EQUIPAMENTOS: DISJUNTORES, CHAVES SECCIONADORAS, TC’s, TPC’s E PÁRA-RAIOS

2011

Prof. Luiz Fernando Willcox de Souza

ESPECIFICAÇÃO DE EQUIPAMENTOS ELÉTRICOSO diagrama unifilar que se segue é a base para a solução dasquestões propostas.

- Condições de carga (MVA)

LADO DE MÁXIMA MÍNIMA230 kV ( 76 + j 7 ) ( 20 - j 8 )138 kV ( 76 + j 25 ) ( 20 + j 7 )

- Dados de consumo dos aparelhos (W/Var):

RELÉ OU BOBINA DE MOTOR DO CONJUNTOINSTRUMENTO CORRENTE TENSÃO DE DEMANDA MÁXIMA

51 2,5 / 8,0 NA NA51N 2,5 /8,0 NA NA59 NA 20 / 40 NA27 NA 20 / 40 NAA 1,5 / 1,5 NA NAW 0,5 / 1,0 3,0 /1,0 NAVAr 0,5 / 1,0 3,0 /

1,0NA

V NA 5,0 /0,5

NA

Wh 1,0 / 1,0 2,0 /6,0

2,0 / 2,0

- Serviço de medição apenas para fins de controle operacional.- Instrumentos e relés alojados em painel de controle distante 2 x50 = 100 m da caixa de terminais secundários dos transformadoresde instrumentos; cabo de controle a ser usado: em cobre, seção de4 mm2, condutividade elétrica igual a 57 m / .mm2 .

52

V 59

27

51

51N

A

W

V A

W

h

PR TPC TC

52

DADOS DO TRANSFORMADOR:230 - 13,8 - 13,8 kV; 60

Hz;80 MVA (ONAN); z = 10 %;ligação trifásica: Yn

Barra de 138 kV

Terciário

- Tempos de- atuação da proteção: tR = 0,5 ciclo (8,3 ms para 60 Hz)- separação dos contatos do disjuntor: tABD = 2 ciclos- interrupção do disjuntor: tD = 3 ciclos

- Valores de impedância vista pelo disjuntor de AT - 230 kV(base: @ 80 MVA)

- X1 = X2 = 0,023 º/1; X0 = 0,035 º/1; R1 = R2 = 0,0004 º/1; R0 = 0,0003 º/1

- Orientação (Hint):a - Para cálculo do item 4.2, considerar o expoente t igual a

(tR + tABD) .b - Para cálculo do item 4.3, considerar o expoente t igual

a 0,5 ciclo (8,3 ms para 60 Hz), ou seja, o tempo de atuação da proteção, quecorresponde apro-

ximadamente ao primeiro pico de corrente na envoltória dacorrente de falta. Especificar, segundo as normas ABNT:1 - A designação do TC, lado AT, para medição, em termos deexatidão e carga nominal.2 - A designação do TC, lado AT, para proteção, em termos deexatidão e carga nominal.3 - A designação do TP, lado AT, em termos de exatidão e carganominal.4 - Os seguintes parâmetros do disjuntor, lado AT

4.1- Valor eficaz da componente alternada da corrente de falta (kA ef);

4.2- Componente de corrente contínua da corrente de falta noinstante de

separação dos contatos, em termos de valor percentual econstante de tempo;

4.3- Capacidade de estabelecimento nominal em curto-circuito(kA pico) .5 - Os seguintes parâmetros da chave seccionadora, lado AT

5.1- Corrente suportável nominal de curta-duração (kA ef);5.2- Valor de crista da corrente suportável nominal de curtaduração (kA pico).

6 - Para o TC, lado AT, os valores mínimos de corrente térmicanominal e correntedinâmica nominal, respectivamente em kA ef e kA pico.

7 - Os níveis de isolamento normalizados para a isolação dosequipamentos do ladoAT e buchas de AT do transformador de potência, considerando queos pára-raiosdisponíveis, de tensão nominal igual a 192 kV ef, oferecem osseguintes níveis de proteção:

(i) - Para impulsos atmosféricos: 452 kV pico (máximo);(ii)- Para sobretensões a frequência industrial (60 Hz, 10

s): 211 kV ef (mínimo).A margem de segurança adotada para impulsos atmosféricos é de 30%, e a solução apresentada deve ser justificada.8 - A potência do equipamento de compensação de reativosrequerido em função das condições de carga fornecidas.

Solução:1 - Cálculo das cargas, considerando o consumo das bobinas decorrente dos instrumentos:

INSTRUMENTO W VArA 1,5 1,5W 0,5 1,0VAr 0,5 1,0Wh 1,0 1,0

Subtotal 3,5 4,5

Circuito: (100/4).(1/57) = 11 W

Total 14,5 W 4,5 VAr

Carga em VA = 145 452 2, , = 15,2 VAConsultando a tabela de cargas nominais da norma ABNT, inicia-sea verificação para a carga C25 (25 VA); tem-se:

W = 25 x 0,5 = 12,5 W (<14,5 W como calculado, e, portanto,não atende)

VAr = 25 x 0,867 = 21,6 VAr (>4,5 VAr como calculado,satisfazendo portanto).Repete-se agora a verificação para a classe imediatamentesuperior, ou seja, C50; tem-se:

W = 50 x 0,5 = 25,0 W (>14,5 W como calculado, e, portanto,atendendo)

VAr = 50 x 0,867 = 43,2 VAr ( >4,5 VAr como calculado,satisfazendo portanto).Logo, deve ser escolhida a carga nominal normalizada de C50,selecionando-se o erro de 0,6 % já que a medição é apenas parafins operacionais. Assim, a exatidão especificada corresponde a0,6C50.2 - Cálculo das cargas, considerando o consumo das bobinas decorrente dos relés:

RELÉ W VAr51 2,5 8,051N 2,5 8,0

Subtotal 5,0 16,0Circuito: (100/4).(1/57) = 11 W

Total 16,0 W 16,0 VArCarga em VA = 160 1602 2, , = 22,7 VAConsultando a tabela de cargas nominais da norma ABNT, inicia-sea verificação paraa carga C25 (25 VA); tem-se:

W = 25 x 0,5 = 12,5 W (<16,0 W como calculado, e, portanto,não atende)

VAr = 25 x 0,867 = 21,6 VAr (>16,0 VAr como calculado,satisfazendo portanto).Repete-se agora a verificação para a classe imediatamentesuperior, ou seja, C50; tem-se:

W = 50 x 0,5 = 25,0 W (>16,0 W como calculado, e, portanto,atendendo)

VAr = 50 x 0,867 = 43,2 VAr (>16,0 VAr como calculado,satisfazendo portanto).Cálculo da impedância Z: Z = 50 / 52 = 2 ohmTensão secundária: Z x (20 x IN) = 2 x (20 x 5) = 200 VLogo, a exatidão será 5B200 ou 10B200, dependendo do erro derelação escolhido, respectivamente, 5 % ou 10 %.3 - Cálculo das cargas, considerando o consumo das bobinas decorrente e tensão dos instrumentos e relés:

INSTRUMENTO OU RELÉ W VArW 3,0 1,5VAr 3,0 1,0V 5,0 0,5Wh 2,0 6,0Motor (Wh) 2,0 2,059 20,0 40,027 40,0 40,0Total 55,0 90,5

Carga em VA = 550 9052 2, , = 105,9 VAConsultando a tabela de cargas nominais da norma ABNT, inicia-sea verificação para a carga P200 (200 VA); tem-se:

W = 200 x 0,85 = 170,0 W (> 55,0 W como calculado, e,portanto, atende)

VAr = 200 x 0,53 = 105,5 VAr (> 90,5 VAr como calculado,satisfazendo portanto).Logo, é ser escolhida a carga nominal normalizada de P200,selecionando-se o erro de 0,6 %, já que a medição é apenas para fins operacionais.Assim, a exatidão especificada corresponde a 0,6P200.

As figuras 1, 2 e 3, que se seguem, mostram silhuetas típicas detransformadores deCorrente (tipo hair pin e núcleo no topo) e de potencial capacitivo,respecticamente.

Figura 1 - Transformador de corrente (hair pin)

Figura 2 - Transformador de corrente (núcleo no topo)

Figura 3 - Transformador de potencial capacitivo

4 - Cálculo dos parâmetros do disjuntor: é necessário que sejamcalculadas ascorrentes de falta trifásicas e monofásicas, a partir dos dadosde impedância forneci-dos, na base @ 80 MVA, como se segue.

- X1 = X2 = 0,023 º/1; X0 = 0,035 º/1;- R1 = R2 = 0,0004 º/1; R0 = 0,0003 º/1

Cálculo das correntes de falta- trifásica:

IF3Ø = E / Z ≈ E / X = 1 / 0,023 = 43,1 º/1, donde: IF3Ø = 43,5 x(80/√3.230) = 8,74 kA ef

- monofásica para terra:IF1Ø = 3E/(Z1 + Z2 + Z0) ≈ 3E/(X1 + X2 + X0) = 3 E/(2X1 + X0), eIF1Ø = 3/(2 x 0,023 +0,035) = 37,0 º/1

IF1Ø = 37,0 x (80/√3.230) = 7,43 kA efCálculo da relação X/R:X / R = 0,023 / 0,0004 = 57,5 º/1

(2X1 + X0) / (2R1 + R0) = (2 x 0,023 +0,035) / (2 x 0,0004 +0,0003) = 73,63 º/1 Como a corrente trifásica é maior que a corrente de faltamonofásica para a terra, seráusado o valor da primeira delas, ou seja, 8,74 kA ef.4.1 - Valor eficaz da componente de corrente alternada dacorrente de falta (ouvalor da componente periódica) - kA efIF CA 1,25 x IF 3Ø (ou IF1Ø), adotando-se uma margem de segurançade 25 %.No caso, IF 3Ø é maior que IF 1Ø, e, portanto:IF CA 1,25 x 8,74 = 10,93 kA efAdota-se, então, o valor normalizado imediatamente superior aovalor acima, conforme padronização da ABNT, ou seja, 12,5 kA ef (Os valores padronizados são:12,5 / 16/20 / 31,5 / 40 / 50 / 63 kA).4.2 - Componente de corrente contínua da corrente de falta (ouporcentagem da componente aperiódica) - %Icc (%) = 100 e ( - t / )

sendo:t = tempo mínimo de abertura dos contatos, contado a partir daatuação da proteção (ms) = constante de tempo do circuito vista dos terminais dodisjuntor (ms)Para um disjuntor com tempo de interrupção de 3 ciclos (dado), otempo de separaçãodos contatos é de 2 ciclos (também dado). Assim, tem-se:t = tABD min + tR =2,0 + 0,5 = 2,5 ciclos = 41,67 ms = (1 / 2.π.f).(X/R).1000 Para curto-circuito trifásico:

= (1 / 2.π.60).(X/R).1000 = 152,5 msLogoIcc (%) = 100 e ( - 41,67 / 152,5) = 76,1 %Icc (%) = ICC / √2. IFCALogo: Icc = Icc (%) x √2. IFCA = 76,1 % 2 10,93 = 11,76 kA picoAssim, especifica-se Icc (%) = 76,1 %, com = 152,5 ms (para X / R= 57,5).4.3 - Capacidade de estabelecimento nominal em curto-circuito(calculada para o primeiro pico de corrente e, portanto, com t igual ao tempo deatuação daproteção) – kA picoIF max = 2 x IFCA x (1 + Icc %) = 2 x IFCA x (1 + e[ - t / ], sendo:2 x (1 + e [ - t / ] = f

Logo:IF max = IFCA x f = 10,93 x [ 2 (1 + e{ - 8,33 / 152,5 } )] = 10,93 x 2,753= 30,1 kA picoComo o fator usualmente normalizado (f’ = 2,5), é menor que o fatorf calculado, adota-se o valor da capacidade de estabelecimento nominal em curto-circuito deI’Fmax = IFmax = 30,1 kA pico.Assim, o disjuntor selecionado segundo a norma ABNT tem osseguintes parâmetros:IF CA = 12,5 kA ef, Icc (%) = 76,1 %, e IF max = 2,753 x 10,93 =30,1 kA pico.A figura 4 a seguir ilustra a silhueta típica de um disjuntor ahexafluoreto de enxofre (SF6), o qual corresponde à mais moderna tecnologia para taisequipamentos.

Figura 4 – Disjuntor a SF6 (vista lateral de um polo)

LEGENDA:1. Câmara de interrupção2. Isolador suporte3. Estrutura suporte4. Mecanismo de operação5. Mecanismo de disparo6. Supervisão de gás (atrás)7. Haste de acoplamento dos pólos com proteção (não mostrado)8. Indicador de posição9. Capacitor equalizador de potencial (se requerido)10. Resistor de pré-inserção (se requerido)11. Anéis equalizadores

5 - Cálculo dos parâmetros das chaves seccionadoras de AT:5.1 - Corrente suportável nominal de curta-duração (1 s) – kA efEsta corrente é usualmente igual ao valor eficaz da componente decorrente alternada da corrente de falta, ou sejaINOM 1s = IFCA disj = 10,93 kA ef, sendo adotado o valor normalizadode 12,5 kA ef.5.2 - Valor de crista da corrente suportável nominal de curtaduração - kA picoO valor desta corrente, em kA pico, é igual ao produto do fatorf, anteriormente determinado no cálculo dos parâmetros do disjuntor, pelo valoreficaz da componente de corrente alternada da corrente de falta, ou sejaINOM crista = f x IFCA = 2,753 x 10,93 = 30,1 kA picoComo o fator f ’ = 2,5 é menor que o fator calculado - 2,753, tem-se:I’ NOM crista = I NOM crista = 30,1 kA picoAssim, a chave especificada segundo a norma ABNT tem os seguintesparâmetros:I NOM 1s = 12,5 kA ef, e I  NOM crista = 30,1 kA pico

A figura 5, a seguir, ilustra, sob a forma de diagramas, osdiversos tipos construtivos dechaves seccionadoras usualmente empregados nas subestações dealta e extra altatensão, os quais são caracterizados, sobretudo,  pelo método deabertura das suaslâminas.

Figura 5 – Silhuetas de chaves seccionadoras

6 - Dimensionamento térmico e dinâmico dos TC’s de AT:6.1 - Cálculo da corrente térmica nominal – kA ef

Esta corrente é igual ao valor eficaz da componente de correntealternada da correntede falta, ou sejaIT NOM = IFCA disj = 10,93 kA ef, sendo adotado o valor normalizadode 12,5 kA ef (1 s).6.2 - Cálculo da corrente dinâmica nominal – kA picoO valor desta corrente, em kA pico, é igual ao produto do fatorf, anteriormente determi-nado no cálculo dos parâmetros do disjuntor, pela correntetérmica nominal do TC, ouseja I DIN NOM = f x IT NOM = 2,753 x 10,93 = 30,1 kA picoNota:O tempo de permanência da falta corresponde à soma do tempo deinterrupção do disjuntor mais o tempo de atuação da proteção, ou seja, para ocaso presente:

t = t D + t R = 3,0 + 0,5 = 3,5 ciclos = 58,33 ms < 1 s Pelo princípio de conservação de energia, tem-se que I2.t =constante, ou aindaI. t = constante; logo, a corrente térmica para 1 s seria:

I T = I FCA x 5833 10 3, = 12,5 x 5833 10 3, = 3,02 kA efA corrente dinâmica do TC então seria igual a:

I DIN = 2,5 x IT = 2,5 x 3,02 = 7,6 kA picoMas a corrente dinâmica do sistema é igual a:IDIN sist = IFCA assim = 2,5 x IFCAsim = 2,5 x 2,5 = 31,3 kA pico, >IDIN = 3,8 kA pico.Portanto para t < 1s, o TC deve ser dimensionado para umacorrente dinâmica igual àcorrente dinâmica do sistema, ou seja:

I DINTC = IFCAassim = 31,3 kA pico, e sendo I T TC = I FCA sim = 12,5 kA ef

Desta forma, apenas para t > 1s prevalece a relação I DIN = f x IT, ousegundo as normas, I DIN = 2,5 x IT.7 - Níveis de isolamento normalizados para a isolação dosequipamentos de AT e buchas de AT do transformador de potência, ou seja, para a suaisolação auto-recuperante.O valor mínimo da tensão suportável nominal de impulsoatmosférico da isolação não

autorecuperante (isolação interna dos transformadores depotência, ou seja, isolaçãodas bobinas e afins) deve ser maior ou igual a 130 % do nível deproteção oferecidopelos pára-raios para tal impulso, ou:

TSNIA min 130 % x 452 = 588 kV picoO valor normalizado imediatamente superior, segundo as normasABNT, é de 650kV pico, sendo a margem de segurança real de

[(650 / 452) - 1] x 100 = 43,8 %,superior ao valor de 30 % admitido previamente.Admitindo-se a presença de efeitos de poluição, os valores dasuportabilidade daisolação externa das buchas e demais equipamentos (invólucro dedisjuntores, TC’s, TP’s, colunas de isoladores de chaves, etc) de AT, devemcorresponder, no mínimo, ecomo medida de segurança, à tensão suportável nominal de impulsoatmosférico deuma classe de isolamento acima, ou seja:

TSNIA = 750 kV picoA figura 6, a seguir, ilustra um pára-raios de EAT com invólucroem resina de silicone.

Figura 6 - Pára-raios de óxido de zinco

8 - Especificação da potência do equipamento de compensação dereativosrequerido, em função das condições de carga fornecidasCondições de carga (MVA):

LADO DE MÁXIMA MÍNIMA

230 kV (76 + j 7) (20 - j 8)

138 kV (76 + j 25) ( 20 + j 7)

Diagrama esquemático do transformador:X

H ♥

YConvenção: fasores representados em negrito e itálico.

QH = QX + QY Em condições de carga máxima:

QY = (+ j 7) - (+ j 25) = - j 18 MVAr (CAPACITOR)Em condições de carga mínima:

QY = (+ j 7) - (- j 8) = + j 15 MVAr (REATORDERIVAÇÃO)

Caso seja usado um compensador estático, a sua potência deveráser de - 18 MVAr como capacitor a + 33 MVAr como reator.Nesse caso, os capacitores são permanentemente ligados ao sistema,sem disposi-

tivos de chaveamento, com potência de 18 MVAr capacitiva, e os reatoressão ligadosatravés de um tiristor controlável, com potência variando de 0 a 33 MVArindutiva, oque possibilita a obtenção da faixa de potência especificada (-18MVAr a +15 MVAr).O procedimento em questão, com os capacitores fixos, é adotadopara evitar os surtos transitórios produzidos pelas manobras de capacitores. Se os capacitores forem previstos para conexão no lado de 138 kV,e admitindo que aligação trifásica seja a dupla estrela aterrada (mais usual), o seudimensionamento será como segue.

- Potência total trifásica = 18 MVAr = 18.000 kVAr- Potência por fase = 18.000 / 3 = 6.000 kVar- Potência por fase e por perna da estrela = 6.000 / 2 = 3.000 kVArConsidere-se o emprego de capacitores unitários de 100 kVar, 13,8kV. - Número de colunas de capacitores em série por fase = (230 / √3) /13,8 = 9,6 ≈ 10O número de capacitores em paralelo por coluna é igual ao quociente dapotência porfase e por perna (3.000 kVAr), pelo número de colunas decapacitores em série por fase (10), resultando em 3 capacitores em paralelo por coluna.Logo, a quantidade total de capacitores requeridos é igual a:(6 pernas x 10 colunas por perna x 3 capacitores em paralelo por coluna) = 180, correspondendo a uma potência trifásica total de 180 x 100 = 18.000 kVAr = 18MVAr.A figura 7, que se segue, mostra a configuração típica de umcompensador estático,notando-se que ele é constituído de um transformador abaixador de330–17,5 kV, 200MVA, e mais os seguintes braços:- um com um reator controlado a tiristor (TCR) de 150 MVAr;- um com um banco de capacitores controlado a tiristor (TSC) de150 MVAr; e- um com um grupo de filtros harmônicos de 50 MVAr.A faixa de operação requerida é obtida pelo controle dos trêsbraços; o TSC e os filtros

juntos geram 200 MVAr, e o TCR, após a compensação da potênciados filtros (50MVAr), consome 150 – 50 = 100 MVAr.

Figura 7 - Configuração típica de um compensador estático