bancos_de_capacitores

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UFPE – Universidade Federal de Pernambuco
DEESP – Departamento de Engenharia Elétrica 
Alunos: Dilson Ricardo da Silva Filho
	 Francisco Vasquez Delgado 
Professor: José Maurício Barros Bezerra
Disciplina: Equipamentos Elétricos
Bancos de capacitores
 
Recife, 21 de Junho de 2010
Introdução
	Compensação reativa
	Em cargas indutivas, há necessidade de potência reativa, para excitar os ramos de magnetização. Na indústria, a maioria das cargas são indutivas. Em sistemas de potência, também há necessidade da corrente de magnetização. Para minimizar as perdas devido a essa energização, podemos usar compensadores reativos, a fim de fornecer a potência necessária para magnetizar o sistema.
	Bancos de capacitores são conjuntos de capacitores, que têm como principal função a compensação reativa capacitiva, compensando o fator de potência, e melhorando alguns aspectos no sistema, como aumentar a tensão nos terminais da carga, reduzir as perdas na transmissão, entre outros.
	Levam vantagem em relação a outros compensadores, como compensadores estáticos e síncronos, devido a fatores como custo menor, maior facilidade de instalação e manutenção, etc..
	Além da compensação reativa, os bancos de capacitores também ser ligados em série com o sistema a fim de melhorar o sistema. Seja o equivalente de um sistema abaixo:
Sabemos que, para duas barras conectadas por uma impedância, a potência é dada por:
	
Logo, para termos uma maior transferência de potência, devemos minizar a impedância entre as linhas. Como essa é constituída principalmente de indutâncias, podemos fazer isso inserindo um banco de capacitores em série.
Construção
Os bancos de capacitores são formados por um conjunto de unidades capacitivas, chamadas de latas ou células.Cada célula é formada por um conjunto de capacitores individuais. Estes, por sua vez, são formados por eletrodos de alumínio ou zinco, filme de polipropileno impregnado em óleo. O filme mais usado na atualidade é o polipropileno metalizado, devido à sua capacidade de formar lâminas bastante finas. 
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Lata ou célula
Modelo esquemático de uma célula
A célula também é composta por um resistor interno de descarga, que tem como papel absorver a energia armazenada pelos capacitores, quando esses são desligados e, dessa forma, reduzir a tensão nominal do sistema até 50V ou menos, por um tempo de normalmente 5 minutos. Possui resistência elevada, da ordem de Megaohms. 
Para fins de proteção das células, unidades capacitivas podem possuir fusíveis internos ou externos, com uma série de vantagens e desvantagens. A tendência nos dias atuais é a utilização de fusíveis internos, devido a fatores como:
- A unidade continua operando mesmo se um capacitor individual for danificado(embora os demais sejam sobrecarregados, o que pode diminuir a vida útil da célula.
- Fusíveis internos são usados de forma a limitar a potência reativa numa unidade capacitiva em paralelo, a fim de evitar explosões.
- Atenuação da instalação de latas com um kVAr menor.
Fusíveis externos apresentam como grande vantagem a fácil visualização de defeito e fácil manutenção(troca dos fusíveis).
Os bancos de capacitores geralmente são ligados fazendo ligações em série e em paralelo das unidades(embora possa-se usar transformadores para abaixar a tensão, a prática mais usada é a primeira).
	
	Dispositivo de segurança
Além dos fusíveis, alguns capacitores possuem um dispositivo interno que interrompe a corrente elétrica em caso de sobrecarga ou sobrepressões internas ao capacitor. Com o aumento de correntes, aumenta-se a temperatura e a pressão no interior do capacitor, provocando sua expansão. Essa expansão interrompe a circulação de corrente no capacitor. O esquema está mostrado abaixo:
	
Ligação de Bancos
Os bancos podem ser ligados em estrela(simples ou dupla, aterrado ou não) ou em triângulo(simples ou dupla)
�
 1) Estrela aterrada 2) Estrela Isolada 3) Triângulo
�
Dupla estrela aterrada
�
Duplo delta ou duplo triângulo
Os bancos em triângulo são empregados, por razões econômicas, a tensões iguais ou inferiores a 2400V. Além disso, funcionam como um filtro natural do terceiro harmônico(já que essas correntes harmônicas circulam entre o delta,anulando-se entre si), além de um banco em delta funcionar normalmente caso uma das células seja eliminada. Para tensões maiores, deve ser usar ligação em estrela. Esta pode ser aterrada ou não, onde cada uma apresenta uma série de vantagens e desvantagens
	Ligação
	Estrela-aterrada
	Estrela isolada
	Vantagens
	- Auto-protegidos contra surtos atmosféricos(não há necessidade de pára-raios adicionais)
- Podem ser usados como filtro de harmônicos(caminho de escoamento de baixa impedância para correntes de altas freqüências)
- TTR nos disjuntores e fusíveis relativamente baixa
	-Não provocam interferências nos circuitos de comunicação
- Não há tanta preocupação com a proteção nos secundários do TC
	Desvantagens
	 - Aumenta a interferência em circuitos de comunicação, devido às correntes de alta freqüência para a terra.
- Queima de fusíveis, sistemas de proteção e danificação das latas devido às altas correntes harmônicas
 - Obrigatória a instalação de reatores em série e/ou limitadores de tensão nos secundários dos TCs, a fim de diminuir o produto módulo x freqüência de descargas dos bancos para curto-circuitos
	- Dificuldade para o isolamento do neutro em tensões acima de 15kV
- Encarecimento do disjuntor ou seccionador devido à TTR nos equipamentos de manobra do banco
Em sistemas de potência, geralmente é preferida a ligação em estrela-aterrada.
 Fenômenos transitórios	
 	Os bancos de capacitores podem ter sua vida útil e funcionalidade diminuída, quando submetidos a certos fenômenos transitórios. 
 
A figura acima mostra a corrente quando ocorre a energização de um banco de capacitores. Nesse fenômeno ilustrado, a corrente transitória é de cerca de 18 vezes a corrente nominal.
A tensão de um banco de capacitores durante a energização é ilustrada na figura acima. Vemos uma sobretensão de, aproximadamente, 1,8pu.
A figura acima mostra a corrente num banco de capacitores de 162,5 Mvar,345kV, quando ocorre um curto-circuito próximo a ele.
	
Componentes harmônicas 
	Constituem geradores de harmônicos num sistema de potência: transformadores, retificadores, etc. Os harmônicos devem ser evitados, já que em altas freqüências a corrente que circula nos capacitores aumenta devido à baixa impedância . Para evitar os harmônicos, deve-se desligar os bancos de capacitores quando não forem necessários(diminuindo, assim, as sobretensões no sistema), distribuir os bancos ao longo do sistema(evitando o acúmulo de reativos num ponto só), além de utilizar filtros.
	Devido aos efeitos dos harmônicos, é comum para o cálculo da corrente nominal dos equipamentos do vão do banco de capacitores usar o fator de 1,25 e 1,35 vezes a corrente nominal para os bancos não aterrados e aterrados, respectivamente.
Proteção de bancos de capacitores
Surtos de tensão: usam-se resistores de pré-inserção e pára-raios de óxido de zinco.
Sobrecorrentes: fusíveis, ordenação adequada dos capacitores em ligação série/paralelo, utilização de resistores de pré-inserção do disjuntor de manobra do banco.
Sobretensões permanentes nos capacitores: inspeção periódicas nos fusíveis(em caso de fusíveis externos), sensores de desbalanço de neutro, relés diferenciais de tensão para bancos com estrela aterrada.
 
Alguns esquemas de proteção para bancos ligados em estrela aterrada
Análise quantitativa de capacitores em Alta Tensão e Extra Alta Tensão
Potência
A potência de um capacitor trifásico pode ser calculada pela seguinte equação:
Onde 
 são as capacitâncias monofásicas medidas, f é a freqüência, 
 é a tensão nominal e Q a potência em kvar. 
	A potência variacom a temperatura. Essa variação é dada pela curva abaixo:
Perdas no dielétrico
As perdas no dielétrico são função da temperatura. Abaixo está mostrada uma figura de como se comportam as perdas do dielétrico.
Essa característica também é função do óleo isolante; óleos mais modernos tendem a apresentar menos perdas
Tendo esses dados, podemos elaborar um circuito equivalente de uma lata, mostrado abaixo:
	Onde Rp é a resistência devido ás perdas no dielétrico, e Rd é o resistor de descarga.
Podemos representar o modelo de um banco de capacitores através de associações série/paralelo de latas(usando o circuito equivalente acima), mas levando em consideração a indutância intrínseca do banco(decorrente principalmente dos cabos de conexões das células). Estes valores são assumidos como sendo 5uH para tensões inferiores a 46 kV e 10uH para tensões acima desta.
	Caso seja possível, essa indutância pode ser feita obtida através de ensaios. Este consiste em aplicar tensão em uma das fases, e fechando seus terminais. Feito isso, medimos a forma de onda da corrente transitória de descarga do banco. Os valores de Lo e Rp podem ser obtidos pela freqüência de amortecimento da curva.
Sobretensões e vida útil
	A vida útil de um capacitor é função principalmente da tensão aplicada nele. Abaixo segue a curva vida útil x tensão aplicada, para um capacitor tipo Polivar,200kvar, 4140/4360V.
Abaixo, temos uma tabela das tensões máximas permitidas, em função do tempo aplicado, para garantir a durabilidade de um capacitor. 
	Duração da sobretensão
	Tensão máxima permissível(pu)
	0,5 ciclo
	3,00
	1 ciclo
	2,70
	6 ciclos
	2,20
	15 ciclos
	2,00
	1s
	1,70
	15s
	1,40
	1min
	1,30
	5min
	1,20
	30min
	1,15
No caso de transitórios, as tensões e correntes máximas aplicáveis seguem as tabelas abaixo:
	Número provável de transitórios/ano
	Valor do pico de tensão(pu)
	4
	5,0
	40
	4,0
	400
	3,4
	4000
	2,9
	Número provável de transitórios/ano
	Valor do pico de corrente(pu)
	4
	1500
	40
	1150
	400
	800
	4000
	400
	Os capacitores podem sofrer uma sobrecarga de até 135% da potência nominal (incluindo sobretensões entre 100 e 110%, correntes harmônicas e tolerâncias de fabricação. Também devem operar na sua classe de temperatura(especificada no capacitor, as temperaturas máxima e mínima)
Especificação e Dimensionamento de Banco de Capacitores
Unidades Capacitivas
- Tensão nominal e níveis de isolamento
 - Tensão máxima suportáveis pelos capacitores sem perda acelerada de vida
- Potência reativa à tensão nominal
- Perdas dielétricas máximas
Banco de capacitores
- Tensão nominal e níveis de isolamento
- Potência reativa trifásica à tensão nominal do sistema
- Esquema de ligação
- Número de Grupo de Capacitores em série/fase
- Número de capacitores em paralelo em cada grupo série
- Corrente de descarga do Banco de Capacitores para curto-circuito próximo a este( módulo, freqüência e amortecimento)
- Tensão e corrente transitória de Energização mais Desfavorável com o número provável de Energizações por dia(módulo, freqüência e amortecimento);
- Uso Interno ou Externo
São usados os seguintes critérios para dimensionar bancos de capacitores:
A capacidade nominal das unidades capacitivas deverá ser, preferencialmente, a de maior potência e tensão, objetivando, assim, um menor custo unitário de kVAr.
A potência total deve ser de 95 a 105% do valor determinado nos estudos de planejamento
A tensão do banco não deve ser a nominal do sistema, mas igual ou ligeiramente superior à máxima tensão prevista.
A sobretensão num grupo de capacitores, caso haja falha em uma célula, não deverá ser superior a 10%.
Para se dimensionar o banco de capacitores a ser usado, é preciso chegar a um consenso e buscar a forma mais econômica. Essa análise pode ser um pouco tediosa, e muitas vezes se usa a tabela abaixo:
Ensaios
Segundo a ABNT, os ensaios feitos nos capacitores deverão ser os seguintes:
Ensaios de rotina
Medição da Capacitância e Potência a 20ºC
Medição das perdas a 20ºC
Ensaios de Tensão Aplicada
 Unidades Capacitoras
 - Entre terminais
 - Entre terminais e caixa
Bancos de capacitores
Ensaio de vazamento
Ensaio do dispositivo de descarga
Ensaio de Tipo
Ensaio de estabilidade térmica
Ensaio de tensão aplicada
Ensaio de Impulso
Ensaio de Descarga
Ensaio de Tensão Residual
Ensaio de Ionização
Ensaios de Rádio-Ruído
Ensaio de regeneração(para capacitores auto-regenerativos)
Ensaio de Rigidez Dielétrica
 Manobra de Bancos de Capacitores
	Os bancos de capacitores de alta tensão podem provocar no sistema fenômenos de sobrecorrente e sobretensão, que podem danificar tanto as próprias unidades quantro outros equipamentos ligados ao sistema.
	Os equipamentos mais indicados para a operação de bancos de capacitores são:
Disjuntores a SF6 – O gás no seu interior praticamente não permitem a reignição do arco. Caso isso eventualmente venha a ocorrer, o gás tem a capacidade de absorver a energia gerada pelo arco, não permitindo danos ao equipamento.
Disjuntores a vácuo –São capazes de interromper correntes capacitivas independente do seu valor
Disjuntores a óleo – Deve ser inserido temporariamente um resistor série em cada pólo do disjuntor, a fim de restringir a reignição do arco
Chaves a óleo – Também deve ser inserido junto a um resistor. Não deve operar na condição de curto-circuito.
Conclusão
Bancos de capacitores são ferramentas eficientes e econômicas para compensação reativa, além da possibilidade de inserção em série. São essenciais tanto na Indústria, para correção de fator de potência, e também em grandes sistemas elétricos de potências. 
A possibilidade de vários tipos de ligação de bancos de capacitores torna-os versáteis, dependendo da necessidade do sistema.
Bibliografia:
D’AJUZ, Ary. Equipamentos Elétricos: especificação e aplicação em subestações de alta tensão. Rio de Janeiro, FURNAS. 1985
MAMEDE FILHO, João, Manual de Equipamentos Elétricos. LTC, 1994.
Manual TLA Capacitores de Potência – http://www.tla.com.br
Grupo Arteche – http://www.arteche.com
 
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