguintes
pontos: ±10%, ±8,75%, ±7,5%, ±6,25% e ±5,0%. A atuação deste controle faz com
que o comutador de derivações em carga seja bloqueado automaticamente ao atingir a
tensão da faixa de regulação ajustada.
A corrente de Load Bônus deve ser limitada em 668 A, conforme NBR
11809/1992. Pode-se ver na tabela 2-4 as faixas de regulação com suas respectivas
correntes suplementares, conforme a NBR citada anteriormente.
Tabela 2-4 - Faixas de regulação x corrente
FAIXA DE REGULAÇÃO
TENSÃO (%)
10,0
8,75
7,5
6,25
5
CORRENTE SUPLEMENTAR
(% DA CORRENTE NOMINAL)
100
110
120
135
160
37
Os reguladores de tensão são geralmente instalados em circuitos com cargas
distribuídas ao longo da linha. No caso de uso de compensador de queda na linha,
como já mencionado nesta seção, as cargas imediatamente após o regulador de tensão
podem ficar submetidas a tensões inadequadas. Para proteger estas cargas é
recomendável o uso do limitador de tensão. Este limitará a tensão na saída do
regulador dentro de um valor preestabelecido, de forma a não prejudicar os
consumidores próximos, como na figura 2-26.
Figura 2-26- Consumidores ao longo da linha – Vi é o ponto de regulação
Os reguladores de tensão são geralmente instalados em circuitos com fluxo de
potência unidirecional (fonte-carga), entretanto, quando instalados em alguns circuitos
de didtribuição do tipo “anel”, pode ocorrer a inversão do fluxo de carga.
Quando da ocorrência deste fenômeno, o regulador terá um comportamento
inadequado, podendo causar sobretensões ou subtensões no circuito ligado ao terminal
fonte do regulador.
Para propiciar uma operação adequada e segura nestas condições o relé
regulador possui um “detector de fluxo inverso de potência”. Este é capaz de detectar
automaticamente a inversão do fluxo e fazer as seguintes alterações no funcionamento
do regulador, de modo a adequar sua operação:
9
Inversão no sentido de rotação do motor do comutador sob carga;
9
Conexão do relé regulador a um TP (opcional) instalado no lado da fonte
do regulador ou através da compensação de tensão feita pelo próprio controle
em função da tensão da fonte e de quanto o regulador deverá aumentar ou
reduzir a tensão para regular a tensão na carga. Note que o projeto do
38
regulador pode utilizar uma destas opções, cabendo ao fabricante fazer a
opção;
9
Inversão da polaridade do compensador de queda na linha.
Se o fluxo for novamente invertido para o sentido normal, o relé,
automaticamente, faz as alterações necessárias ao circuito, a fim de adequá-lo ao seu
funcionamento normal. Deve-se, contudo, atentar para não aplicar este acessório
quando existe a possibilidade de funcionamento de fontes em paralelo, como ilustra a
figura 2-27.
Figura 2-27 - Regulador aplicado a sistema com fontes em paralelo
Neste caso não é recomendável a utilização do regulador de tensão como
acessório interligador dos sistemas, uma vez que quando o fluxo de potência for
indefinido poderá ocorrer instabilidade no sistema de controle do regulador.
O relé de controle pode possibilitar a comunicação de dados através de um
software, a ser fornecido junto aos reguladores, para comunicação via serial RS-232
quando, por exemplo, um notebook é conectado ao relé. Através deste software, se tem
acesso a dados como tensão na saída do banco de reguladores, corrente de carga,
demanda máxima, potência ativa, potência reativa, potência aparente, fator de
potência, tensão e corrente na saída do banco refletida no circuito do relé, alteração de
ajustes diversos, memória de massa contendo dados como tensão de saída do banco,
corrente de carga, posição do comutador de tap’s em intervalos ajustáveis de 1 em 1
minuto até 60 em 60 minutos, como requerido pelo usuário. Este relé possui dois
protocolos para comunicação remota (automação): o protocolo mod-bus e o
DNP 3.0. A aplicação do protocolo depende do receptor que é de responsabilidade do
39
usuário. A automação pode ser feita através de rádio, satélite, fibra óptica e outros
meios aplicáveis, sendo de escolha do usuário. Para cada aplicação, o usuário deve
especificar para a compra dos reguladores, qual o meio de intercomunicação para
automação para que o fabricante possa possibilitar para que o projeto do controle tenha
condições para tal aplicação.
2.3 Tipos de conexões em bancos de reguladores
Um regulador pode regular um circuito monofásico ou uma fase de um
trifásico em estrela ou delta. Dois reguladores ligados em delta aberto ou três
reguladores em delta podem regular um circuito trifásico. Quando ligados em estrela
aterrada, três reguladores podem regular um trifásico a quatro fios. Entretanto, três
reguladores não podem ser ligados diretamente em estrela em um trifásico a três fios
pois pode haver deslocamento do neutro. Em um sistema trifásico a três fios, três
reguladores podem operar em estrela se seu neutro for ligado ao neutro de um banco
de transformadores ligados em estrela.
Na figura 2-28 podemos ver a regulação de tensão em um circuito monofásico.
Figura 2-28 – Circuito monofásico
Na figura 2-29 observa-se a regulação de uma fase em um circuito trifásico a
quatro fios.
40
Figura 2-29 - Regulação em uma fase
Segue na figura 2-30 a regulação em três fases, com dois reguladores em
trifásico a três fios.
Figura 2-30 -Regulação em três fases com dois reguladores
Na figura 2-31 nota-se a regulação em três fases, com três reguladores
multiaterrados em estrela em circuito trifásico a quatro fios.
Figura 2-31 - Regulação de circuito trifásico a quatro fios
41
Segue na figura 2-32 a regulação em três fases, com três reguladores em
trifásico a três fios.
Figura 2-32 - Regulação de circuito trifásico a três fios
Um fato interessante descoberto durante as pesquisas sobre os reguladores de
tensão, é que o uso de bancos reguladores de tensão monofásicos, como os mostrados
anteriormente, reduzem o custo em aproximadamente 25%, quando comparados ao
uso de reguladores trifásicos[3].
2.4 Dimensionamento de reguladores
Segue abaixo, na tabela 2-5 os reguladores padronizados pela norma
NBR11809/1992.
Tabela 2-5 - Padronização de reguladores
TENSÃO
TENSÃO
LIGAÇÃO DO
NOMINAL NOMINAL DO
BANCO DE
DO SISTEMA REGULADOR
REGULADORES
(V)
(V)
NÍVEL
BÁSICO DE
IMPULSO
4160
2400
ESTRELA COM
NEUTRO
ATERRADO
60
8320
4800
ESTRELA COM
NEUTRO
ATERRADO
75
POTÊNCIA
NOMINAL
DO
CORRENTE
REGULADO DE LINHA (A)
R
(KVA)
200
50
300
75
400
100
500
125
668
167
1000
250
100
50
150
75
200
100
250
125
334
167
42
13200
7620
ESTRELA COM
NEUTRO
ATERRADO
13800
13800
TRIÂNGULO
24940
34500
95
95
14400
ESTRELA COM
NEUTRO
ATERRADO
150
(TENSÃO
APLICADA
= 50KV)
19920
ESTRELA COM
NEUTRO
ATERRADO
150
(TENSÃO
APLICADA
= 50KV)
250
333
38,1
57,2
76,2
114,3
167
250
333
416
509
69
138
207
276
414
552
500
668
50
75
100
150
219
328
438
546
668
50
100
150
200
300
400
72
144
216
288
333
432
576
667
833
100
200
333
400
667
833
50
100
150
200
231
300
400
463
578
50
100
167
201
334
418
Utilizando a tabela anterior, segue um exemplo de como dimensionar um
regulador. Considere como dados:
Carga de 10MVA;
Tensão da regulação: 13800V;
Fonte em estrela com resistência de aterramento menor que 20 Ohms;
Ligação do banco em estrela.
Para isso, a corrente é:
I=
10000kVA
3 x13,8kV
= 418 A
43
A tensão nominal do regulador deve ser:
VN =
13800
3
= 7967V
Analisando a tabela anterior, escolhemos o regulador de 333kVA – 7620V –
438A, e com tensão adicional 7967V.
2.5 Conclusões
Como pode ser visto, o regulador de tensão é um equipamento de suma
importância no que diz respeito à regulação de tensão, e em se tratando do regulador
de 32 degraus, este vem se mostrando bastante eficiente, apesar de, já existir regulador
de maior eficiência quanto à regulação como é o caso do regulador de indução.
No próximo capítulo, será apresentado o tipo de sensor de corrente, proposto
neste estudo, para se promover a aquisição de dados, a níveis aceitáveis para
processamento em uma placa controladora, para compor o sistema de auto proteção do
equipamento regulador de tensão.
44
3
AQUISIÇÃO DE DADOS – O SENSOR DE CORRENTE
O objetivo principal deste capítulo é o de mostrar como foi solucionado um
dos problemas para se promover a aquisição de dados que, inicialmente, foi o de
converter correntes alternadas cujos valores podem superar os 500 A e com nível de
isolação da ordem de 15kV, em um sinal que possa ser analisado por uma placa
controladora. Para isso, serão abordados neste capítulo, os tipos de sensores de
corrente pesquisados, durante este estudo, para exercer a função de monitoramento da
corrente nos reguladores de tensão monofásicos de 32 degraus, bem como o circuito
que transformará o sinal de tal sensor em um sinal que possa ser analisado, por
exemplo, por um microcontrolador do tipo PIC. Também fará parte deste, mostrar os
resultados de simulação com o ORCAD 9.2 e fazer um comparativo com os resultados
medidos em placa de protoboard fazendo uso de osciloscópio.
3.1 A localização do sensor no equipamento regulador de tensão
No decorrer deste estudo, foram analisadas inicialmente as possibilidades de
se fazer o sensoriamento da corrente diretamente nos condutores externos ligados ao
lado da fonte e/ou no lado da carga do equipamento regulador de tensão como pode ser
visto na figura 3-1 que ilustra a vista superior de um circuito monofásico.
Figura 3-1 - Localização dos sensores de corrente
45
Outro tipo de análise levada em consideração foi a necessidade de se fazer o
sensoriamento da corrente tanto no lado da fonte, como no lado da carga
simultaneamente, o que não se fez necessário, como será discutido posteriormente.
Ainda com relação à localização do conjunto de monitoramento da corrente
como um todo (sensores, circuito amplificador e placa controladora) o mesmo deverá
localizar-se externamente ao equipamento regulador de tensão, formando um conjunto
junto à placa controladora responsável pelo processamento dos dados provenientes do
monitoramento da corrente, como exemplifica a figura 3-2, de modo que não venha a
interferir no funcionamento do equipamento regulador de tensão, a não ser que a
intervenção seja proveniente de uma “decisão” tomada pela placa controladora após a
análise dos dados monitorados, a fim de se promover a autoproteção do equipamento
regulador de tensão.
Figura 3-2 - Localização do módulo de proteção
3.2 O sensor tipo garra de corrente
Ao iniciar o estudo sobre o sensor de corrente a idéia inicial era a de se fazer o
uso de sensor do tipo garra de corrente. Este sensor é muito utilizado em amperímetros
do tipo alicate e pode ser encontrado separadamente, ou seja, apenas a garra de
corrente .
As garras de corrente tem como função transformar correntes altas em tensões
bem pequenas na faixa de mV, para que seja possível medir altos valores de corrente
em um multímetro. Esta transformação acontece da seguinte maneira: quando uma
dada corrente alternada é aplicada na garra, esta gera um campo magnético, este
46
campo magnético vai induzir uma tensão nos terminais do multímetro e este irá
amostrar o valor em mV o qual deverá ser transformado em A.
A garra para corrente AC transforma o valor da corrente AC medida em um
condutor em uma referência de tensão AC RMS, ou seja, deve ser utilizada em
conjunto com um medidor de tensão AC para que o valor transformado possa ser
apresentado em um mostrador. Este medidor de tensão pode ser um multímetro, no
entanto deve apresentar algumas características específicas, como medir tensão AC,
possuir impedância de entrada maior ou igual a 1Mohm e possuir uma faixa escala de
medida de 2V ou mais sensível.
Já com correntes DC, é aplicada uma dada corrente em um certo tipo de
material, este material gera diferença de potencial entre as suas extremidades, esta
diferença de potencial será enviada para os terminais do multímetro, no qual estará
amostrando o resultado em mV.
A relação de transformação das garras de corrente, como por exemplo, nos
modelos “Minipa 265” e “CA-600” é a seguinte: 1mV/A, isso quer dizer que se a garra
estiver recebendo 300A ela irá transformar para 300mV e é este o valor que vai ser
enviado para o multímetro.
Com relação a se fazer uso deste tipo de sensor como elemento
acondicionador de corrente, algumas das características analisadas em catálogos de
fabricantes [4], se enquadram no perfil do sensor procurado, entre elas destacam-se:
9
Erro de leitura variando de 0,5 a 2% dependendo do modelo e da faixa de
leitura das garras;
9
Faixa de corrente a ser medida podendo ser encontrada desde mA até
3kA em alguns modelos de garras;
9
Sinal de saída da garra de corrente compreendido entre 0 e 1V.
À primeira vista, este sensor, como pode ser visto nos dados acima, se
enquadraria perfeitamente no perfil do sensor procurado, não fosse um outro fator
muito importante a ser levado em consideração que é o nível de isolação destes
aparelhos. As garras de corrente possuem um nível de isolação de 300V ou 600V
47
dependendo da sua categoria e em alguns modelos podem chegar aos 750V. Segundo
um dos fabricantes consultados[4], fazer uso das mesmas para efetuar medidas de
corrente em níveis de tensão da ordem de 15kV torna-se inviável devido ao campo
elétrico gerado nestes níveis de tensão, que criam correntes induzidas que interferem
na isolação da garra de corrente e pondo em risco a utilização da mesma.
Dados os fatos expostos anteriormente com relação ao uso da garra de corrente
como elemento sensor em reguladores de tensão, chega-se num primeiro momento, a
conclusão de que fazer uso da mesma é inviável por ser este um sensor que apresenta
incompatibilidade técnica com relação aos níveis de tensão a que estão sujeitos os
equipamentos reguladores de tensão monofásicos de 32 degraus.
3.3 O sensor de efeito hall
Uma das opções que este estudo veio a considerar foi o uso do sensor de efeito
Hall para o monitoramento da corrente nas condições previstas anteriormente. Custo,
desempenho e benefício são algumas considerações a serem questionadas quanto ao
uso deste tipo de tecnologia. Muitas vantagens podem influenciar na decisão do uso
deste tipo de sensor como, por exemplo, a alta velocidade de operação, a larga faixa de
temperatura (-40ºC a +150ºC), isolação galvânica e a ausência de partes móveis.
3.3.1 O efeito Hall
Será descrito, um pouco sobre a teoria do efeito hall. Quando um condutor
percorrido por uma corrente elétrica é inserido em campo magnético, gera-se uma
tensão que é perpendicular a corrente e ao campo magnético, este princípio é
conhecido como o efeito Hall. A figura 3-4 ilustra o princípio básico do efeito Hall.
Ela mostra uma lâmina fina de material semicondutor, o elemento Hall, sendo
percorrido por uma corrente. Quando não temos a presença do campo magnético, a
distribuição da corrente é uniforme e não temos diferença de potencial no lado da
saída, ou seja, V=0.
48
Figura 3-3 - Princípio básico do efeito Hall
Quando um campo magnético perpendicular à corrente está presente, como
pode ser visto na figura 2-5, a força de Lorentz é exercida sobre a corrente, causando
um distúrbio na distribuição da mesma, resultando em uma diferença de potencial no
lado da saída, resultando em V≠0. A interação do campo magnético e da corrente é
mostrada pela equação 2-1, onde VH é a tensão Hall, I a corrente que circula no
material semicondutor e B a intensidade do campo magnético.
Figura 3-4 - Campo magnético x corrente
VH ∞ I x B
Equação 3-1
Os sensores de efeito Hall podem ser aplicados em diversos tipos de
dispositivos. Se o parâmetro a ser percebido pelo sensor puder ser incorporado por um
campo magnético, um sensor de efeito Hall poderá ser utilizado.
O elemento Hall é um sensor de campo magnético básico, ele requer um
condicionamento de sinal para que a saída possa ser usada em diversas aplicações. O
sinal eletrônico condicionado precisa passar por um estágio de amplificação e de
compensação de temperatura, como pode ser visto no esquema básico da figura 2-6.
49
Figura 3-5 - Circuito condicionador de sinal
A tensão Hall ( VH ) é um sinal de baixo nível, da ordem de 30microvolts na
presença de um campo magnético de 1 gauss [5]. Este baixo nível de saída requer uma
amplificação com baixo ruído, alta impedância de entrada e ganho moderado. Um
amplificador diferencial com estas características pode ser integrado com o elemento
Hall usando a tecnologia padrão de transistor bipolar. A compensação de temperatura
também pode ser facilmente integrada. O propósito do regulador mostrado na
figura 2-5 é a de manter a corrente constante para que a saída do sensor reflita apenas a
intensidade do campo magnético.
3.3.2 O sensor de corrente
Ao se pesquisar por sensores de efeito Hall procurou-se fazer a opção por
fabricantes que promovem o desenvolvimento, fabricação e produção de sensores e
instrumentos dedicados ao sensoriamento e medição de parâmetros elétricos.
Optou-se, neste estudo, em se fazer uso da divisão de sensores do fabricante
SECON, empresa pioneira do Brasil, na produção de sensores de corrente elétrica por
efeito Hall que tem como foco os sensores isolados de grandezas elétricas, oferecendo
assim, um produto de boa qualidade e com tecnologia totalmente nacional.
Na linha de instrumentos, este fabricante oferece uma ampla variedade de
modelos de amperímetros e voltímetros, além de ter uma ampla experiência na criação
50
de soluções definidas em instrumentação digital para medição de parâmetros elétricos
como, por exemplo, em processos de soldagem.
Os sensores de corrente elétrica por efeito Hall realimentado SECON são
especiais por possuírem as seguintes características:
9
Podem medir corrente contínua e alternada;
9
Possuem isolação galvânica;
9
Trabalham em ambiente industrial.
Algumas aplicações dos sensores SECON:
9
Inversores;
9
Solda elétrica;
9
Galvanoplastia;
9
Acionamentos elétricos.
No estudo deste projeto, optou-se pela escolha de um sensor de corrente da
linha CI da SECON , cujo funcionamento será descrito a seguir.
Para se ter uma saída em tensão a partir da saída em correntes dos sensores
SECON é necessário que se coloque um resistor RM como demonstra a figura 3-8.
Figura 3-6 - Resistor RM
A figura 3-9 ilustra as correntes de primário e secundário do sensor.
51
Figura 3-7 - Correntes de primário e secundário
Para se obter maior resolução no sinal de saída em medidas de correntes
baixas, pode-se passar o condutor N vezes pela janela do primário do sensor, como
ilustra a figura 3-10.
Figura 3-8 - Relação Ip x I
Algumas considerações sobre o dimensionamento do resistor RM podem ser
vistas na figura 3-11 e equação 2.2.
Figura 3-9 – Considerações
São elas:
RM2>RM1 e VS2>VS1 para IS2=IS1
Equação 3-2
52
O modelo escolhido em nosso estudo para se promover o monitoramento da
corrente foi o SECOHR 500 BRC, que é um sensor de corrente elétrica por efeito
Hall realimentado, usado para medir corrente contínua e alternada com isolação
galvânica e sinal de saída em corrente (alta imunidade ao ruído). Para ter-se uma saída
em tensão, basta colocar um resistor RL em série com a saída S do sensor, como visto
anteriormente e como mostra o diagrama de conexões na figura 3-12. As dimensões
físicas podem ser vistas na figura 3-13.
Figura 3-10 - Diagrama de conexões
Características técnicas do SECORH 500 BRC:
Corrente nominal:
500 A.
Faixa de medida:
±1000 A.
Razão de saída:
1 : 5000.
Erro total máx (70°C):
±3 % da nominal.
Tensão de alimentação:
±15V DC (±5%).
Temperatura de operação:
70 °C.
Corrente de operação:
25 mA + IS.
Resistência interna a 70°C.
65 ohms.
RLMáx = (13-65. IxMáx )/ IxMáx (IxMáx = Corrente máxima na saída S)
Obs: grande parte do erro (80%) é devido ao erro de offset DC que pode ser
desconsiderado em medidas AC desacopladas.
53
Uma das preocupações com relação a se fazer uso deste tipo de sensor foi com
relação à isolação galvânica citada anteriormente. A questão levantada era de que se o
isolamento galvânico deste sensor seria suficiente para, por exemplo, efetuar medidas
de corrente em um regulador monofásico de 32 degraus operando com um nível de
tensão de 13,8kV. Ao se fazer contato com o fabricante, este afirmou ser possível e
recomendou o uso do modelo SECOHR 500 BRC, visto anteriormente, ou ainda do
modelo SECOHR 500 TC1, por possuírem características semelhantes.
Figura 3-11 – Dimensões do sensor SECOHR 500 BRC
Faremos agora um exemplo de dimensionamento do resistor RL do sensor
SECOHR 500 BRC, segundo a equação 3-3 fornecida pelo fabricante[6].
RLMáx = (13-65. IxMáx )/ IxMáx (IxMáx = Corrente máxima na saída S)
Equação 3-3
Como visto anteriormente, temos que IxMáx ( corrente de operação) será dada
como na equação 3-4.
54
IxMáx = 25mA + IS
Equação 3-3
Tomemos inicialmente IS = 5mA.
Logo, teremos que IxMáx=30mA.
Fazendo-se uso da equação 2-3, chega-se a um valor calculado de 368,33Ω e a
um valor comercial para RL de 390Ω. Para este valor de RL, temos que o novo valor
de IxMáx será de 28,6mA o que implica em uma potência de dissipação de 320mW.
Baseando-se nos cálculos apresentados para o resistor RL, seus dados para
especificação serão: Resistor de 390Ω, 1W, ±10%, para IS = 5mA.
Vista as características do sensor de efeito Hall, estudado até o momento,
conclui-se que este pode vir a ser o sensor ideal a ser utilizado em nosso projeto para
promover o monitoramento de correntes em reguladores monofásicos de tensão de 32
degraus. Um dos inconvenientes apresentados por este tipo de sensor foi o seu custo
elevado, o que nos levou a continuar o estudo a procura de um outro sensor para se
efetuar o monitoramento, como será apresentado a seguir.
3.4 O transformador de corrente toroidal
Um outro tipo se sensor de corrente cogitado neste estudo, foi o transformador
de corrente (TC) do tipo toroidal, um tipo de sensor para monitoramento de correntes
de alto valor que atualmente, são utilizados em aplicações diversas áreas como
companhias de telecomunicações, equipamentos médico-odontológicos, automação,
áudio e de outros setores como o de medição de energia e iluminação.
3.4.1 Os tipos de transformadores de corrente
Veremos inicialmente os tipos de TC´s encontrados no mercado e algumas de
suas características. Seguem abaixo alguns tipos de transformadores de corrente e suas
aplicações:
55
9
TC tipo bucha: Possui o enrolamento secundário isolado e montado no
núcleo, sendo o enrolamento primário constituído de um condutor isolado.
Este condutor é parte integrante de transformadores e disjuntores. São mais
precisos para correntes elevadas e menos precisos para baixas correntes;
9
TC tipo janela: Possui o enrolamento secundário isolado e montado no
núcleo. O condutor passante representa o primário. A diferença em relação ao
TC de bucha é que o ar é utilizado como material isolante. Muito utilizado em
13.8kV;
9
TC tipo barra: Possui o enrolamento primário e secundário isolados e
montado no núcleo. O primário consiste de uma barra colocada no interior da
janela do núcleo. Adequado para resistir a esforços de grandes sobrecorrentes.
Deve-se tomar cuidado na montagem para evitar obstruir a barra por esforços
magnéticos;
9
TC tipo pedestal: Possui o primário e secundário enrolados num núcleo
toroidal, sendo largamente utilizado nas classes de tensão de 25 e 138kV.
3.4.2 O transformador de corrente toroidal
O TC toroidal é um tipo de transformador de corrente que permite que o
condutor principal passe "por dentro" do transformador sem sofrer interrupções. Além
disso, a corrente de magnetização é sensivelmente menor no núcleo toroidal, o que
permite uma maior precisão nas medições.
A alta eficiência do transformador toroidal se deve ao fato de que o núcleo não
apresenta "gaps" (cortes na chapa) como pode ser visto na figura 3-14, que para o
fluxo magnético, são como buracos. Dessa forma, obtém-se um maior desempenho por
meio de uma chapada homogênia e de material superior. Pela sua própria constituição,
esse tipo de transformador oferece vantagens, como baixa irradiação do campo
magnético, operação silenciosa, corrente em vazio baixa, tamanho reduzido, o que o
torna de 40% a 60% mais leve que os convencionais, além de fácil montagem.
56
Durante a pesquisa por fabricantes de TC´s toroidais, foi feita a escolha pelo
fabricante Toroid do Brasil, subsidiária da americana Toroid Corporation of Maryland
(fundada em 1982 e que teve como precursora a empresa Toroid AB, fundada na
Suécia, nos anos 70). Este fabricante possui uma vasta linha de produtos para medir ou
monitorar a corrente elétrica que circula em um condutor, a Toroid do Brasil oferece
uma solução extremamente eficaz, trata-se de transformadores de corrente, utilizados
em conjunto com amperímetros ou circuitos eletrônicos de controle, esses
transformadores têm, justamente, a função de medir e/ou monitorar a corrente elétrica
que circula em um conjunto.
Figura 3-12 - O TC toroidal
O fabricante ainda desenvolve e fabrica esses transformadores para corrente
elétrica desde 10A até 10kA, em diversas relações de corrente, e com diâmetro interno
(janela) que pode variar de 5mm até 250mm. Quando necessário, a empresa ainda
pode produzir um modelo de acordo com as necessidades específicas de cada cliente,
no que se refere às dimensões e características elétricas.
Além das vantagens citadas, o produto ainda oferece um complexo isolamento
entre o condutor ou barramento principal e o circuito eletrônico (ou amperímetro)
57
ligado ao secundário. Os TC's produzidos pela Toroid do Brasil são isolados com
dupla camada de filme de poliéster, resistente a 155ºC, garantindo uma rigidez
dielétrica de até 4kV e tornando os transformadores também indicados para a
aplicação dentro de equipamentos e painéis. A empresa fornece, como opcional, os
TC's já montados em uma base isolante, com terminais e sem isolamento externo e,
quando usado para aplicações em ambientes mais agressivos, pode fornecer o TC
encapsulado em resina epóxi, garantindo maior durabilidade e resistência. Alguns
TC´s toroidais podem ser vistos nas figuras 3-15 e 3-16.
Figura 3-13 - O TC toroidal
Figura 3-14 - O TC e o condutor
À primeira vista, este tipo de TC poderia ser também uma opção para o
monitoramento da corrente, não fosse um problema encontrado com relação ao uso
dos TC´s toroidais da Toróide do Brasil e de outros fabricantes como a Polienge que é
o nível de isolamento que, nos fabricantes pesquisados, não ultrapassa os 4kV podendo
chegar aos 6kV em encomendas especiais. Neste caso, isto veio a se tornar um
problema, já que, o nível de tensão pretendido está em torno de 15kV impossibilitando
o uso dos mesmos.
58
3.5 A escolha do sensor de corrente
Até o momento foram analisadas as possibilidades do uso dos seguintes
sensores para o monitoramento da corrente: a garra de corrente, que se tornou
inaplicável devido ao nível de tensão, o sensor de efeito Hall, que, segundo as
especificações do fabricante atende as necessidades de monitoramento e o TC toroidal
que também deixou a desejar quanto ao nível de isolação que não se mostrou
satisfatório. Na seção seguinte, será mostrada como foi feita a escolha do sensor que
viesse a atender as características necessárias para se promover o monitoramento da
corrente nos reguladores de tensão monofásicos de 32 degraus.
3.5.1 O monitoramento da corrente nos reguladores de tensão monofásicos de 32
degraus
A princípio, o tipo de sensor a ser utilizado poderia vir a ser o sensor de efeito
Hall, porém, no decorrer deste estudo, fez-se necessário um estudo mais detalhado
sobre o monitoramento da corrente pelo próprio equipamento regulador de tensão, uma
vez que, existem funções em seu sistema de controle (Relé regulador) como aquelas
descritas na seção 2.2 que dependem do monitoramento constante da corrente de
carga. Para isto, foram adquiridos catálogos de fabricantes de reguladores de tensão
monofásicos de 32 degraus da Thoshiba, e da Cooper Power Systems, ambos
fabricantes e fornecedores de reguladores de tensão monofásicos de 32 degraus
utilizados pelo sistema da ESCELSA, por exemplo.
Após a análise do material adquirido, uma descoberta crucial para a escolha do
tipo de sensor de corrente foi a de que tais equipamentos fazem uso do TC do tipo
toroidal para monitorar a corrente no lado da carga e fornecer dados para o controle,
como pode ser visto em destaque na figura 3-17.
59
Figura 3-15 - Sensoriamento do próprio equipamento
A fabricação destes TC´s para a classe de tensão de 15kV é feita
exclusivamente para uso neste tipo de equipamento. Com isso, novos fatores vieram a
influenciar na escolha do tipo de sensor de corrente tais como:
9
Fazer o monitoramento apenas no lado da carga;
9
Fazer o monitoramento da corrente internamente ao equipamento e não
como proposto inicialmente na seção 3.1, ou seja, diretamente nos condutores
externos;
9
Analisar a possibilidade de se aproveitar o sinal do TC já existente no
próprio equipamento regulador de tensão, sem interferir no funcionamento do
mesmo.
Ao se analisar os fatores apresentados, percebe-se que, se tais fatores descritos
acima puderem vir a ser praticados, será dado um grande avanço em nosso estudo,
principalmente no que diz respeito ao custo do equipamento de monitoramento da
corrente.
60
3.5.2 Colhendo o sinal do TC do regulador de tensão
Geralmente, dependendo do tipo do TC que se esteja fazendo uso, o mesmo
pode possuir diversos tap´s ou derivações. Nos equipamentos reguladores de tensão
monofásicos de 32 degraus, o TC toroidal utilizado não possui derivações e a sua saída
é utilizada exclusivamente para fornecer um sinal em tensão para o sistema de controle
como foi visto na figura 2-16. Para se analisar a possibilidade de se fazer a coleta do
sinal deste TC, sem causar qualquer tipo de interferência no funcionamento do mesmo,
procurou-se fazer uma análise física do equipamento, o que veio a ser feito durante
uma visita ao setor responsável pela manutenção de reguladores de tensão da
ESCELSA, que na ocasião, possuía um equipamento regulador de tensão aberto para
reparos.
Durante a análise, verificou-se que os terminais do TC fazem comunicação
com o sistema de controle (Relé regulador) que se localiza em uma caixa externa ao
regulador. Tal comunicação é feita através de condutores (um “chicote” com
condutores de todos os componentes elétricos internos), que fazem a comunicação
com o meio externo, através de um conduíte que leva estes condutores para a caixa
externa do sistema de controle, como pode ser visto na figura 3-18.
Figura 3-16 - O TC toroidal e sua comunicação externa
61
Diante da verificação e constatação da posição dos condutores provenientes
do TC, que possuem comunicação externa, optou-se por fazer a coleta do sinal do TC
externamente, de forma a não inserir nenhuma impedância adicional ao circuito de
controle do equipamento, e ainda de não se fazer necessária a abertura do equipamento
regulador de tensão para a instalação do equipamento sensor de corrente.
Assim, diante das dificuldades anteriores encontradas em relação ao nível de
isolamento para a escolha do sensor de corrente, o fato de se ter a possibilidade de
fazer a coleta do sinal do TC no próprio equipamento regulador de tensão e ainda fazêla externamente, aproveitando-se o isolamento do próprio equipamento, abriu-se
novamente o questionamento com relação ao tipo de sensor a ser utilizado, uma vez
que, agora, até mesmo o sensor tipo garra de corrente poderá vir a ser utilizado.
Para se fazer a escolha do sensor adequado, foram analisadas características
como tamanho, eficiência e custo. Com isso, optou-se por se fazer a escolha do sensor
do tipo TC toroidal, por ser eficiente com relação aos resultados (como veremos
adiante), ser de pequeno tamanho e baixo custo.
3.6 O circuito condicionador de corrente
Para a montagem em protoboard e, posteriormente em placa de fenolite, foi
utilizado um pequeno núcleo de ferrite, adquirido de uma placa de fonte de
alimentação para computadores, e sobre este foi feito o enrolamento para se produzir
um TC toroidal experimental, semelhante àqueles mostrados nas figuras 3-14, 3-15 e
3-16 do item 3.4.2 deste trabalho. Este TC toroidal experimental, ilustrado na figura
3-19, possui dimensões de 25mm de diâmetro externo, 10mm de diâmetro interno e
com 10mm de profundidade. A relação V/A medida em laboratório foi de 608mV/A.
Além disso, forma utilizadas 324 espiras de fio 16 no enrolamento secundário do
toróide de núcleo de ferrite, enquanto que na primário foram adicionados 22 espiras
para proporcionar um aumento na relação de transformação, obtendo-se, com isso, um
sinal amplificado.
62
Figura 3-17 - O TC toroidal experimental
O sinal deste TC experimental deverá ser enviado para a entrada analógica de
um PIC que se encontra na placa controladora para se promover o monitoramento e o
processamento de dados, logo, este sinal deverá estar compreendido em um intervalo
de 0 a 5V. Após análise de um data sheet da Microchip para o PIC modelo 16F84A,[8]
foi desenvolvido um circuito que atendesse os limites de tensão especificados
anteriormente. Este circuito também pode ser utilizado para PIC’s de outros modelos e
fabricantes, o circuito está ilustrado na figura 3-20.
Figura 3-18 - O circuito condicionador de corrente
Para que o sinal do TC, que é um sinal senoidal, viesse a ficar compreendido
entre os limites de tensão de 0 a 5V, foi necessário que se adicionasse um offset a este
sinal, de modo a deslocá-lo verticalmente no eixo de tensões, como pode ser visto no
gráfico da figura 3.21.
63
Sinal do TC
com offset
Sinal do TC
Figura 3-19 - Adicionando offset ao sinal do TC
O valor do offset aplicado ao sinaldo TC pode ser regulado pelo
potenciômetro ligado à entrada não inversora do amplificador operacional ilustrado na
figura 3.20. Observa-se que o sinal de saída está defasado de 180º em relação à
entrada, não apresentando problema algum para a análise do sinal. O ganho do
amplificador é unitário, não se verificou a necessidade de amplificar o sinal do TC já
que este irá fazer a leitura de uma corrente máxima de 200mARMS, que é o valor da
corrente máxima no secundário dos TC´s de reguladores de tensão monofásicos
quando estes estão à plena carga[7]. Além disso, o TC experimental utilizado possui
uma relação de transformação de 608mV/A resultando em um sinal de tensão máximo
de 121,6mVRMS quando o regulador estiver à plena carga. Caso se verifique a
necessidade de uma pequena amplificação do sinal, como por exemplo, de cinco a dez
vezes, poder-se-á fazer como sugerido na figura 3-10 na seção 3.3.2 onde o condutor é
transpassado pelo interior do sensor N vezes e a corrente no secundário é amplificada
em N vezes. Para uma amplificação maior, sugere-se a troca do resistor de 100kΩ que
se encontra em paralelo com o capacitor de 1ηF por outro de maior valor.
Uma placa contendo o circuito da figura 3-20 foi desenvolvida. A figura 3-22
apresenta o resultado experimental feito a partir da placa desenvolvida onde a forma
de onda superior é a resposta e o sinal mostrado logo abaixo. A figura 3-21 apresenta o
resultado de simulação, permitindo a comparação com o resultado experimental.
64
Figura 3-20 - Resultados obtidos da placa experimental
Com relação aos limites de tensão que serão impostos à entrada analógica do
PIC, observa-se na saída do amplificador uma configuração com diodos, responsáveis
pelo controle dos limites de tensão vistos anteriormente. Configuração esta, baseada
em uma configuração apresentada no pelo fabricante do PIC [8].
Vejamos os resultados da simulação com o intuito de testar os limites de
tensão aplicados à entrada analógica do PIC, ilustrados na figura 2-23. O resistor de
1MΩ na figura 2-20 representa a entrada de alta impedância do PIC no circuito de
simulação.
Para se verificar a proteção da entrada do PIC foi simulado um aumento
anormal da tensão do TC experimental, aumento este que implica em um sinal que
ultrapassa os 2,5V de amplitude (as senóides nas figuras 3-23 e 3-24), para se verificar
os limites máximo e mínimo a serem entregues para a placa controladora (as senóides
com cortes),como pode ser visto nas figuras 3-23 e 3-24. Como resultados de
simulação, foram obtidos os valores na tabela 3-1. Para se verificar os mesmos limites
reais na placa de protoboard, fez-se uso do gerador de sinais na entrada do circuito e
foram obtidos os valores da tabela 3-1 que faz uma comparação entre os resultados
simulados e os resultados medidos na placa de protoboard.
65
Sinal do TC
anormal (maior)
Sinal
protegido a ser
enviado para
placa
controladora
Figura 3-21 - Simulação dos limites de tensão
Novamente, para fins de comparação ilustra-se na figura 3-24, o resultado
obtido da placa experimental constatado com o osciloscópio.
Figura 3-22 - Resultados obtidos da placa experimental
66
Tabela 3-1 - Tabela comparativa
RESULTADO
DADOS
DE
SIMULAÇÃO
RESULTADO
DE
MEDIÇÃO
Vmáx [V]
4,72
4,25
Vmín[V]
-765,66m
-720m
Com relação à freqüência, o circuito comporta-se como um filtro passa-baixas,
com freqüência de corte igual a aproximadamente 1591,5Hz e operando como
multiplicador com ganho unitário. Logo, o ganho total do circuito condicionador de
corrente (sensor + circuito condicionador) passa a ser o ganho do próprio TC toroidal
experimental, ou seja 608mV/A. Pode-se ver o resultado da simulação do circuito
condicionador na figura 2-25.
Figura 3-23 - Freqüência de corte
Os resultados obtidos via simulação com o programa Orcad 9.2, ilustrados nas
figuras 3-21 e 3-23, e na tabela 2-1, foram muito próximos aos resultados verificados
na placa experimental como está ilustrado nas figuras 3-22 e 3-24. Para se obter os
67
resultado ilustrados, fez-se uso de osciloscópio, gerador de sinais e do próprio TC
experimental já montado na placa de fenolite, monitorando correntes em um pequeno
motor AC (de ventilador) e em um ferro de solda, verificando-se a eficiência do
circuito condicionador, que será demonstrado durante a apresentação deste estudo.
Com relação à alimentação deste circuito condicionador de corrente, a mesma será
definida no capítulo 3.
Pode-se ver na figura 3-26 a placa experimental completa, com os circuitos
condicionadores de tensão e de corrente, bem como a base onde fixaram-se o TC e os
bornes para que se efetuem as ligações, conforme será sugerido ao longo deste estudo.
Figura 3-24 - Placa experimental montada
3.7 Conclusões
Com o sensor e o circuito de condicionamento de corrente apresentados neste
capítulo, é possível promover o monitoramento da corrente nos reguladores de tensão
em questão, sem que este circuito venha a apresentar qualquer tipo de interferência no
funcionamento do controle do equipamento e ainda, sem oferecer qualquer tipo de
risco para o operador. Também foram obtidos resultados satisfatórios na simulação
que puderam ser comprovados após análise dos resultados observados na placa
experimental, com o uso do osciloscópio, como foi apresentado neste capítulo.
68
4
AQUISIÇÃO DE DADOS – O SENSOR DE TENSÃO
Neste capítulo, será feita a análise de como foi feito o monitoramento da
tensão do equipamento regulador de tensão, bem como o circuito que condicionará o
sinal de tal sensor em um outro sinal que possa ser usado por um controlador, por
exemplo, do tipo PIC, semelhante ao modo como foi feito para o monitoramento da
corrente no capítulo 3. Também fará parte deste capítulo mostrar como será feita a
alimentação dos circuitos de aquisição de dados, tanto do sensor de corrente como o de
tensão, e ainda fazer a análise dos resultados da simulação com o ORCAD 9.2,
fazendo um comparativo com os resultados medidos em placa experimental, onde se
fez o uso de osciloscópio, por exemplo.
4.1 O sensor de tensão
Para o monitoramento da tensão, foram pesquisados por equipamentos
sensores de alta tensão. Contudo, foram encontrados apenas equipamentos complexos
e de alto custo, com funções de monitoramento da tensão nos níveis pretendidos (em
torno dos 15kV), medição de fator de potência, potência ativa, potência reativa e
potência aparente, não se adequando à proposta de se apresentar um equipamento
condicionador de tensão e de corrente eficiente e com um custo aceitável. Será
mostrado, no decorrer deste capítulo, a melhor solução adotada para se resolver este
problema.
4.2 A localização do sensor no equipamento regulador de tensão
Com relação à localização dos sensores de tensão, a idéia inicial também era a
de se fazer o monitoramento da tensão, diretamente nos condutores externos, como
indica a figura 4-1, para a regulação em um circuito monofásico. Também se pensava
na idéia de se promover o monitoramento da tensão tanto no lado da fonte como no
lado da carga, simultaneamente (idéia semelhante ao que também iria ser feito no caso
do monitoramento da corrente no equipamento regulador de tensão).
69
Figura 4-1 – Localização dos sensores de tensão
Com relação à localização do conjunto de monitoramento da tensão no
equipamento regulador de tensão, como um todo (sensores, circuito amplificador e
placa controladora) o mesmo deverá se localizar externamente ao equipamento
regulador de tensão. Assim como foi proposto para o circuito condicionador de
corrente, o circuito condicionador de tensão deverá formar um conjunto junto à placa
controladora
responsável
pelo
processamento
dos
dados
provenientes
do
monitoramento da tensão. Deste modo, o mesmo não deverá interferir de modo algum
no funcionamento do equipamento regulador de tensão, a não ser que a intervenção
seja proveniente de uma “decisão” tomada pela placa controladora após a análise dos
dados monitorados, a fim de se promover a autoproteção do equipamento regulador de
tensão.
4.3 O transformador de potencial (TP)
Um tipo de sensor muito utilizado para altas tensões que é o transformador de
potencial, transformador este que, como será mostrado em detalhe mais adiante, fará
parte do circuito condicionador de tensão. Este é um equipamento capaz de reduzir a
tensão do circuito para níveis compatíveis com a tensão suportável pelos aparelhos de
medição.
70
A tensão primária do TP é função da tensão nominal do sistema elétrico ao
qual está ligado. A tensão secundária, no entanto é padronizada e tem valor fixo de
115V. Variando-se a tensão primária, a tensão secundária varia na mesma proporção.
Os TP´s podem ser construídos para serem ligados entre fases de um sistema
ou entre fase e neutro ou terra. Os TP´s devem suportar uma sobretensão permanente
de até 10%, sem que lhes ocorra nenhum dano. São próprios para alimentar
instrumentos de impedância elevada, tais como voltímetros, bobinas de potencial de
medidores de energia, etc. Para propósito deste projeto, o TP será ligado entre fase e
neutro.
Em serviço de medição primária, os TP´s geralmente alimentam um medidor
de kWh com indicação de demanda e um medidor de kvar. As cargas aproximadas
destes instrumentos podem ser vistas na tabela 3-1 [9].
Tabela 4-1- Cargas dos aparelhos de medição
Potência ativa
Aparelhos
(W)
Potência reativa Potência aparente
(var)
(VA)
Voltímetro
7,0
0,9
7,0
Motor p/ conjunto de demanda
2,2
2,4
3,2
Autotransformador defasador
3,0
13,0
13,3
Watímetro
4,0
0,9
4,1
Freqüencímetro
5,0
3,0
5,8
Fasímetro
5,0
3,0
5,8
Cossifímetro
-
-
12,0
Medidor de kWh (BP)
2,0
7,9
8,1
Medidor de kvarh (BP)
3,0
7,7
8,2
Medidor de indução (demanda)
2,2
2,4
3,2
Quando forem utilizados TP´s para medição de faturamento, é necessário que
se determine o valor da carga dos instrumentos a ser conectada, a fim de se poder
especificar a carga correspondente do TP, e que pode ser obtido na tabela 3-2 [9].
71
A norma classifica os TP´s em dois grupos de ligação: O grupo 1 abrange os
TP´s projetados para ligação entre fases, são de maior aplicação na medição industrial.
O grupo 2 corresponde aos TP´s projetados para ligação entre fase e neutro em
sistemas com o neutro aterrado sob impedância.
Tabela 4-2 - Cargas nominais padronizadas dos TP´s
Potência
Fator
Designação aparente
de
Resistência Indutância Impedância
(Ohm)
(mH)
(Ohm)
(VA)
Potência
P 12,5
12,5
0,7
115,2
3.042,0
1.152,0
P 25
25
0,7
403,2
1.092,0
576,0
P 75
75
0,85
163,2
268,0
192,0
P 200
200
0,85
61,2
101,0
72,0
P 400
400
0,85
30,6
50,4
36,0
Os TP´s podem ser construídos para uso ao tempo ou abrigado. Também são
fornecidos em caixa metálica, em banho de óleo ou em resina epóxi. Os TP´s em
banho de óleo são apropriados para instalações em cubículos de medição em alvenaria
e/ou em cubículos metálicos de grandes dimensões, o segundo tipo é próprio para
cubículos de dimensões reduzidas.
Ao contrário dos TC´s, quando se desconecta a carga do secundário em um
TP, os seus terminais devem ficar em aberto, pois, se um condutor de baixa resistência
for ligado, ocorrerá um curto-circuito franco, capaz de danificar a isolação.
As principais características elétricas dos TP´s são:
9
Tensão nominal primária – É aquela para a qual o TP foi projetado;
9
Tensão nominal secundária – É aquela padronizada por norma e tem
valor fixo igual a 115V;
9
Classe de exatidão – É o maior valor de erro percentual que o TP pode
apresentar quando ligado a um aparelho de medida em condições
72
especificadas. São construídos, normalmente, para as classes de exatidão de
0,2, 0,3, 0,6 e 1,2;
9
Carga nominal – É a carga admitida no secundário do TP sem que o erro
percentual ultrapasse os valores estipulados para a sua classe de exatidão. A
tabela 3-2 indica as cargas nominais padronizadas dos TP´s e as respectivas
impedâncias;
9
Potência térmica – É o valor da maior potência aparente que o TP pode
fornecer em regime contínuo sem que sejam excedidos os limites
especificados de temperatura;
9
Tensão suportável de impulso (TSI) – É a maior tensão em valor de pico
que o TP pode suportar quando submetido a uma frente de onda de impulso
atmosférico de 1,2 x 50μs;
9
Polaridade – Semelhante aos TC´s, é necessário que se identifiquem nos
TP´s os terminais de mesma polaridade. Logo, diz-se que o terminal
secundário X1 tem a mesma polaridade do terminal primário H1 num
determinado instante, quando X1 e H1 são positivos ou negativos
relativamente aos terminais X2 e H2, conforme se pode observar na figura 4-2.
Normalmente, os TP´s mantêm adjacentes os terminais secundário e primário
de mesma polaridade. A ligação das bobinas dos medidores de energia nos
terminais secundários de um TP deve ser feita de tal modo que, se H1
corresponde ao terminal de entrada ligado ao circuito primário, o terminal de
entrada da bobina de potencial dos instrumentos deve ser conectado ao
terminal secundário X1, para TP de polaridade subtrativa.
Figura 4-2 - Esquema do TP
73
Para se especificar um TP, é necessário que sejam definidos, no mínimo, os
seguintes parâmetros para que se possa especificar corretamente um TP, ou seja:
9
Isolação (em banho de óleo, ou epóxi);
9
Uso ( interior ou exterior);
9
Tensão suportável de impulso (TSI);
9
Tensão nominal primária, em kV;
9
Tensão nominal secundária, em V (115V);
9
Freqüência nominal;
9
Classe de exatidão requerida;
9
Carga nominal ( baseada na carga das bobinas dos instrumentos a serem
acoplados);
9
Polaridade.
Com base nos dados acima, um exemplo de especificação pode ser assim
descrito: Transformador de potencial para medição de energia, isolação em epóxi, uso
interno, freqüência nominal de 60Hz, tensão nominal primária de 13.800V, tensão
nominal secundária de 115V, classe de exatidão 0,3, carga nominal P25, polaridade
subtrativa e tensão suportável de impulso de 95kV.
Uma outra característica também muito importante dos transformadores de
potencial é que, dependendo da aplicação, o TP pode apresentar derivações no
enrolamento secundário, assim como também acontece nos enrolamentos primários de
alguns tipos de TC´s. Vejamos, por exemplo, a tabela 4-3 [10], que traz dados para
especificação de TP´s. Observa-se que para as classes de tensão de 138 e 230 kV os
TP´s possuem dois enrolamentos secundários. No caso das derivações no secundário
dos TP´s as mesmas podem ser encontradas para outras classes de tensão como, por
exemplo, a de 13,8kV.
74
Tabela 4-3 - Características elétricas dos TP´s
ITEM
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
REQUISITOS ELÉTRICOS
Parâmetros do Sistema:
-Tensão nominal
-Tensão máxima de operação
-Freqüência nominal
Tensão primária nominal
Tensão secundária
Relação de transformação:
-enrolamento 1;
-enrolamento 2;
-enrolamento 3;
Nível de isolamento nominal:
-tensão suportável nominal à freqüência
industrial;
-tensão suportável nominal de impulso
atmosférico, onda plena;
-tensão suportável nominal de impulso
atmosférico, onda cortada;
-tensão suportável nominal à freqüência
industrial, no enrolamento secundário;
Máxima tensão de rádiointerferência a
110% da tensão fase-terra de operação
normal máxima (Referida a 300 ohms)
Máximo corona interno a 110% da tensão
fase-terra de operação normal máxima:
-tipo seco;
-tipo imerso em óleo;
Sobretensão fase-tera temporária para qual
o TP é capaz de operar com carga
simultânea total sem que ocorra um
acréscimo de temperatura acima de 40ºC,
(NBR 6855 grupo 2).
Grupo de ligação
Fator nominal de tensão:
-contínuo;
-em 30s;
Sobre-elevação de temperatura, acima da
temperatura ambiente:
-No enrolamento (método da variação da
resistência)
9
Em líquido isolante
9
Tipo seco
-No liquido isolante
Potência Térmica Nominal
Unid.
15kV
36,2kV
72,5kV
145kV
kV
kV
Hz
kV
V
13,8
15
60
13,8/√3
115/√3
34,5
36,2
60
34,5√3
115/√3
69
72,5
60
69√3
115/√3
138
145
160
138√3
115/√3
120:1
120:1
-
300:1
300:1
-
600:1
600:1
-
1200:1
1200:1
1200:1
kV
34
70
140
230
kV
110
170
350
550
kV
121
187
385
605
kV
2,5
2,5
2,5
2,5
µV
-
-
-
1000
pC
pC
50
-
50
-
10
10
V
9162
22906
45813
91625
-
2
2
2
2
-
1,2
1,5
1,2
1,5
1,2
1,5
1,2
1,5
55
55
55
500
55
55
55
500
55
55
1000
55
55
1000
ºC
ºC
ºC
VA
Durante o estudo também foram encontrados dados sobre requisitos técnicos
específicos relacionados a TP´s [11] para a classe 15 kV como pode ser visto abaixo:
75
REQUISITOS TÉCNICOS
Transformadores de potencial de 15 kV
Relação de transformação:
13.800/√3 - 115/√3 V – 3 secundários.
Classe de exatidão e cargas nominais para cada enrolamento:
-enrolamento 1: 0,6P200
-enrolamento 2: 0,6P200
-enrolamento 3: 0,3P100
No decorrer deste capítulo, será mostrado que o fato de o TP possuir tapes no
enrolamento secundário, foi essencial para que se resolvessem alguns problemas
encontrados durante nosso trabalho.
4.4 Características do circuito de tensão em reguladores de tensão monofásicos de
32 degraus
Será tomado, como exemplo, para análise do circuito de tensão em
reguladores monofásicos de tensão de 32 degraus, o uso do TP em reguladores da
McGraw-Edison por ser este um dos tipos de reguladores de tensão muito utilizado no
sistema ESCELSA e por terem características muito semelhantes com relação ao uso
do TP em reguladores da Toshiba, Siemens e outros como os da Cooper.
4.4.1 O uso do TP no regulador de tensão monofásico de 32 degraus
Os reguladores de tensão monofásicos de 32 degraus da McGraw-Edison
possuem dispositivos para operação em tensões abaixo da nominal de placa, isto é
obtido através do enrolamento do sensor de potencial, com derivações que
grosseiramente correspondem à tensão apropriada do sistema. Esta fonte pode ser um
76
enrolamento montado no conjunto núcleo/bobina ou em um TP separado e montado na
saída (carga) do regulador. A derivação do TP escolhida às vezes não provê de ajuste
fino da tensão para o sistema de controle. Um auto-transformador com derivações é
usado para se fazer o ajuste fino, como ilustra a figura 4-3.
RCT
TP
Auto-transformador
1º Ajuste
para ajuste fino
Sistema
de
Controle
Figura 4-3 - O TP e o RCT
Este auto-transformador é referido como Transformador de Correlação de
Relação (RCT) e possui derivações de entrada 104, 110, 115, 120,127 e 133V. A
derivação de saída para o sistema de controle é ligada em 120V. Aplicações
envolvendo fluxo reverso de potência necessitarão de uma segunda fonte de tensão
instalada internamente ao regulador para medição da tensão no lado da fonte, que é
necessária para operação reversa. Neste caso, um TP diferencial é utilizado para medir
tensão sobre o enrolamento série que é utilizada para determinar a tensão no lado da
fonte. Este TP diferencial tem derivações similares ao TP de saída, as derivações de
alta tensão estão localizadas no TP diferencial e identificadas como P1, P2, etc,
conforme ilustra a figura 4-4. O secundário tem sua relação corrigida por um RCT2
(similar ao RCT) e a tensão diferencial uma vez corrigida é levada para o sistema de
controle do equipamento.
Se a tensão do sistema (tensão impressa entre as buchas S e SL) é outra
diferente das listadas na placa, este problema pode ser resolvido se houver relação de
correção suficiente disponível nas derivações dos enrolamentos de controle (TP
interno) e nas derivações do RCT que permitam ao controle funcionar adequadamente.
Em linhas gerais, a relação total deve ser suficiente para que a tensão entregue ao
sistema de controle em condições nominais seja em torno de 115-125V.
77
Figura 4-4 - Esquemático do regulador de tensão
4.4.2 Cálculo da relação total de transformação
Nesta seção, será apresentado o procedimento para se calcular a relação total
de transformação (TP + RCT) [7]. Para se determinar a tensão entregue ao controle,
usa-se o seguinte procedimento:
1. Das relações do TP mostrados na placa, escolha um que resulte em uma
tensão o mais próximo possível de 120V na saída do TP interno (A saída
do TP interno é a entrada do RCT), veja os dados de placa na tabela 4-4;
2. Calcule a tensão de saída do TP interno e compare com as derivações de
entrada do RCT : 133, 127, 120, 115, 110 e 104V;
3. Escolha a derivação do RCT o mais próximo da tensão de entrada do RCT.
4. Dado a derivação de entrada do RCT use a tabela 3-5 para determinar a
relação do RCT;
5. Utilize a expressão 4.1 abaixo para calcular a tensão de entrada do
controle;
Tensão de entrada do controle = Tensão de saída do TP interno / Relação
do RCT.
(4.1)
6. Use a expressão 4.2 abaixo para calcular a relação total do TP:
Relação total do TP = Relação do TP interno x Relação do RCT.
(4.2)
78
Exemplo
Segue abaixo, uma exemplificação de como efetuar o procedimento visto
anteriormente.
Seja, por exemplo, um regulador com 22000V, 50Hz, para ser utilizado em um
sistema com tensão nominal de 12700V, o seguinte deve ser determinado:
1. A melhor relação de transformação do TP é 91,7. Ver tabela 3-4.
2. A tensão de saída do TP interno é 138,5 (12700/91,7 =138,5).
3. A melhor derivação do RCT é 133. Ver tabela 3-5.
4. A relação do RCT é 1,108. Ver tabela 3-5.
5. A tensão de entrada do controle é 138,5/1,108 = 125V. Isso está dentro da
faixa permitida.
6. Relação total do TP = 91,7 x 1,108 = 101,6.
Tabela 4-4 - Ligações de derivação e níveis de tensão (50Hz)
Tensão
Tensão
nominal
nominal
Dados de ajuste de relação
Tensão
Relação
terminal
de
do
monofásica Derivação Derivação
Relação
de
transfor-
regulador
interna*
de TP
do RCT
prova**
mação**
1
2
3
4
5
6
7
6600
6930
-
55:1
127
119
58,2:1
6600
-
55:1
120
120
55:1
6350
-
55:1
115
120,5
52,7:1
6000
-
55:1
110
119
50,4:1
5500
-
55:1
104
115,5
47,7:1
11600
E1/P1
91,7:1
127
119,5
97:1
11000
E1/P1
91,7:1
120
120
91,7:1
10000
E2/P2
91,7:1
110
119
84,1:1
6930
E2/P2
55:1
127
119
58,2:1
6600
E2/P2
55:1
120
120
55:1
11000
79
15000
22000
33000
6350
E2/P2
55:1
115
120
52,7:1
6000
E2/P2
55:1
110
119
50,4:1
5500
E2/P2
55:1
104
115,5
47,7:1
15000
E1/P1
120:1
120
125
120:1
14400
E1/P*
120:1
120
120
120:1
13800
E1/P1
120:1
115
120
115:1
13200
E1/P1
120:1
110
120
110:1
12000
E1/P1
120:1
104
115,5
104:1
11000
E2/P2
92,3:1
120
119
92,3:1
10000
E2/P2
92,3:1
110
118
84,6:1
8660
E3/P3
72,9:1
120
119
72,9:1
23000
E1/P1
183,1:1
120
125,5
183,3:1
22000
E1/P*
183,1:1
120
120
183,3:1
20000
E1/P1
183,1:1
110
119
168:1
19100
E1/P1
183,1:1
104
120
159,2:1
15000
E2/P2
119,8:1
120
125,5
119,8:1
12700
E2/P2
119,8:1
104
122,5
103,9:1
11000
E3/P3
91,6:1
120
120
91,6:1
10000
E3/P3
91,6:1
110
119
84:1
35000
E1/P1
275:1
127
120,5
291:1
33000
E1/P1
275:1
120
120
275:1
30000
E1/P1
275:1
110
119
252,1:1
22000
E2/P2
183,3:1
120
120
183,3:1
20000
E2/P2
183,3:1
110
119
268:1
11600
E3/P3
91,7:1
127
119,5
97:1
11000
E3/P3
91,7:1
120
120
91,7:1
10000
E3/P3
91,7:1
110
119
84:1
*Derivações P são usados com E somente com reguladores onde um TP
interno é usado em conjunto com o enrolamento de controle para alimentar o controle.
Veja a placa de identificação para verificação do tipo de alimentação do controle.
80
**A tensão terminal de prova e a relação de transformação total podem variar
um pouco de um regulador para o outro. Veja a placa de identificação para determinar
os valores exatos.
Tabela 4-5 - Relações de RCT
Derivação de entrada do RCT
Relação do RCT
133
1,108
127
1,058
120
1,000
115
0,958
110
0,917
104
0,867
Até o momento, os reguladores de tensão monofásicos de 32 degraus fazem
uso do TP para promover o monitoramento da tensão. Outras funções também são
atribuídas ao TP, tais como a alimentação do sistema de controle e a alimentação do
motor responsável pelo sistema de comutação de tapes.
No momento da escolha de um sensor de tensão eficiente, uma das grandes
preocupações era a de se encontrar um sensor que atendesse principalmente as
características de isolação nos níveis pretendidos (15kV). Com isso, também se optou
em analisar a possibilidade de se fazer uso do sinal colhido pelo próprio TP já
existente no equipamento regulador de tensão, uma vez que , quando foram feitas as
análises técnicas e físicas descritas na seção 3.5.2, percebeu-se que também era
possível fazer a coleta do sinal do TP externamente, sem que se viesse a causar
qualquer tipo de interferência no funcionamento do equipamento regulador de tensão.
4.5 Colhendo o sinal do TP do regulador de tensão
Para se promover a coleta do sinal do TP, este estudo levou em consideração
principalmente os seguintes itens:
81
9
Promover o monitoramento da tensão fazendo uso do próprio sensor já
existente no equipamento regulador de tensão, deixando de lado a idéia de se
fazer o monitoramento da tensão externamente, como foi descrito no item 3.2;
9
Efetuar, a princípio, apenas o monitoramento no lado da carga, exceto
em reguladores que atuam com fluxo inverso;
9
Efetuar a coleta do sinal em uma das derivações de saída do RCT e não
diretamente no TP.
4.5.1 Efetuando a coleta do sinal do RCT
Optou-se neste estudo, em se efetuar a coleta do sinal de tensão através do
RCT e não do TP propriamente dito. Sabe-se que o TP interno ao equipamento
regulador de tensão possui comunicação com o meio externo ao equipamento, assim
como também acontece com o TC, responsável pelo monitoramento da corrente, fato
este, que pode ser visto na figura 3-5 e que veio a fazer parte de nosso conhecimento
após análise física, citada no capítulo 2, do equipamento regulador de tensão.
Figura 4-5 - O TP no regulador de tensão
82
Os principais motivos pelos quais optou-se em fazer a coleta no RCT e não
diretamente no TP foram basicamente dois. O primeiro foi o fato de o RCT possuir
vários tapes como, por exemplo, para os reguladores da Cooper, tapes com derivações
de 104,110,115,120,127 e 133V [7] e além disso, temos que entre estas derivações,
apenas uma será utilizada pelo sistema de controle, ficando as outras, sem utilização.
O segundo motivo pelo qual optou-se fazer a escolha pelo RCT, e o que tornou a
escolha mais viável no que diz respeito a praticidade de instalação do sistema de
monitoramento de tensão, é que o RCT está instalado em um painel traseiro na caixa
do sistema de controle como pode ser visto na figura 4-6.
Figura 4-6 - O RCT1 e o RCT2 no painel traseiro da caixa do sistema de controle
Com isso, optou-se por fazer a coleta através do sinal colhido de uma das
derivações do RCT que não estejam sendo utilizadas pelo sistema de controle,
83
colhendo o sinal diretamente do painel traseiro da caixa do sistema de controle, não se
fazendo necessário que se abra o equipamento regulador de tensão, uma vez que a
caixa do controle se encontra externa ao mesmo.
Por outro lado, uma questão também muito importante a ser levado em
consideração é que, fazendo-se a coleta do sinal de tensão a partir de uma das
derivações do RCT, não se tem um sinal a níveis adequados, para ser analisado por um
microcontrolador, já que os níveis de tensão ultrapassam os 100 VRMS, nível este
inapropriado para a placa controladora. Com isso, faz-se necessário efetuar mais uma
atenuação do sinal do RCT, fazendo-se uso de um transformador, com o papel de
sensor-atenuador do sinal do RCT, efetuando a redução do nível de tensão para níveis
aceitáveis em uma placa controladora como será visto ainda neste capítulo.
4.5.2 O circuito condicionador de tensão
Ao se fazer uma comparação entre o circuito condicionador de tensão e o
circuito condicionador de corrente, percebe-se que, de certa forma, ambos tem a
mesma função, ou seja, a de fornecer um sinal compreendido entre 0 e 5V para ser
analisado por um microcontrolador do tipo PIC, que se encontra em uma placa
controladora para o processamento dos dados monitorados. A principal diferença entre
estes circuitos condicionadores está no tipo de sensor utilizado, um TC toroidal
experimental como o descrito na seção 3.6 para o monitoramento da corrente e agora,
um transformador para o monitoramento da tensão, que deverá ser acoplado em uma
das derivações do RCT para se acentuar a redução no valor da tensão para o
monitoramento, como ilustra a figura 4-7.
O transformador utilizado em nosso estudo possui as seguintes características:
9
9
9
Primário de 220 ou 127VRMS;
Secundário de 6VRMS com center tape;
Corrente máxima de 500mARMS para a carga.
Para se efetuar os testes no protoboard e posteriormente em placa de fenolite,
foi utilizada a saída do transformador correspondente à 3VRMS do center tape, contudo,
84
este sinal ainda deve ser atenuado, uma vez que seu valor de pico correspondente é de
4,24V e teremos com isso um sinal com valor de pico a pico de 8,48V fazendo com
que este sinal ultrapasse os limites impostos pelo circuito condicionador de tensão (0 a
5V). Uma forma de evitar que se extrapole estes limites seria a de se utilizar um
transformador que tivesse um secundário com, por exemplo, 1,0V o que resultaria em
um valor de pico a pico de 2,83V não extrapolando os limites do circuito
condicionador. Outra forma de se evitar o problema com os limites de tensão seria a de
fazer com que o próprio circuito condicionador viesse a atenuar o sinal do
transformador.
Com relação ao transformador, não foi utilizado um com um secundário que
fornecesse valor menor do que os 3VRMS , devido ao fato de não ter sido encontrado tal
transformador disponível no mercado. A solução adotada foi a de se utilizar o
transformador com 3VRMS de tensão no secundário e de se fazer a atenuação no
circuito condicionador como está ilustrado na figura 4-7.
Figura 4-7 - Circuito condicionador de tensão
Assim como foi feito para o circuito condicionador de corrente, o sinal
proveniente do transformador teve que ser deslocado no eixo das tensões para que o
sinal viesse a ficar compreendido entre 0 e 5V, tal como foi descrito na seção 3.6
figura 3-21, com a diferença de que agora, além de se deslocar o sinal, também
estaremos atenuando o mesmo. Tal diferença pode ser vista observando-se a figura 4-8
85
Sinal atenuado
com off set
Sinal do
transformador
Figura 4-8 - Sinal deslocado e atenuado
Para efeito de comparação com o sinal obtido da placa experimental através do
osciloscópio, podemos observar a figura 4-9 que ilustra os resultados experimentais.
Figura 4-9 - Resultado experimental
O valor do offset aplicado ao sinal proveniente do transformador pode ser
regulado através do potenciômetro ligado à entrada não inversora do amplificador
operacional ilustrado na figura 3-7. Neste circuito observa-se também uma defasagem
de 180º em relação ao sinal de entrada como pode ser visto na figura 3-6, não
apresentando problema algum para a análise do sinal.
Em se tratando de freqüência, este circuito, assim como o circuito
condicionador de corrente, tem o comportamento de um filtro passa-baixas, com
86
freqüência de corte de aproximadamente 1591,5 Hz. Com relação ao ganho do
circuito, como o mesmo estará atenuando o sinal de entrada, resolveu-se atenuar o
sinal em 78% ou seja, aplicar um ganho de 0,22 ao sinal de entrada, como
ilustra a figura 3-10.
Ganho= 0,22
1591,5Hz
Figura 4-10 - Ganho e freqüência de corte
Com relação ao ganho total do conjunto de monitoramento da tensão, desde o
sinal entregue pelo RCT até o sinal a ser enviado para o PIC, teremos uma primeira
atenuação devido ao uso do transformador (considerando que se esteja em uso os
terminais primários referentes à 127VRMS e os terminais secundários referentes à
3VRMS) igual a 97,6% do sinal, ou seja, um ganho de atenuação de 0,024. Incluindo-se
então, a atenuação do circuito condicionador de 0,22, teremos que o ganho total de
atenuação será de 0,00528. Assim sendo, se o RCT fornecer um valor de tensão de,
por exemplo, 130VRMS, será entregue para o PIC um sinal senoidal com valor de pico a
pico de 1,94V para ser analisado, não apresentando problema nenhum para a placa
controladora do sistema de proteção.
A proteção da entrada do PIC é idêntica àquela proposta na seção 3.6 para o
circuito condicionador de corrente, obtendo-se assim, os mesmos resultados
observados anteriormente, tanto na simulação como nos testes com a placa
experimental. Os testes com o circuito condicionador de tensão foram realizados com
o mesmo promovendo o monitoramento da tensão da rede (127VRMS) e também
87
fazendo o monitoramento de uma fonte AC regulável, onde se verificou a eficiência do
circuito condicionador, que será demonstrado durante a apresentação deste estudo.
4.6 Sobre a alimentação do circuito de aquisição de dados
Serão apresentadas aqui, duas sugestões para a alimentação dos circuitos
condicionadores de tensão e de corrente e possivelmente da alimentação da própria
placa controladora responsável pelo monitoramento destes dados, promovendo-se
assim, a alimentação de todo o conjunto de monitoração e processamento de dados.
4.6.1 Alimentação via RCT
Como foi visto na seção 4.5.1, temos que o RCT é na verdade, um
transformador utilizado para se fazer um ajuste fino de tensão, que possui vários tapes
e, no entanto, utiliza-se apenas um deles. Uma primeira idéia foi a de se utilizar um
dos tapes para se promover o monitoramento da tensão, como visto na seção 4.5.2 e,
agora, a idéia é de se utilizar um outro tape que não esteja em uso, para se fazer um
circuito de alimentação do sistema de aquisição de dados.
A alimentação dos circuitos condicionadores de tensão e de corrente sugeridos
durante este estudo e testados em protoboard é do tipo simétrica com 9V. Para se obter
tal circuito de alimentação a partir de uma das derivações do RCT será necessário a
adição de um transformador abaixador com center tape que tenha como saída 9VRMS
ou mesmo 12 VRMS para que se faça a montagem de um circuito de alimentação
simétrica muito comum em circuitos eletrônicos como sugerido na figura 4-11. Este
circuito faz uso de reguladores de tensão estáticos, capacitores de filtro e diodos e é
um circuito de alimentação muito comum em circuitos eletrônicos onde a alimentação
simétrica se faz necessária.
88
Figura 4-11 - Circuito de alimentação simétrica
4.6.2 Alimentação via sistema de controle do regulador de tensão de 32 degraus
Durante análise de um manual sobre o sistema de controle do regulador de
tensão[1], descobriu-se que o mesmo possui um circuito de alimentação interno e este
circuito possui vários bornes com determinados valores de tensão para alimentar desde
o circuito eletrônico, até o motor responsável pela comutação dos tapes do
equipamento regulador de tensão. Vejamos os valores de tensão e suas atribuições para
o controle TB-R800 da Toshiba:
9
+9Vca: Responsável pela medição de freqüência e sincronismo da
medição da tensão;
9
+5Vcc: Responsável pela alimentação do circuito digital;
9
+24Vcc (não regulada): Responsável pela alimentação do “Contador de
Operações” e relés de saída;
9
+12/-12Vcc: Responsável pela alimentação do circuito analógico;
9
+20Vcc: Responsável pela alimentação do indicador externo;
9
+15Vcc: Responsável pela alimentação dos “Opto-Acopladores”, do
circuito conversor “V/F”, do circuito conversor “V/I”, e dos “OptoAcopladores” do indicador externo;
Ao se analisar os valores de tensão disponíveis na placa de alimentação do
sistema de controle, surgiu a idéia de se fazer uso da alimentação simétrica disponível
89
na mesma (+12/-12Vcc), uma vez que o circuito de monitoramento de tensão e de
corrente são circuitos de baixo consumo, necessitando apenas de um possível
redimensionamento de seus componentes, já que o circuito montado e testado foi
projetado para alimentação simétrica de +9/-9Vcc.
4.7 Conclusões
O estudo do circuito de condicionamento de tensão apresentado neste capítulo
veio a apresentar uma forma eficiente de se realizar o monitoramento da tensão nos
equipamentos reguladores de tensão em questão. Também foram apresentadas formas
de se fazer a alimentação do circuito de aquisição de dados e possivelmente da placa
responsável pelo processamento dos mesmos, sem que se viesse a interferir de
qualquer forma no funcionamento do equipamento regulador de tensão. Observaramse ainda, resultados satisfatórios na simulação que vieram a ser constatados na placa
experimental através do osciloscópio, gerador de sinais, etc.
Encerra-se aqui, a etapa de aquisição de dados proposta neste estudo e iniciase a análise de um sistema de proteção para os equipamentos reguladores de tensão
que possa vir a interagir eficientemente com uma placa controladora, placa esta, que
após analisar os dados provenientes dos sistemas de aquisição de corrente e de tensão
propostos, também venha a atuar sobre o equipamento regulador de tensão em questão,
por intermédio do sistema de proteção que será discutido no próximo capítulo.
90
5
ATUAÇÃO DA PROTEÇÃO
Até o momento, foram analisadas formas de se promover o monitoramento da
tensão e da corrente em reguladores de tensão monofásicos de 32 degraus. Para tanto,
foram analisadas formas eficientes para que se efetuassem tais tarefas com o maior
êxito possível, principalmente no que diz respeito a se propor um equipamento de fácil
instalação, baixo custo e eficácia. Neste capítulo, será apresentado um estudo que irá
analisar a situação atual da proteção a que estão sujeitos os equipamentos reguladores
de tensão nas redes de distribuição, novamente, baseando-se no sistema de distribuição
da ESCELSA, e ainda propor formas de atuação da proteção para o equipamento
regulador de tensão que possa vir a interagir eficientemente com a placa controladora
responsável pelo processamento dos dados provenientes do sistema de aquisição.
5.1 Sobre o atual sistema de proteção dos reguladores de tensão monofásicos de
32 degraus
Aqui, será analisado o sistema de proteção dos equipamentos reguladores de
tensão da Cooper Power Sistems por se tratar de ser um dos reguladores muito
utilizado no sistema ESCELSA e por possuir características muito semelhantes a
outros reguladores de tensão tais como os reguladores da Toshiba.
5.1.1 Proteção contra surtos de tensão
Todos os reguladores de tensão monofásicos por degraus são equipados com
um pára-raio em paralelo (pára-raio série) com o enrolamento série entre as buchas
fonte (S) e de carga (L), que podem ser identificadas no circuito esquemático
na figura 5-1. Este pára-raio limita a tensão sobre o enrolamento nas descargas
atmosféricas e sobretensões de chaveamento. Um pára-raio tipo MOV de 3kV
proporciona a proteção do enrolamento série em todos os reguladores monofásicos por
degraus, exceto nos modelos de 33kV e 34,5kV, os quais fazem uso de um pára-raio
tipo MOV de 6kV.
91
Figura 5-1 - Localização das buchas S e L
Outro tipo de pára-raio que também pode ser encontrado nos reguladores de
tensão é o pára-raio shunt, que é um acessório opcional para a proteção do
enrolamento shunt. Este pára-raio é ligado diretamente no tanque ligando a bucha L e
o terra. Para proteção adicional, o fabricante sugere que se instale o pára-raio shunt
entre a bucha S (fonte) e o terra. É sugerido ainda que os mesmos sejam instalados nos
suportes no tanque perto das buchas aterrando-se ainda, o pára-raio e o tanque do
equipamento regulador na mesma conexão do terra utilizando cabos curtos.
Algumas informações sobre a aplicação de pára-raios do tipo shunt são
mostradas na tabela 5-1.
92
Tabela 5-1 - Dados de aplicação de pára-raios shunt
Tensão
Tensão Nominal do Sistema
Tensão Nominal
Nominal
(Volts)
Recomendado para
do Regulador
Delta ou
Estrela
Pára-raios Shunt
monofásico
Multi aterrada
tipo MOV (kV)
2400
24000/4160
2500
2500/4300
4160
4160/7200
4330
4330/7500
4800
4800/8320
5000
5000/8660
6900
6900/11950
7200
7200/12470
7620
7620/13200
7970
7970/13800
11000
11000
-
13800
12000
-
12470
-
13200
-
13800
-
14400
-
-
13800/23900
2500/4330
5000/8660
7620/13200
14400/29940
3
6
10
15
15
14400/29940
18
19920/34500
-
19920/34500
27
22000
22000
-
27
33000
33000
-
36
34500
34500
-
36
93
5.1.2 Proteção contra faltas
Com relação aos tipos de falta, sejam elas do tipo fase-terra ou fase-fase, a
verdade é que, os reguladores de tensão não possuem um tipo de proteção eficiente
contra faltas deste tipo, fala-se aqui de eficiência pois, o fabricante do equipamento
regulador afirma que a proteção via pára-raios vista anteriormente também protege o
equipamento regulador de tensão contra a ação de faltas, o que na realidade, não se
tem confirmado tal eficiência a nível de faltas fase-terra
ou fase-fase [13] nos
equipamentos reguladores de tensão. Então, com relação à proteção contra faltas faseterra ou fase-fase, a verdade é que a proteção via pára-raios tem deixado a desejar,
tornando o equipamento regulador de tensão susceptível a ação de faltas, com
proteção deficiente.
Para se resolver o problema da susceptibilidade do equipamento regulador de
tensão quanto a ocorrência de faltas, um recurso utilizado pela concessionária de
energia elétrica é o de se utilizar um outro equipamento em conjunto com o regulador
de tensão em seus circuitos alimentadores, o religador. Todo circuito alimentador tem
como elementos integrantes um religador e um regulador de tensão, como ilustra a
figura 5-2. Assim, quando da ocorrência de faltas o religador atuará, fazendo a
proteção do alimentador e do regulador de tensão.
Regulador
Subestação
Alimentador
Religador
Alimentador
de
Consumidores
Tensão
Figura 5-2 - O circuito alimentador
Um fato que tem sido observado é que, mesmo com o uso do religador em
conjunto com o equipamento regulador de tensão, ainda tem-se verificado a ocorrência
de danificação de reguladores de tensão, na maioria das vezes chegando a ocorrer a
queima dos enrolamentos do equipamento. Logo, nota-se a necessidade de um sistema
de auto-proteção, como o proposto neste estudo.
94
5.2 Análise do sistema de proteção
Na busca por um sistema de proteção adequado, fez-se necessário analisar as
possibilidades de se retirar o regulador de tensão em regime, sem comprometer tal
equipamento. Com isso, deparou-se com uma série de procedimentos de manobra do
equipamento regulador de tensão, que vieram a limitar algumas idéias, tornando-as
impraticáveis em algumas situações como veremos adiante. Os procedimentos de
manobra podem ser analisados através da figura 5-3 [1]
Figura 5-3 Operações de manobra
95
5.2.1 Sobre os procedimentos de manobra
Com relação aos procedimentos de manobra, faremos aqui uma análise dos
principais procedimentos ilustrados na figura 5-3 que vieram a interferir de algum
modo em nossas análises para o sistema de atuação da proteção.
Por exemplo, numa primeira análise, fatos importantes a serem levados em
consideração são que, seja na colocação ou na retirada do equipamento regulador de
tensão em serviço, as operações de fechamento e abertura das chaves 1, 2, 3 e 4,
ilustradas nas figuras 4-4 e 4-5, são realizadas através do operador, que faz uso de
hastes isolantes, ou seja, este é um procedimento não automatizado, é mecânico e
depende de um operador.
Figura 5-3 - Posição das chaves no equipamento regulador
Os procedimentos ilustrados na figura 4-3 que dependem de chaves como a
chave
“NORMAL/DESLIGA/EXTERNO”,
chave
de
operação
“ELEVAR-
ABAIXAR”, são efetuados na caixa do painel de controle do equipamento regulador
de tensão e também dependem de um operador para acioná-las. Logo, este tipo de
acionamento também não é automatizado.
Verifica-se até aqui, a total dependência do regulador de tensão em relação a
necessidade de um operador para que o mesmo entre em regime ou saia dele. Veremos
que esta dependência e também o fato de termos acionamentos mecânicos a serem
efetuados para que se procedam as manobras, vieram a dificultar a escolha de um
sistema de proteção eficiente.
96
Figura 5-4 - Chaves de manobra no regulador de tensão
5.2.2 Sugestões descartadas para a proteção
Nesta seção serão apresentadas as idéias que ocorreram durante o estudo para
se promover a atuação da proteção.
Uma das idéias levantadas para se fazer a proteção do equipamento regulador
de tensão era a de retirá-lo do regime de serviço por exemplo, atuando nas chaves 1, 2,
3 e 4. Contudo, como pode ser visto no fluxograma da figura 5-3, esta idéia torna-se
impraticável, primeiro por não se ter chaves que possam ser controladas
automaticamente e segundo, que também depende de acionamentos feitos na caixa de
controle.
Outra idéia levantada, a princípio era a de se curto-circuitar o lado de fonte e
de carga do equipamento regulador de tensão, fechando a chave 3 , a chave by-pass,
97
como ilustra a figura 5-6, com o intuito de se proteger o equipamento, colocando-se
para isso, uma chave controlada no lugar da atual chave que atua mecanicamente. O
grande problema ao se fazer isto, é que não é possível realizar tal manobra, a de se
fechar a chave 3 (by-pass), sem antes realizar os procedimentos de 3 a 5 ilustrados na
figura 5-3. Caso venha a acorrer o fechamento da chave by-pass e o equipamento
regulador estiver em uma posição diferente da posição de neutro, parte do enrolamento
série será curto-circuitado, podendo causar a circulação de altas correntes que podem
danificar severamente o equipamento[12]. Se uma falha acidental deste tipo ocorrer,
isto pode significar risco de lesão ou morte do pessoal operacional. Com isso a idéia de
se utilizar um by-pass controlado tornou-se inviável tecnicamente.
Figura 5-5 - Chave by-pass
Uma outra questão levantada, durante este estudo, foi a de se promover a
automatização total do processo de retirada ou de colocação do equipamento regulador
de tensão em questão. Para isto, seria necessário que se promovesse um estudo onde
fosse analisada uma forma de se fazer uso de chaves controladas para que se viesse a
substituir as chaves de 1 a 4 ilustradas na figura 4-6. Também seria necessário efetuar
a automatização das chaves que se localizam no painel de controle, ilustradas na figura
5-7, que fazem parte dos procedimentos para a retirada ou colocação do equipamento
regulador de tensão. Percebe-se que, ao se decidir optar por uma possível
automatização, a mesma deveria, pelo menos, ser estudada em conjunto com o
fabricante do equipamento regulador de tensão, para que se proponha a automatização
de chaves e principalmente dos acionamentos via painel de controle. Logo, a hipótese
de se promover a automatização total do sistema de atuação foi descartada, sendo esta
talvez, um bom tema para ser tratado em projetos futuros, que venham a se basear na
98
automatização do processo de atuação. Entretanto, esta automatização representará
custos elevados podendo vir a inviabilizar a sua produção.
Figura 5-6 - Chaves do painel de controle
99
5.3 Definindo a proteção do equipamento regulador de tensão
Analisaremos aqui uma possível forma de se efetuar a proteção do
equipamento regulador de tensão. Como já foi mostrado anteriormente, os
procedimentos para se retirar o equipamento regulador de tensão do regime, apesar de
não serem complexos, são de atuação mecânica e dependem de um operador para isto.
Da forma como é feita, a operação de manobra também está sujeita a erro humano,
fato que já veio a ocorrer [13], onde, durante a ocasião, fechou-se o by-pass sem
verificar se o equipamento se encontrava na posição de neutro como descrito na seção
anterior.
A proposta para se promover uma proteção para o equipamento regulador de
tensão é a de se curto-circuitar o lado da fonte do regulador de tensão promovendo o
curto circuito entre as buchas S e SL como ilustra a figura 5-8, lembrando-se que a
bucha SL do equipamento sempre se encontra aterrada, o que corresponde a levar a
fase diretamente para a terra, impedindo que sobrecorrentes indesejáveis venham a
danificar os enrolamentos do equipamento regulador de tensão.
Figura 5-7 - Curto-circuitando o equipamento regulador de tensão
100
Deve-se atentar para um fato muito importante ao se fechar um curto-circuito
como o proposto neste estudo. Foi descrito no item 5-1-2 que os circuitos
alimentadores dos sistemas de distribuição também são constituídos por religadores,
cuja função é basicamente a de enxergar as faltas fase-fase ou fase-terra e desligar o
circuito alimentador. Com o sistema de atuação do regulador de tensão proposto, ao se
promover o curto-circuito, estaremos na verdade, provocando uma falta fase-terra
proposital, fazendo com que o religador também venha a atuar, desligando o circuito
alimentador e conseqüentemente desenergizando o equipamento regulador de tensão
(protegendo-o). Para se religar o circuito alimentador, é necessário a presença de
pessoal da operação para promover o religamento. Contudo, consegue-se com tal
proposta, promover a proteção do equipamento regulador de tensão que é um dos
objetivos deste trabalho.
5.4 O dispositivo de atuação
Nesta seção será analisado, dentre os dispositivos pesquisados, aqueles que
mais se aproximam do elemento de atuação ideal, para se promover o curto circuito do
equipamento regulador de tensão como visto na seção anterior.
A princípio, este estudo estava focado na busca por um elemento que pudesse
atuar de forma eficiente na proteção do equipamento regulador de tensão. Logo, dois
itens foram tomados como requisitos básicos e são eles:
9
O atuador deve ser compatível com os níveis de tensão e de corrente, (em
nosso caso, com tensões de 15kV e com correntes até 800 A);
9
O atuador deve ter a capacidade de ser controlável, para que se possa
fazer a interação deste atuador com a placa controladora do sistema de autoproteção do regulador de tensão.
Baseando-se nos itens acima, a busca por um elemento que viesse a preencher
tais requisitos foram deixados de lado (fusíveis, chaves seccionadoras, chaves do tipo
faca). Tais elementos, apesar de atenderem os requisitos de tensão e de corrente, em
101
especial as chaves do tipo faca e seccionadoras, que são muito utilizadas em operações
de manobra, pecam quanto a capacidade de controle e interação com a placa
controladora, já que são elementos de acionamento mecânico.
O elemento sugerido em nosso estudo que poderá vir a atender as
características citadas, principalmente com relação a possibilidade de se efetuar o
controle de fechamento e de abertura do curto-circuito, é o contator trifásico a vácuo.
Analisaremos aqui, o contator trifásico a vácuo considerado trata-se do 3TL71 da
Siemens, ilustrado na figura 4-9, cujo custo está em torno de R$40.000,00.
Figura 5-8 - Contator a vácuo 3TL71 da Siemens
Este é um dispositivo de atuação magnética destinado à interrupção de um
circuito em carga ou a vazio. O seu princípio de funcionamento baseia-se na força
magnética que tem origem na energização de uma bobina e na força mecânica
resultante que aciona os contatos das câmaras de vácuo, responsáveis pelo alto grau de
extinção do arco, com reduzido número de partes móveis. Este dispositivo, possui
características elétricas que se enquadram no perfil do elemento que irá atuar, quando
necessário, no sistema de auto-proteção do equipamento regulador de tensão.
102
A tabela 5-2 [14] mostra algumas das características técnicas deste dispositivo.
Tabela 5-2 - Caracteristicas elétricas do contator a vácuo 3TL81
Tensão nominal
24kV
Corrente nominal
800 A
Ith (1s)
8kA
Freqüência de operação
50 a 60 Hz
Número de contatos auxiliares
4 NA + 4 NF
6 NA + 6 NF
8 NA + 8 NF
Durabilidade mecânica
1.000.000 manobras
Vida mecânica das câmaras de vácuo
1.000.000 manobras
Vida elétrica das câmaras de vácuo
500.000 manobras
Corrente de corte
< 5 A em 220VAC
ou 220VDC
Após breve análise das características elétricas do contator a vácuo, percebe-se
que este é um dispositivo que se enquadra nos pré-requisitos de tensão e de corrente
citados anteriormente, assim como também este é um tipo de dispositivo que poderá
ser acoplado a um circuito de controle, em nosso caso, acoplado à placa controladora
de modo que este dispositivo poderá vir a fazer parte do circuito de auto-proteção do
regulador de tensão no que se refere a atuação deste circuito sobre o equipamento
regulador de tensão.
5.5 Visão geral do sistema de autoproteção
Neste momento, após análise do sistema de proteção, se faz necessário que se
visualize a proposta levantada neste trabalho como um todo. Com relação ao sistema
de autoproteção do equipamento regulador de tensão, observe-se por exemplo,
algumas sugestões de como poderia ser a instalação da autoproteção deste
103
equipamento. Para tanto, considere uma sugestão de um equipamento regulador de
tensão regulando uma linha monofásica conforme ilustra a figura 5-10. Neste caso,
conforme a tabela 5-2, será necessário de um contator trifásico a vácuo com apenas
oito contatos, 4NA + 4NF, sendo que se utilizaria a penas um dos contatos NA deste
dispositivo, para se promover o curto-circuito entre as buchas S e SL, conforme
descrito na seção 5-3. Entretanto, fazer uso deste tipo de contator, para reguladores
utilizados em linhas monofásicas, tornaria o sistema de proteção inviável devido ao
custo final deste equipamento, que excederia o custo do regulador de tensão, que está
em torno de R$33.000,00 , inviabilizando o sistema de proteção
Figura 5-9 - Sistema de autoproteção para circuito monofásico
Outra sugestão é para o banco de reguladores em um sistema trifásico,
conforme pode ser visto na figura 5-11, onde se tem a necessidade de utilizar três
contatos do tipo NA, para se curto-circuitar as buchas S e SL de cada regulador do
banco trifásico. Ao contrário da configuração monofásica, onde o custo final do
equipamento inviabilizaria o investimento no sistema de proteção, a situação muda
com relação ao banco de reguladores trifásicos, onde o montante a ser protegido agora
está em torno de R$100.000,00, tornando o sistema de proteção, com um preço em
torno de 40% do total a ser protegido. Nesta configuração, a proposta é de se fazer uso
de apenas uma placa controladora para o processamento dos dados monitorados de
todos os reguladores de tensão, com o intuito de se reduzir os gastos com o
equipamento de proteção.
104
Figura 5-10 - Sistema de autoproteção para circuito trifásico
Na figura 5-11, temos que o RT1, RT2 e o RT3 são os reguladores de tensão,
o CCC é o circuito condicionador de corrente, o CCT é o circuito condicionador de
tensão, o PCPD é a placa controladora - processamento de dados, e o DP é o
dispositivo de proteção.
Nota-se que todo o banco é protegido, mesmo que haja ocorrência de falta em
apenas um dos reguladores de tensão.
5.6 Conclusões
Neste capítulo foi analisado o atual sistema de proteção dos reguladores de
tensão monofásicos do tipo degrau, reforçando a idéia da real necessidade de um
sistema de autoproteção como o proposto neste estudo.
Também foram feitas a análise e a escolha por um dispositivo atuador que
poderá promover a proteção do equipamento regulador de tensão, e ainda, foram feitas
sugestões para a instalação do conjunto de proteção como um todo, em regulação de
linhas monofásicas e trifásicas. Também analisou-se nesta seção, a viabilidade
financeira da proteção proposta em nosso estudo.
105
Obervou-se ainda, a inviabilidade financeira, com relação ao uso da proteção
sugerida, com relação a alimentadores monofásicos, tornando-se assim, a proteção
possivelmente viável financeiramente apenas em alimentadores trifásicos.
106
6
CONCLUSÕES
Este projeto teve como objetivo, elaborar o estudo de uma autoproteção para
reguladores de tensão em sistemas de distribuição com ênfase na aquisição de dados e
na atuação. Com isso, foi tomado como base, o sistema de distribuição, assim como os
reguladores de tensão, do sistema ESCELSA de distribuição em nosso estado.
Para isso, este trabalho apresentou no capítulo 1 informações gerais a respeito
do regulador de tensão monofásico de 32 degraus, tais como o principio de
funcionamento, tipos de reguladores de degraus, dimensionamento de reguladores,
principais funções do sistema de controle, etc. Pela dificuldade encontrada em se obter
bibliografia que fale a respeito de reguladores de tensão, este capítulo poderá ser útil
em outros projetos que venham a coletar informações a respeito de reguladores de
tensão.
Já nos capítulos 2 e 3, foram analisados sensores para se promover o
sensoriamento da tensão e da corrente e conseguiu-se, com as propostas apresentadas,
obter o monitoramento da tensão e da corrente com eficiência. Lembrando-se aqui, que
a análise presencial do equipamento regulador de tensão em si, veio a constatar a real
possibilidade de instalação dos sensores sugeridos, conforme descrito neste estudo.
O capítulo 4 tratou de averiguar o atual sistema de proteção a que estão
sujeitos os reguladores de tensão, chegando-se a conclusão da real necessidade de se
promover a autoproteção. Também foi apresentado um dispositivo que pudesse
interagir com uma placa controladora, no caso, o contator a vácuo, que a princípio se
enquadrou no papel de dispositivo atuador da proteção. Entretanto, quanto a
viabilidade econômica, a proposta apresentada neste trabalho, só veio a se tornar
viável, para reguladores instalados em alimentadores trifásicos.
As idéias apresentadas ao longo deste trabalho, principalmente as que se
referem a atuação da proteção, também foram discutidas com o setor responsável pela
manutenção dos equipamentos reguladores de tensão da ESCELSA. Espera-se com
isso, que o presente trabalho venha a refletir fielmente o atual cenário do sistema de
107
distribuição atual, propondo num futuro próximo, a solução de problemas, que, em
nosso caso, envolvem a proteção de reguladores de tensão monofásicos do tipo degrau.
Como proposta de realização de trabalho futuro, sugere-se que se faça um
estudo de outro atuador para que a solução proposta possa se viabilizar
economicamente. Com o uso de um atuador de baixo custo, a solução proposta neste
trabalho, torna-se-á naturalmente atrativa. Nesta linha de investigação, sugere-se mais
especificamente, investigar o uso de chaves de aterramento ou de comando de motores
para que se possa, por exemplo, acionar as chaves do tipo faca automaticamente,
utilizando-se alavanca com acionamento eletromagnético. Uma outra alternativa
possível seria fazer a análise de um sistema que viesse a promover o disparo de
atuação de pára-raio.
108
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] CATÁLOGO TOSHIBA. O que interessa saber sobre os reguladores de tensão
monofásicos com 32 degraus. Out.2000.
[2] Cavati, C.R., Notas de aulas de distribuição de energia, DEL/CT/UFES,2000 .
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