Trafos e Alimentadores

Capítulo2 CHAVES-FUSÍVEIS PARA PROTEÇÃO DE ALIMENTADORES E
TRANSFORMADORES
2.1 Introdução
Classicamente, os sistemas de distribuição primários, aéreos, trifásicos e aterrados, constituídos por
condutores nus, têm os seus sistemas de proteção de sobrecorrentes constituídos por chaves-fusíveis,
religadores, relés em conjunto com disjuntores e seccionalizadores ou chaves seccionadoras
automáticas.
Por razões didáticas, este Curso será iniciado pelo estudo das chaves-fusíveis e seus respectivos elos.
Nos itens que seguem serão vistos o princípio de funcionamento de chave-fusível, as suas características para
especificação, o dimensionamento de elos-fusíveis e a filosofia de coordenação entre os mesmos.
2.2 Chaves fusíveis
Aqui serão abordados os principais tipos de chaves-fusíveis, suas características para especificação,
princípio de funcionamento e critérios de dimensionamento.
As chaves-fusíveis são dispositivos eletromecânicos que têm como função básica, interromper o
circuito elétrico quando ocorrer a fusão do elo-fusível. Possuem as seguintes características para especificação
:
• Tensão nominal;
• Nível básico de isolamento para impulso (NBI);
• Freqüência;
• Corrente nominal;
• Corrente de interrupção (capacidade de interrupção);
• Corrente de curta-duração
Sob o ponto de vista de proteção, a característica mais importante é a corrente de interrupção, que
deve ser especificada com base no valor assimétrico da corrente do maior curto-circuito no ponto de
instalação da chave.
De acordo com sua aplicação as chaves-fusíveis são classificadas em dois tipos: distribuição e
força.
a) Chaves-fusíveis de distribuição
São identificadas pelas características inerentes aos sistemas de distribuição:
•
•
•
NBI de sistemas de distribuição (para a classe de tensão 15kV: 95 ou 110kV);
Mecanicamente, são construídas para montagem em cruzetas;
Tensões nominais de sistemas de distribuição. No Brasil, as mais comuns são: 11,4kV,
13,2kV, 13,8kV ( estas são consideradas da classe 15kV) e 34,5kV.
b) Chaves-fusíveis de força
De modo geral, são empregadas em subestações para proteção de barramentos, transformadores,
bancos de capacitores, e "bypass" de disjuntores. Possuem NBI para classes de tensões mais elevadas (69kV,
138kV, por exemplo), cujos os Níveis Básicos de Isolação (NBI) são 350kV e 650kV, respectivamente.
Geralmente, as capacidades de interrupção são superiores às das chaves-fusíveis de distribuição.
Mecanicamente , são construídas para montagens em estruturas de subestações.
De maneira geral, as chaves-fusíveis empregadas até 25kV, são ditas de distribuição. Acima deste
valor, são consideradas de força. Entretanto, essa regra não é rígida.
2-1
Baseado na construção, as chaves-fusíveis podem ser do tipo aberta ou fechada:
a) Tipo fechada : O cartucho e as garras estão montados dentro de uma caixa protetora de material
isolante.
b) Tipo aberta : O cartucho e as garras não possuem caixa protetora.
Quanto ao modo de operação, podem ser:
a) De expulsão;
b) Imersas em óleo;
c) Limitadora de corrente
No Brasil, são fabricadas e largamente empregadas as chaves-fusíveis de expulsão, monofásicas, com
cartucho em fibra isolante, abertas, não repetitivas e indicadoras, conhecidas também como "chaves Matheus"
.
O princípio de funcionamento se baseia na extinção do arco elétrico formado dentro do cartucho
ou canela, devido a abertura do circuito após a fusão do elo-fusível. O arco irá queimar o tubinho e/ou
paredes do cartucho, produzindo gases desionizantes (CO2 , nitrogênio, etc), que irão extinguí-lo. Além
disso, a expansão destes gases no interior do cartucho, dá origem a uma intensa diferença de pressão interna,
que irá expulsar os mesmos pela parte inferior. Isto origina um empuxo para cima (princípio da ação e reação)
, que desconecta o contato superior do cartucho do contato da chave, fazendo-o girar através de uma junta
articulada. Após a operação da chave, o cartucho fica "pendurado", indicando a operação ("canela
arriada"). Daí, dizer-se que a chave tem a propriedade indicadora ou sinalizadora visual .
Os principais componentes de uma chave-fusível tipo expulsão são :
•
•
•
•
Elo-fusível (liga de material condutor);
Cartucho ou canela (tubo de fibra isolante);
Isolador (porcelana ou resina epoxi);
Base ou dispositivo de fixação (aço zincado).
É importante observar que este tipo de chave-fusível não deve ser empregado para manobra de
circuito com carga, pois são do tipo "seca" , isto é, os seus contatos não possuem meios de interrupção de
arco (óleo, SF6 , etc.). A abertura de circuito com carga leva a um desgaste prematura dos contatos da chave.
Além disso, pode provocar danos físicos e risco de vida à pessoa que está realizando a operação de abertura,
principalmente nos dias chuvosos. Isto acontece porque, no momento da abertura, o arco elétrico pode
envolver a cruzeta e, estando esta aterrada, vai originar um curto-circuito fase-terra, que, por sua vez, poderá
produzir tensões de passo elevadas.
Foram desenvolvidos alguns acessórios para essas chaves que, quando instalados, possibilitam, com
segurança, a abertura de circuitos com carga. Um desses acessórios, bastante utilizado, é o "gancho" próprio
para o "load buster". Existem chaves que sãor equipadas com câmara de extinção de arco.
Geralmente, o cartucho e o elo-fusível são intercambiáveis, isto é, podem ser substituídos por outros
do mesmo fabricante ou de outros.
A instalação da chave na cruzeta, forma um ângulo de aproximadamente 70o , em relação à horizontal
para, através da ação da gravidade, facilitar o giro do cartucho após a operação.
2-2
A Tabela 2.1 fornece as chaves mais usadas no Brasil na classe 15kV :
Tab. 2.1 Chaves-fusíveis mais usadas no Brasil
Tensão
Nominal
(kV)
NBI
(kV)
15
15
15
15
15
15
95
95
95
95
110
110
Corrente
Nominal
(A)
50
100
100
100
200
300
De
interrupção
Assímetrica
(kA)
1,2
2
4 ou 5
8 ou 10
4 ou 8
10
Observação
*
*
*
*
*
*
* Pode ser equipada com ganchos próprios para "Load Buster" (dispositivo que permite abrir a chave-fusível
em carga).
2.3 Dimensionamento de chaves-fusíveis
Para especificar uma chave-fusível, é necessário o dimensionamento da capacidade de interrupção
e da corrente nominal. Para isso, deve-se conhecer as correntes de carga e de curto-circuito máximas no
ponto de instalação da mesma.
Deverão ser observados os critérios a seguir :
a) A corrente nominal da chave deverá ser igual ou maior do que a corrente de carga máxima, no
ponto de instalação da mesma, multiplicada por um fator k ; ou superior ao valor da corrente
admissível do fusível empregado, também multiplicada por K.
I N ,CH ≥ k × I C ,MAX
(2.1)
Onde :
IN,CH : Corrente nominal da chave;
IC, MAX : Corrente de carga máxima no ponto de instalação;
K : Fator de segurança, comumente tomado com valor 1,5 . Mas, pode ser qualquer valor entre 1 e 2
O fator de segurança K, é empregado para levar em conta situações de remanejamento de carga, de
sobrecarga ou o próprio crescimento de carga do circuito. O seu valor é tomado de acordo com a condição de
operação do circuito, geralmente, para o caso mais desfavorável ou mais freqüente.
Para o caso de crescimento de carga, o fator K é determinado pela expressão :
k = (1 + a )n
(2.2)
Onde :
n : número de anos do planejamento (em sistemas de distribuição é comum se empregar dois anos: n=2);
a : taxa de crescimento anual do sistema.
É mais comum ser utilizado o critério de corrente admissível do fusível empregado, ou seja:
I NOM ,CH ≥ k × I ADM ,FUS
(2.3)
2-3
Onde:
I NOM, CH : Corrente nominal da chave
I ADM ,FUS : Corrente admissível do fusível.
K : fator de segurança, geralmente é tomado com o valor 1,5 .
b) A corrente de interrupção da chave deverá ser igual ou superior ao maior valor assimétrico da
corrente de curto-circuito no ponto de instalação da mesma.
I INT ,CH ≥ maior (I CURTO , ASSIM )
(2.4)
Onde:
I INT, CH : Maior corrente que a chave é capaz de interromper ser sofrer danos (capacidade de interrupção)
I CURTO, ASSIM : Maior corrente de curto-circuito, valor assimétrico, no ponto de instalação.
2.4 Elos-fusíveis
Os elos-fusíveis são a parte ativa da chave-fusível, ou seja, são os elementos sensores que detectam a
sobrecorrente e juntamente com o cartucho, interrompem o circuito. Não devem fundir com a corrente de
carga do equipamento ou do circuito protegido e devem obedecer as curvas características tempo x corrente
fornecidas pelos fabricantes.
Os elos-fusíveis são identificados por sua corrente nominal e tipo, devendo ainda aparecer
(geralmente no botão) o nome ou marca do fabricante. São constituídos das seguintes partes:
•
•
•
•
Botão com arruela;
Elemento fusível;
Tubinho;
Rabicho
São classificados em dois grandes grupos: distribuição e força.
a)
De distribuição :
• Tipo K - Elos-fusíveis rápidos;
• Tipo T - Elos-fusíveis lentos
Tipo H - Elos-fusíveis de alto surto (high surge), de ação lenta para surtos de corrente (a
corrente transitória de magnetização de transformador, por exemplo) . São fabricados somente para pequenas
correntes nominais. Geralmente, são usados para proteger transformadores de pequenas potências (até 75
kVA) e pequenos bancos de capacitores.
Correntes nominais normalmente padronizadas para esses elos-fusíveis:
•
Valores preferenciais para os tipos K e T : 1, 2, ,5 , 6 , 10 , 15 , 25 , 40 , 65 , 100 , 140 e 200 A
•
Valores não preferenciais para os tipos K e T: 8 , 12 , 20 , 30 , 50 e 80 A .
•
Valores para os tipo H : 1 , 2 , 3 , 5 A .
Os elos-fusíveis K e T , geralmente admitem correntes 50% acima da nominal (corrente admissível).
Por exemplo, o elo de 10K admite uma corrente de 15A . Isto é, permite uma sobrecarga.
2-4
I ADM = 1,5 × I NOM
(2.5)
Onde :
IADM : Corrente admissível
INOM : Corrente nominal
Na Tabela 2.2, estão dadas as correntes nominais e admissíveis dos elos K e H mais comuns, com as
respectivas chaves.
b) De força :
• Tipo EF - Elos-fusíveis rápidos;
• Tipo ES - Elos-fusíveis lentos
Tab. 2.2 Correntes nominais e admissíveis
de elos H e K e as respectivas chaves-fusíveis
Elo-fusível
Chave-fusível : corrente
nominal
(A)
Corrente
nominal
(A)
Corrente
admissível
(A)
Tipo H
1
2
3
5
1
2
3
5
Tipo K
6
8
10
12
15
20
25
30
9
12
15
18
22,5
30
37,5
45
40
50
65
60
75
97,5
80
100
140
200
120
150
190
200
50
100
200
O funcionamento do elo-fusível, se baseia na fusão do elemento fusível (geralmente de liga de estanho ou
prata) por efeito Joule, quando a corrente passante está superior a corrente admissível. A maioria dos elos
atingem o ponto de fusão em uma temperatura próxima de 230o C. Para a corrente admissível, o elo
trabalha com temperatura em torno de 100o C .
2-5
Devido o arco elétrico, em tensões elevadas (classe 15kV, ou superiores, por exemplo), a fusão do
elo geralmente não interrompe o circuito. Para interrompe-lo efetivamente, torna-se necessário a extinção do
arco. Isso é feito por gases desionizantes produzidos no interior do cartucho, em conseqüência da queima do
tubinho e/ou das paredes internas do próprio cartucho.
A energia liberada pelo arco vai depender do tempo, da tensão e da corrente. Se o cartucho não for
adequado, dependendo da energia, pode ocorrer "inchaço", explosões ou outros danos mecânicos.
Os fabricantes de elos-fusíveis fornecem, por bitola, curvas características tempo x corrente de fusão
e interrupção, conhecidas como:
• Curvas de tempos mínimos de fusão;
• Curvas de tempos máximos de fusão;
• Curvas de tempos totais de interrupção
As curvas de tempos mínimo e máximo de fusão são determinadas em ensaios de fusão de várias
amostras, feitos com baixa tensão para não haver formação de arco.
As curvas de tempos totais de interrupção, ou tempos máximos de aberturas, são determinadas por
ensaios efetuados sob 15kV, havendo, portanto a ocorrência de arco elétrico. A ABNT postula também que as
curvas de tempos totais podem ser obtidas das curvas de tempos máximos de fusão mediante a adição de
tempos de arco (em torno de 10ms).
Para a coordenação ou seletividade de elos-fusíveis são usadas as curvas de mínimos tempos de
fusão e de máximos tempos totais de interrupção.
2.5 Dimensionamento de elos-fusíveis
Na distribuição aérea primária, a maior aplicação de elo-fusível é na proteção de transformadores e
ramais. Para cada caso existem critérios a serem observados, que serão apresentados nos parágrafos seguintes.
2.5.1 Elos-fusíveis para proteção de transformador
Os elos-fusíveis de proteção de transformador, devem satisfazer aos seguintes requisitos:
a) Operar para curtos-circuitos no transformador ou na rede secundária;
b) Suportar continuamente, sem fundir, a sobrecarga permissível ao transformador. Para
transformador de distribuição, admite-se uma sobrecarga de duas vezes a sua carga nominal.
c) De acordo com a curva de tempos máximos admissíveis para sobrecorrentes em
transformador, deverá fundir num tempo inferior a 17s , com correntes de 2,5 a 3 vezes a
corrente nominal do transformador;
d) Não deverá fundir para a corrente transitória de energização do transformador, estimada em 8 a
12 vezes a sua corrente nominal (para transformador com potência até 2MVA). Considera-se
este transitório com duração em torno de 0,1s.
e) Deve coordenar com as proteções à montante e a jusante do transformador;
f) Deve coordenar com a curva térmica do transformador.
Para facilidade de aplicação, os catálogos de fabricantes fornecem tabelas com os elos-fusíveis
apropriados para proteção de transformadores de distribuição (Tabela 2.3).
2-6
Tab. 2.3 Elos-fusíveis para proteção de transformadores trifásicos de distribuição
Potência do
Transformador
(kVA)
15
30
45
75
112,5
150
225
300
6,6 kV
Corrente
Fusível
(A)
1,31
1H
2,62
3H
3,94
5H
6,56
8K
9,84
10K
13,12
15K
19,68
20K
26,24
30K
Transformador trifásico
13,8 kV
22 kV
Corrente
Fusível
Corrente
Fusível
(A)
(A)
0,63
1H
0,39
1,26
2H
0,79
1,88
3H
1,18
1H
3,14
5H
1,97
2H
4,71
6K
2,95
5H
6,28
8K
3,94
5H
9,41
10K
5,90
6K
12,55
15K
7,87
10K
2.5.2 Elos-fusíveis para proteção de circuitos primários
O dimensionamento de elos-fusíveis para proteção de circuitos primárias, leva em conta os critérios
de corrente e seletividade.
a - A corrente nominal do 1o elo-fusível de um ramal, no sentido da carga para a fonte, deverá ser
igual ou maior do que 1,5 vezes o valor máximo da corrente de carga medida ou
convenientemente avaliada no ponto considerado .
I NOM , ELO ≥ 1,5 × I CARGA , MAX
(2.6)
b- Os demais elos-fusíveis instalados à montante do anterior, deverão obedecer aos critérios a seguir:
b.1- A capacidade nominal do elo-fusível deverá ser igual ou maior do que 1,5 vezes o
valor máximo da corrente de carga medida ou convenientemente avaliada no ponto de
instalação;
b.2 - A capacidade nominal do elo-fusível protetor deverá ser, no máximo, um quarto (1/4)
da corrente de curto-circuito fase terra mínimo no fim do trecho protegido por ele;
b.3 - O elo protegido, deverá coordenar com o elo protetor, pelo menos, para o valor da
corrente de curto-circuito fase-terra mínimo no ponto de instalação do elo protetor.
c - Quando existir três ou mais elos-fusíveis em cascata, poderá se tornar impraticável a obediência
aos critérios anteriores. Portanto, deverá ser sacrificada a perfeição da coordenação, mantendo-se,
porém, a seletividade.
d - Para maior facilidade de coordenação de elos-fusíveis, deverá ser evitado o uso de elos tipo H
como proteção de circuitos, ficando restrito à proteção de transformadores de distribuição. Para
proteção de circuitos deverão ser empregados apenas elos tipo K ou T.
e - Para ampliar a faixa de coordenação e reduzir o número de elos utilizados, recomenda-se optar,
sempre que possível, pela utilização de elos-fusíveis preferenciais.
f - Para a coordenação de elos, deve-se utilizar as Tabelas de Coordenação (2.4 , 2.5 , 2.6 e 2.7)
fornecidas pelos fabricantes. Na falta destas, podem-se determinar os valores limites de coordenação
pelas curvas tempo x corrente. Para isso, a coordenação é considerada satisfatória quando:
2-7
“O tempo total de interrupção do fusível protetor não exceder 75% do mínimo tempo de fusão
do fusível protegido” .
t INT , ELO PROTETOR ≤ 0,75 × t MIN FUS , ELO PROTEGIDO
(2.7)
Em um sistema elétrico radial , o elo-fusível mais próximo do local da falta (F) é chamado de
protetor (proteção principal), e o elo na retaguarda deste, é conhecido como protegido (proteção de
retaguarda) (Fig 2.1) . Explicando melhor, para todas as faltas no trecho AB, protegido por 1, este deverá
queimar antes do 2 .
Elo
protegido
S
Fonte
IF
2
Corrente de falta
1
S
Elo Protetor
A
F
B
Fig. 2.1 – Elos protetor e protegido
Tab. 2.4 Coordenação de elos K e H
Elo
Elo protegido
protetor
8K 10K 12K 15K 20K
1H
125 280 380 510 650
2H
45
220 450 650
3H
45
220 450 650
5H
45
220 450 650
8H
45
220 450 650
25K
840
840
840
840
840
Tab. 2.5 Coordenação de elos T e H
Elo
Elo protegido
protetor
8T 10T 12T 15T 20T
1H
400 520 710 920 1200
2H
240 500 710 920 1200
3H
240 500 710 920 1200
5H
240 500 710 920 1200
8H
240 500 710 920 1200
25T
1500
1500
1500
1500
1500
30K
1060
1060
1060
1060
1060
30T
2000
2000
2000
2000
2000
40K
1350
1350
1350
1350
1350
50K
1700
1700
1700
1700
1700
65K
2200
2200
2200
2200
2200
80K
2800
2800
2800
2800
2800
100K
3900
3900
3900
3900
3900
140K
5800
5800
5800
5800
5800
200K
9200
9200
9200
9200
9200
40T
2540
2540
2540
2540
2540
50T
3200
3200
3200
3200
3200
65T
4100
4100
4100
4100
4100
80T
5000
5000
5000
5000
5000
100T
6100
6100
6100
6100
6100
140T
9700
9700
9700
9700
9700
200T
15200
15200
15200
15200
15200
2-8
Tab. 2.6 Coordenação de elos K
Elo
Elo protegido
protetor
8K 10K 12K 15K
6K
190 350 510
8K
210 440
10K
300
12K
15K
20K
25K
30K
40K
50K
65K
80K
100K
140K
Tab. 2.7 Coordenação de elos T
Elo
Elo protegido
protetor
8T 10T 12T 15T
6T
350 680 920
8T
375 800
10T
530
12T
15T
20T
25T
30T
40T
50T
65T
80T
100T
140T
20K
650
650
540
320
25K
840
840
840
710
430
30K
1060
1060
1060
1050
870
500
40K
1340
1340
1340
1340
1340
1100
660
50K
1700
1700
1700
1700
1700
1700
1350
850
65K
2200
2200
2200
2200
2200
2200
2200
1700
1100
80K
2800
2800
2800
2800
2800
2800
2800
2800
2200
1450
100K
3900
3900
3900
3900
3900
3900
3900
3900
3900
3500
2400
140K
5800
5800
5800
5800
5800
5800
5800
5800
5800
5800
5800
4500
2000
200K
9200
9200
9200
9200
9200
9200
9200
9200
9200
9200
9200
9200
9100
4000
20T
1200
1200
1100
680
25T
1500
1500
1500
1280
730
30T
2000
2000
2000
2000
1700
990
40T
2540
2540
2540
2540
2500
2100
1400
50T
3200
3200
3200
3200
3200
3200
2600
1500
65T
4100
4100
4100
4100
4100
4100
4100
3100
1750
80T
5000
5000
5000
5000
5000
5000
5000
5000
3800
1750
100T
6100
6100
6100
6100
6100
6100
6100
6100
6100
4400
2200
140T
9700
9700
9700
9700
9700
9700
9700
9700
9700
9700
9700
7200
4000
200T
15200
15200
15200
15200
15200
15200
15200
15200
15200
15200
15200
15200
13800
7500
2-9
2.6 Exercício de aplicação
Para o sistema de distribuição dado na Fig. 2.2, pede-se fazer o dimensionamento dos elos-fusíveis e
das respectivas chaves. Para o caso dos elos, observar a coordenação entre eles.
13,8 kV
33,5 A
S/E
500kVA
S5
30kVA
12,6 A
4
S 3
S
S
75kVA
6,3 A
2
6,3 A
S
1
45kVA
Transformador de
distribuição
150kVA
Fig. 2.2 – Exercício de aplicação de elo e chave-fusível
Resolução:
a) Dimensionamento dos elos-fusíveis dos transformadores
No dimensionamento dos elos foi utilizada a Tabela 2.3 .
b) Dimensionamento dos elos-fusíveis dos ramais
Para isso, é necessário se conhecer as correntes de carga e de curtos-circuitos, conforme estão dadas
na Fig. 2. 3.
♦
•
Critério de corrente
INOM, ELO 4 ≥ 1,5 x 6,3
•
INOM, ELO 4 ≤ 1/4 x 125
♦
•
Critério de coordenação
Pela tabela de coordenação de elos K e H (Tabela 2.4), verifica-se que no ponto 4 deve ser instalado o
elo 12K , pois coordena com o 5H (ponto 1) para a corrente limite de 220A , satisfazendo aos critérios
de corrente e coordenação. Como o 12K coordena com o 5H, então, automaticamente, coordenará com
os elos 2H e 3H.
No ponto 5, será colocado o elo 20K, pois satisfaz ao critério de corrente e coordena com o 12K até o
limite de corrente de 320A (vê Tabela 2.6).
•
INOM, ELO 4 ≥ 9,45 A
INOM, ELO 4 ≤ 31,25
10K , 12K , 15K …
10K, 12K, 15K, 20K, 15K, 30K
2-10
c) Dimensionamento das chaves-fusíveis
De acordo com os critérios dados nas Equações 2.3 e 2.4 e as Tabelas 2.1 e 2.2, a chave com a especificação
a seguir satisfaz a todos os pontos.
•
•
•
•
•
Corrente nominal = 50 A;
Capacidade de interrupção = 1,2 kA;
Tensão nominal = 13,8 kV;
Classe de tensão 15 kV;
NBI = 95 kV;
810
778
565
33,5 A
S/E
335
5
310
S20K
275
245
170
225
12,6 A
30kVA
3
12K
210
185
125
S 2H
5H
S
S
4
6,3 A
6,3 A
2
S 3H
1
Legenda
230
206
130
75kVA
45kVA
Curto trifásico
ICC,3φφ
Curto bifásico
ICC,2φφ
Curto fase-terra
ICC,φφ
Fig. 2.3 – Exercício de aplicação de elo e chave-fusível
Na Fig. 2.3, tem-se o resumo do exercício resolvido. É importante que após o dimensionamento dos
elos-fusíveis, eles sejam alocados no diagrama unifilar do sistema, conforme foi feito.
2-11
2.7 Exercício proposto
Dimensionar e especificar os elos-fusíveis e as respectivas chaves do sistema de distribuição dado abaixo.
155 A
carga
S/E
600
450
S
390
520
Legenda
ICC,3φφ
Curto bifásico
ICC,2φφ
Curto fase-terra
ICC,φφ
300
25 A
S
carga
S
Curto trifásico
500
75kVA
380
S
300
329
260
230
200
125kVA
2-12