AULA 3 - DISJUNTORES DE ALTA TENSÃO E FUSÍVEIS

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<p>PÓS-GRADUAÇÃO E ESPECIALIZAÇÃO EM EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS DE ALTA TENSÃO</p><p>IEC PUC MINAS</p><p>Professor: Fiel Ribeiro Matola Filho</p><p>DISJUNTORES E FUSÍVEIS</p><p>Disciplina:</p><p>Prof.: Fiel Matola - E-mail:1333623@sga.pucminas.br - Tel.: (21)971705110</p><p>CRITÉRIO DA DISCIPLINA</p><p>Prof.: Fiel Matola - E-mail:1333623@sga.pucminas.br - Tel.: (21)971705110</p><p>• J. M. Filho, Manual de equipamentos elétricos , LTC, 5a ed.,</p><p>• S. O. Frontin, Equipamentos de alta tensão Prospecção e hierarquização de inovações tecnológicas , Goya Editora,</p><p>Brasília,</p><p>• A.C. C. Carvalho et al., Disjuntores e chaves: aplicação em sistemas de potência , EDUFF, Niterói, 1995;</p><p>• Normas técnicas – ABNT, IEEE e IEC –a serem indicadas durante o curso;</p><p>• Manuais e catálogos de fabricantes.</p><p>• NBR - IEC 62271-100:2020 - High-voltage switchgear and controlgear - Part 100: Al-ternating current circuit-breakers</p><p>• NBR - IEC/IEEE 62271-37-013:2021 - High-voltage switchgear and controlgear - Part 37-013: Al-ternating-current</p><p>generator circuit-breakers;</p><p>• NBR – IEC 60060: 2013 - Técnicas de ensaios elétricos de alta-tensão</p><p>• CIGRE WG 13.04, Asymmetrical current breaking tests , Electra, no. 132, pp. 109-125, 1990;</p><p>• D. Sinder, “ Método de cálculo da tensão de restabelecimento transitória para análise da superação de disjuntores de</p><p>alta tensão ,” dissertação de mestrado, COPPE/UFRJ, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2007.</p><p>BIBLIOGRAFIA</p><p>Prof.: Fiel Matola - E-mail:1333623@sga.pucminas.br - Tel.: (21)971705110</p><p>AULAS</p><p>AULA 1: Conceitos, utilização, tipos, parâmetros principais (elétricos e mecânicos)</p><p>AULA 2: Especificando um disjuntor 1: Metodologias para escolha e dimensionamento</p><p>(principais estudo), formação e extinção do arco-elétrico.</p><p>AULA 3: Especificando um disjuntor 2: Interrupção de correntes elétricas</p><p>Mecanismo de Operação; Ensaios e Testes e Manutenção.</p><p>AULA 4: Fusíveis: Conceitos, utilização, tipos, parâmetros principais,</p><p>metodologias para escolha, operação dos fusíveis.</p><p>Prof.: Fiel Matola - E-mail:1333623@sga.pucminas.br - Tel.: (21)971705110</p><p>Prof.: Fiel Matola - E-mail:1333623@sga.pucminas.br - Tel.: (21)971705110</p><p>UTILIZAÇÃO DE CAPACITORES DE</p><p>EQUALIZAÇÃO</p><p>Deve-se garantir uma distribuição uniforme da tensão total</p><p>entre as diversas associações de câmaras de interrupção.</p><p>Num disjuntor composto de quatro câmaras, até 60% da</p><p>tensão através de um determinado polo, poderia surgir</p><p>através de uma única câmara. Uma melhor distribuição de</p><p>tensões é obtida pelo acréscimo de capacitores de</p><p>equalização (voltage grading capacitors) em paralelo com os</p><p>contatos, de forma a minimizar o efeito das capacitâncias</p><p>para terra.</p><p>Prof.: Fiel Matola - E-mail:1333623@sga.pucminas.br - Tel.: (21)971705110</p><p>UTILIZAÇÃO DE CAPACITORES DE</p><p>EQUALIZAÇÃO</p><p>Prof.: Fiel Matola - E-mail:1333623@sga.pucminas.br - Tel.: (21)971705110</p><p>UTILIZAÇÃO DE RESISTORES DE PRÉ-</p><p>INSERÇÃO</p><p>Os resistores de fechamento têm função de atenuar solicitações transitórias e sustentadas aplicadas ao sistema</p><p>em decorrência da súbita inserção na rede de linhas, transformadores, bancos de capacitores e outros</p><p>componentes durante a manobra de fechamento dos disjuntores. Os resistores de fechamento são instalados em</p><p>paralelo com as câmaras dos disjuntores (um resistor para cada câmara). Cada resistor é instalado no interior de</p><p>uma câmara auxiliar, em que a interrupção do arco formado entre os contatos é feita por processo semelhante ao</p><p>usado nas câmaras principais. Existem fabricantes que possuem versões de resistores de pré-inserção</p><p>encapsulados juntamente com a câmara de interrupção.</p><p>a) Resistores de Fechamento para Chaveamento de Linhas de Transmissão Longas:</p><p>O fechamento de linhas de transmissão longas pode dar lugar ao aparecimento de sobretensões elevadas na</p><p>extremidade ainda desconectada, devido à superposição da duplicação da tensão causada pelas reflexões ao</p><p>efeito Ferranti. A utilização de resistores de fechamento com um valor próximo da impedância de surto da linha</p><p>serve para evitar as sobretensões. A prática usual é especificar uma faixa de valores ôhmicos e o tempo de</p><p>inserção mínimo dos resistores destinados a essa aplicação.</p><p>Prof.: Fiel Matola - E-mail:1333623@sga.pucminas.br - Tel.: (21)971705110</p><p>UTILIZAÇÃO DE RESISTORES DE PRÉ-INSERÇÃO</p><p>b) Resistores de Fechamento para Chaveamento de Bancos de Capacitores:</p><p>Estes resistores são utilizados para limitar as correntes de alta frequência decorrentes do fechamento de bancos</p><p>de capacitores em manobra isolada ou back-to-back (valor típico: 100 a 200 ohms por fase). A prática usual é</p><p>especificar uma faixa de valores ôhmicos e o tempo de inserção dos resistores previstos para essa aplicação.</p><p>c)Resistores de Fechamento para Chaveamento de Transformadores:</p><p>Resistores de fechamento podem ser necessários ao controle de sobretensões sustentadas causadas pelas</p><p>correntes de inrush formadas no chaveamento de transformadores, em certas situações especiais. Os resistores</p><p>de fechamento são utilizados para atenuar as solicitações impostas ao sistema e não para melhorar o</p><p>desempenho disjuntor. A prática normalmente adotada é especificar uma faixa de valores ôhmicos para estes,</p><p>bem como o tempo de inserção mínimo. Esses parâmetros são obtidos por meio de estudos de transitórios e</p><p>comparação dos resultados obtidos com diferentes valores de resistência e tempo de inserção.</p><p>d) Resistores de fechamento para disjuntores de ar comprimido:</p><p>A forma que ajusta a capacidade de interrupção e de isolação é através da variação da pressão do ar comprimido.</p><p>Obviamente esse ajuste é pequeno, dentro das limitações impostas pelas distâncias mínimas para a construção</p><p>do equipamento no meio. No momento de manobra, deve ser feito um controle de sobretensões versus pressão</p><p>do ar comprimido, uma forma de controlar essas sobretensões é a utilização de resistores.</p><p>Prof.: Fiel Matola - E-mail:1333623@sga.pucminas.br - Tel.: (21)971705110</p><p>UTILIZAÇÃO DE RESISTORES DE PRÉ-</p><p>INSERÇÃO</p><p>Prof.: Fiel Matola - E-mail:1333623@sga.pucminas.br - Tel.: (21)971705110</p><p>UTILIZAÇÃO DE SINCRONIZADORES</p><p>Manobras em disjuntores de unidades transformadoras, bancos de capacitores e reatores requerem uma atenção</p><p>especial: fechamento ou abertura no momento errado pode gerar transitórios que afetam o desempenho do</p><p>sistema elétrico e da proteção.</p><p>A criticidade é tanta que o ONS determina no procedimento de rede, que seja verificado que dispositivos</p><p>associados aos disjuntores permitam uma manobra controlada e consequente limitação dos transitórios.</p><p>A abertura e o fechamento controlado de disjuntores limita os transitórios de energização associados a</p><p>transformadores, bancos de capacitores e indutores. Pode-se optar por fazer a manobra durante o cruzamento</p><p>por zero na tensão, pela passagem da tensão pelo seu pico, ou no caso do fechamento, buscar fechar em</p><p>sincronismos através da supervisão da função ANSI 25.</p><p>Com o fim de minimizar sobretensões, subtensões ou sobrecorrentes deve-se comandar o fechamento do</p><p>disjuntor no pico máximo de tensão no caso dos transformadores de potência e durante a passagem pelo zero</p><p>para bancos de capacitores em derivação. O objetivo é evitar que isso afete o desempenho do sistema elétrico ou</p><p>causem funcionamento indevido dos sistemas de proteção e controle.</p><p>O impacto de uma manobra controlada na rede pode ser observado nas oscilografias abaixo.</p><p>Prof.: Fiel Matola - E-mail:1333623@sga.pucminas.br - Tel.: (21)971705110</p><p>EXEMPLO MANOBRA DOS TRANSFORMADORES</p><p>Exemplo de energização da manobra para energização de transformadores (transformador 138kV/34,5kV ligado</p><p>ao SIN):</p><p>1) Condição sem sincronizador: O maior valor de sobretensão fase-terra para o terminal de 138 kV, dentre os</p><p>casos sem falta, sendo o valor encontrado igual a 1,495 pu. O maior valor para o terminal de 34,5 kV, igual a</p><p>1,751 pu. Com relação à máxima corrente de inrush registrada dentre os casos sem falta, a energização do</p><p>transformador pelo terminal de 138 kV com o sistema completo, proporcionou uma corrente de 3,315 pu, ou</p><p>4.315,4 A.</p><p>A indicação rosa</p><p>é o valor máximo admissível pelo transformador.</p><p>Sobretensões</p><p>Prof.: Fiel Matola - E-</p><p>mail:1333623@sga.pucminas.br - Tel.:</p><p>(21)971705110</p><p>Inrush</p><p>Análise do transformador:</p><p>Condições AT (Simétricas):</p><p>Condições AT (Assimétricas):</p><p>Nessas condições o transformador não necessitaria de sistema de</p><p>manobra controlável.</p><p>Prof.: Fiel Matola - E-mail:1333623@sga.pucminas.br - Tel.: (21)971705110</p><p>EXEMPLO MANOBRA DOS TRANSFORMADORES</p><p>Exemplo de energização da manobra para energização de transformadores (transformador 138kV/34,5kV ligado</p><p>ao SIN):</p><p>2) Condição com sincronizador: O maior valor de sobretensão fase-terra para o terminal de 138 kV, dentre os</p><p>casos sem falta, sendo o valor encontrado igual a 1,495 pu. O maior valor para o terminal de 34,5 kV, igual a 1,641</p><p>pu. Com relação à máxima corrente de inrush registrada dentre os casos sem falta, a energização do</p><p>transformador pelo terminal de 138 kV com o sistema completo, proporcionou uma corrente de 1,931 pu, ou</p><p>2.527,63 A.</p><p>Inrush</p><p>Prof.: Fiel Matola - E-mail:1333623@sga.pucminas.br - Tel.: (21)971705110</p><p>OUTROS TIPOS DE MANOBRA:</p><p>Antes das análises de outros tipos de manobras, adentraremos um pouco mais nas condições teóricas:</p><p>Sobretensões</p><p>PROBLEMAS DE CORRENTES CRÍTICAS:</p><p>• Na especificação de disjuntores a óleo, em geral, era necessário levar em conta a possibilidade de certas</p><p>correntes de baixo valor serem críticas para o disjuntor.</p><p>• Nesses disjuntores, a extinção do arco formado entre os terminais de um polo aberto era feita com auxílio de</p><p>uma movimentação do óleo isolante provocada pela formação de gases decorrentes da própria presença do arco.</p><p>• Essa movimentação era necessária para desionização do caminho percorrido pelo arco, sem a qual o disjuntor</p><p>sofreria reignições ou reacendimentos, por não poder suportar as tensões de restabelecimento.</p><p>• As correntes menores correspondiam às menores taxas de vaporização do óleo e, por essa razão, sua</p><p>interrupção podia ser dificultada.</p><p>• Variação da relação duração do arco com o valor da corrente a ser interrompida em um disjuntor a óleo.</p><p>Prof.: Fiel Matola - E-mail:1333623@sga.pucminas.br - Tel.: (21)971705110Sobretensões</p><p>• Nota se a existência de uma duração máxima correspondendo a uma corrente X, que pode ser crítica para o</p><p>disjuntor a óleo.</p><p>• Em disjuntores de pequeno volume de óleo, podia se obter uma característica em que os tempos de</p><p>interrupção fossem quase independentes do valor da corrente, inexistindo uma corrente que fosse crítica para o</p><p>equipamento.</p><p>• Esse efeito era, em geral, obtido por meio da adição de uma bomba de injeção de óleo ou pela pressurização</p><p>permanente das câmaras do disjuntor.</p><p>• O aumento da velocidade de separação dos contatos ou a utilização de maior número de câmaras podia,</p><p>também, contribuir para o sucesso da interrupção na região de correntes críticas.</p><p>Prof.: Fiel Matola - E-mail:1333623@sga.pucminas.br - Tel.: (21)971705110Sobretensões</p><p>• Diante do apresentado, verifica se por que era importante exigir, quando da especificação de disjuntores a</p><p>óleo, que esses equipamentos fossem submetidos a ensaios de tipo que demonstrassem sua imunidade ao</p><p>problema das correntes críticas.</p><p>• Era desejável, também, a apresentação por parte do fabricante, na fase da concorrência, de curvas de variação</p><p>do tempo de arco com o valor da corrente a ser interrompida, baseadas em ensaios de protótipo, de forma</p><p>que fosse claramente demonstrada, nessa fase, a inexistência de correntes críticas para o equipamento.</p><p>• A Norma IEC 62271 100 recomenda a realização de ensaios de corrente crítica em qualquer tipo de disjuntor,</p><p>sempre que o tempo de arco mínimo, nos ensaios de interrupção de curtos circuitos das series T 10 T 30 ou T</p><p>60 tenha duração igual ou superior a meio ciclo em relação ao tempo de arco mínimo registrado em uma das</p><p>séries adjacentes.</p><p>Prof.: Fiel Matola - E-mail:1333623@sga.pucminas.br - Tel.: (21)971705110</p><p>Comparação entre abertura de</p><p>correntes capacitivas e resistivas</p><p>A interrupção de correntes de carga com fator de potência</p><p>próximo de 1 é a operação de abertura executada com maior</p><p>facilidade pelos disjuntores, não exigindo a especificação de</p><p>características especiais. Neste tipo de interrupção,</p><p>normalmente apenas a componente de frequência industrial</p><p>da tensão de restabelecimento é significativa. Já na</p><p>interrupção de correntes capacitivas, uma componente</p><p>contínua se somará à componente de frequência industrial.</p><p>Assim, no caso de interrupção de correntes capacitivas, a</p><p>tensão de restabelecimento na ausência de reacendimento</p><p>pode aproximar-se de duas vezes o valor de crista da tensão</p><p>aplicada, já no caso de abertura de corrente com fator de</p><p>potência próximo da unidade, o pico de tensão de</p><p>restabelecimento não ultrapassará 1,0 pu. do valor de crista da</p><p>tensão aplicada. A figura ao lado ilustra a comparação entre as</p><p>duas interrupções citadas.</p><p>Comparação entre abertura de correntes</p><p>capacitivas (esquerda) e resistivas (direita).</p><p>Prof.: Fiel Matola - E-</p><p>mail:1333623@sga.pucminas.br - Tel.:</p><p>(21)971705110</p><p>ABERTURA E FECHAMENTO DE CORRENTES CAPACITIVAS:</p><p>Prof.: Fiel Matola - E-mail:1333623@sga.pucminas.br - Tel.: (21)971705110Sobretensões</p><p>• Na abertura de correntes capacitivas, seja de bancos de capacitores, seja de linhas em vazio, os capacitores ou</p><p>as linhas são mantidos carregados com tensão após a interrupção em cada fase;</p><p>• Essa tensão mantém se aproximadamente constante, sofrendo apenas uma lenta redução devido às correntes</p><p>de fuga, enquanto a tensão no lado da fonte evolui segundo a frequência do sistema;</p><p>• Nessas condições, a tensão através do disjuntor (tensão de restabelecimento) crescerá inicialmente de forma</p><p>muito lenta, sendo facilitada, desse modo, a interrupção, que deverá ser feita por cada polo do disjuntor logo</p><p>à ocorrência do primeiro zero de corrente;</p><p>• A tensão de restabelecimento alcançará, porém, um pico elevado ao fim de meio ciclo após a interrupção Esse</p><p>valor elevado, associado a uma insuficiente separação dos contatos, poderá levar ao reacendimento do arco</p><p>através do disjuntor</p><p>• O valor do pico da tensão de restabelecimento</p><p>dependerá do aterramento do sistema e do banco</p><p>de capacitores, bem como da relação C 1 /C 0.</p><p>Representação generalizada</p><p>das formas de circuitos</p><p>capacitivos energizados a</p><p>partir de uma fonte aterrada</p><p>Prof.: Fiel Matola - E-mail:1333623@sga.pucminas.br - Tel.: (21)971705110Sobretensões</p><p>• O circuito apresentado contém tanto capacitâncias aterradas quanto não aterradas que são definidas em</p><p>termos das componentes de sequência positiva e zero</p><p>• A capacitância de sequência zero, C 0 é igual a capacitância aterrada e a capacitância de sequência positiva, C1</p><p>é igual a soma das capacitâncias aterradas e não aterradas.</p><p>• Quando todas as capacitâncias do circuito estão aterradas exemplo banco de capacitores solidamente</p><p>aterrados a capacitância não aterrada C1 -C0 é zero e o circuito terá relação C1/C0 igual a um.</p><p>• Quando todas as capacitâncias do circuito estão não aterradas (banco de capacitores com neutro isolado), a</p><p>capacitância aterrada C 0 será nula e a relação C 1 /C 0 do circuito será infinita.</p><p>• No caso das linhas de transmissão, em que as capacitâncias entre fases,</p><p>não aterradas, têm valor significativo em comparação com as capacitâncias</p><p>para a terra, a relação C 1 /C 0 situa se na faixa de 1,6 a 2,0</p><p>Prof.: Fiel Matola - E-mail:1333623@sga.pucminas.br - Tel.: (21)971705110Sobretensões</p><p>• A figura abaixo mostra o valor máximo da tensão de restabelecimento através do primeiro polo a se abrir, sem</p><p>reacendimento, em função do valor da relação C 1 /C 0 em p u do valor de crista da tensão fase terra aplicada.</p><p>• Pode se observar que para o caso dos bancos de capacitores solidamente aterrados (relação C 1 /C 0=1,0) o</p><p>valor máximo da tensão de restabelecimento é 2,0 p u enquanto no caso dos bancos não aterrados, a tensão</p><p>de restabelecimento pode chegar a 3,0 p u.</p><p>• No caso das linhas de transmissão, o máximo da tensão de restabelecimento situa se em torno de 2,4pu</p><p>quando C 1 /C 0 ~~</p><p>2,0.</p><p>• Os valores superiores a 2,0 p u ocorrem em virtude do deslocamento do potencial do neutro após a abertura</p><p>do primeiro polo.</p><p>Prof.: Fiel Matola - E-mail:1333623@sga.pucminas.br - Tel.: (21)971705110</p><p>• Os valores de tensão de restabelecimento, anteriormente apresentados na figura, correspondem à hipótese de</p><p>interrupção do primeiro polo, sem interrupção subsequente pelo segundo e terceiro polos, dentro do primeiro</p><p>meio ciclo.</p><p>• Quando o banco de capacitores e o sistema são solidamente aterrados, a interrupção de cada fase ocorrerá</p><p>independentemente das demais e o valor da tensão de restabelecimento, indicado na figura anteriormente</p><p>apresentada (correspondente a C,1 /C,0 =1,0) não irá se alterar com a interrupção dos outros polos.</p><p>• No caso de banco de capacitores não aterrados, as aberturas do segundo e terceiro polos que deverão ocorrer</p><p>simultaneamente, ¼ ciclo após a abertura do primeiro polo, limitarão a 2,5 pu o máximo da tensão de</p><p>restabelecimento através do primeiro polo a abrir.</p><p>• Quando, por outro lado, um desses dois polos deixa de interromper, por qualquer motivo, a tensão através do</p><p>primeiro polo a abrir pode chegar a 4,37 pu.</p><p>• Quando o disjuntor não consegue suportar a tensão de restabelecimento à qual é exposto em qualquer</p><p>instante, um reacendimento do arco elétrico ocorrerá através de suas câmaras, reconectando o capacitor à</p><p>fonte.</p><p>• No caso do banco aterrado, o reacendimento em um polo do disjuntor elevará a 3,0 pu a tensão na fase</p><p>correspondente do banco de capacitores.</p><p>Prof.: Fiel Matola - E-mail:1333623@sga.pucminas.br - Tel.: (21)971705110</p><p>• Se a corrente transitória decorrente do reacendimento for interrompida na sua primeira passagem por zero, o</p><p>capacitor será deixado com essa tensão 3,0 p u e a tensão de restabelecimento voltará a crescer a partir do</p><p>valor 2 pu.</p><p>• Nessas condições, a tensão de restabelecimento poderá chegar a 4,0 pu para a configuração envolvendo</p><p>banco aterrado.</p><p>• No caso dos bancos de capacitores com neutro isolado, as sobretensões decorrentes do reacendimento serão</p><p>diferentes se, após o reacendimento, o disjuntor interromper a corrente numa passagem por zero devido à</p><p>oscilação à frequência natural, ou apenas no zero seguinte de sua componente fundamental.</p><p>• A escalada, em decorrência de reacendimentos, da tensão aplicada ao capacitor e da tensão de</p><p>restabelecimento são indesejáveis e, por essa razão, há poucas décadas era habitual exigir se que os</p><p>disjuntores fossem livres de reacendimento (restrike-free) na abertura de correntes capacitivas.</p><p>• Esse conceito determinístico evoluiu para um conceito estatístico. A Norma IEC 62271-100 classifica os</p><p>disjuntores em duas classes, de acordo com a probabilidade aceita de ocorrência de reacendimentos na</p><p>interrupção de correntes capacitivas C1 (baixa probabilidade de reacendimentos), e C2 (baixíssima</p><p>probabilidade de reacendimentos).</p><p>Prof.: Fiel Matola - E-mail:1333623@sga.pucminas.br - Tel.: (21)971705110</p><p>• Uma condição particularmente grave da abertura de correntes capacitivas é a abertura subsequente a uma</p><p>rejeição de carga, quando a tensão aplicada à linha ou ao capacitor pode alcançar patamares da ordem de até</p><p>1,5 p u o que resultaria no aumento de 50 da tensão de restabelecimento.</p><p>• A consideração de tensões pré abertura dessa ordem de grandeza na especificação provavelmente exigiria a</p><p>aquisição de disjuntores com tensões nominais mais elevadas (eventualmente com maior número de câmaras</p><p>de interrupção), face a necessidade de evitar reacendimentos.</p><p>• A utilização de resistores de abertura de valores ôhmicos não elevados 100 Ω por câmara), na época dos</p><p>disjuntores a ar comprimido, contribuía para reduzir a severidade da tensão de restabelecimento no</p><p>chaveamento de correntes capacitivas, por possibilitar a descarga parcial do capacitor ou da linha, durante o</p><p>período em que o resistor permanecia ligado.</p><p>• O fechamento de banco de capacitores, isoladamente ou na presença de bancos já energizados back to back</p><p>dá lugar à formação de correntes de alta frequência. O disjuntor deve ser capaz de suportar essas correntes,</p><p>que podem também ser reduzidas pela utilização de resistores de fechamento no disjuntor 100 Ω a 200 Ω por</p><p>fase) ou de reatores série no circuito.</p><p>Prof.: Fiel Matola - E-mail:1333623@sga.pucminas.br - Tel.: (21)971705110</p><p>Os eventos listados abaixo devem ser simulados com o objetivo de se avaliar as sobretensões no banco e no</p><p>barramento da subestação, bem como as correntes de inrush do equipamento, e avaliar a necessidade do uso de</p><p>reatores em série com o banco ou dispositivos de manobra controlada.</p><p>• Energização do banco de capacitores;</p><p>• Energização back-to-back;</p><p>• Abertura do banco de capacitores com a ocorrência de reacendimento;</p><p>• Curtos-circuitos próximos ao banco de capacitores;</p><p>• TRT dos disjuntores dos bancos de capacitores em derivação.</p><p>EXEMPLO MANOBRA DOS BANCOS DE CAPACITORES - ESTUDOS</p><p>Prof.: Fiel Matola - E-mail:1333623@sga.pucminas.br - Tel.: (21)971705110</p><p>• Essa corrente, que não deve exceder a corrente nominal do disjuntor, é a maior que o disjuntor deve ser capaz</p><p>de interromper nesse tipo de manobra, sob tensão nominal e nas condições de uso e comportamento</p><p>especificadas pela norma IEC 62271-100.</p><p>• Algumas concessionárias preferem definir esse parâmetro considerando os valores mais elevados de</p><p>sobretensão sustentada e sobrefrequência possíveis de ocorrer em seguida a contingências, como uma</p><p>rejeição de carga, por exemplo, anteriores à abertura Idealmente, essa sobretensão e sobrefrequência devem</p><p>ser determinadas por meio de estudos dinâmicos prévios.</p><p>• Deve se ter em mente que a especificação de valores desnecessariamente elevados pode tornar imperativa a</p><p>aquisição de disjuntores com tensões nominais mais elevadas.</p><p>Capacidade de interrupção nominal de linhas em vazio ou de bancos</p><p>de capacitores</p><p>Prof.: Fiel Matola - E-mail:1333623@sga.pucminas.br - Tel.: (21)971705110</p><p>• A norma IEC 62271-100 permite definir envoltórias padronizadas de tensão de restabelecimento aplicáveis à</p><p>interrupção de correntes capacitivas, que devem ser comparadas com os gráficos da evolução no tempo das</p><p>tensões de restabelecimento calculadas por meio de simulações digitais das interrupções previstas.</p><p>• Os parâmetros dessas envoltórias (u1, t1, uc, t2) podem ser definidos com base na figura 54.</p><p>• O parâmetro mais importante, uc (valor de pico da tensão de restabelecimento) tem seu valor estabelecido,</p><p>para sistemas de 60 Hz, como “igual ou maior a 1,95 vezes o valor de pico da tensão de ensaio”.</p><p>• Para a interrupção em presença de faltas monofásicas ou bifásicas em sistemas de neutro aterrado, em 1,4 x U</p><p>r 3 (em que U r é a tensão nominal do disjuntor), o valor de pico pode ser calculado por:</p><p>Tensão de restabelecimento associada à interrupção de corrente</p><p>capacitiva de linhas em vazio ou de bancos de capacitores</p><p>Prof.: Fiel Matola - E-mail:1333623@sga.pucminas.br - Tel.: (21)971705110</p><p>Tensão de restabelecimento associada à interrupção de corrente</p><p>capacitiva de linhas em vazio ou de bancos de capacitores</p><p>Prof.: Fiel Matola - E-mail:1333623@sga.pucminas.br - Tel.: (21)971705110</p><p>• O fator 1,4 é utilizado para simular os efeitos da influência entre fases da falta e da relação C 1 /C 0 em ensaios</p><p>monofásicos, como os habitualmente feitos em laboratório para disjuntores de alta e extra alta tensão.</p><p>• Considerando para t2 o valor de 7,3 ms definido para sistemas de 60 Hz na tabela 20 da IEC 62271-00 pode se</p><p>definir, negligenciando u 1 e t 1 uma taxa de crescimento padronizada pela relação uc/t2.</p><p>• A tabela abaixo apresenta, para algumas tensões nominais, os valores de uc e da taxa de crescimento, TCTR,</p><p>calculadas como apresentado anteriormente, para comparação com os gráficos da evolução no tempo das</p><p>tensões de restabelecimento calculadas.</p><p>Tensão de restabelecimento associada à interrupção de corrente</p><p>capacitiva de linhas em vazio ou de bancos de capacitores</p><p>Prof.: Fiel Matola - E-mail:1333623@sga.pucminas.br - Tel.: (21)971705110</p><p>• Na abertura</p><p>de motores, transformadores em vazio, reatores e transformadores com reatores ligados ao</p><p>terciário, as correntes a serem interrompidas, indutivas é pequenas com relação à capacidade de interrupção</p><p>nominal dos disjuntores, passam por um processo de instabilidade ao se aproximarem de zero, durante o</p><p>período de arco.</p><p>• Esse processo é determinado pela interação entre o arco do disjuntor e a rede e costuma determinar uma</p><p>interrupção prematura ou “ da corrente, causada por sua passagem por zero antes do instante “ isto é, do</p><p>instante em que o zero de corrente ocorreria se o arco não se tornasse instável.</p><p>• O fenômeno do corte de corrente determina a formação de sobretensões nos terminais desconectados do</p><p>equipamento, em virtude da transformação da energia magnética armazenada no circuito indutivo em energia</p><p>eletrostática, transferida para as capacitâncias do circuito, usualmente pequenas e formadas, principalmente,</p><p>pelas capacitâncias para a terra de buchas e ligações.</p><p>Abertura de pequenas correntes indutivas(*)</p><p>Prof.: Fiel Matola - E-mail:1333623@sga.pucminas.br - Tel.: (21)971705110</p><p>• Após atingir um primeiro máximo, um a tensão na carga indutiva oscilará a uma frequência determinada pelos</p><p>parâmetros do circuito, usualmente entre 0 5 kHz a 10kHz.</p><p>• A determinação dos valores das sobretensões esperadas resultantes da interrupção de transformadores em</p><p>vazio, reatores, dentre outros pode ter interesse para a definição dos disjuntores que farão a manobra desses</p><p>equipamentos.</p><p>• Essas sobretensões são determinadas principalmente, pelos valores da corrente cortada Ich da capacitância Ct</p><p>e da indutância Lt da carga.</p><p>Abertura de pequenas correntes indutivas</p><p>Prof.: Fiel Matola - E-</p><p>mail:1333623@sga.pucminas.br - Tel.:</p><p>(21)971705110</p><p>Abertura de pequenas correntes indutivas</p><p>• Nem sempre a energia magnética de um circuito é inteiramente convertida em energia eletrostática, sendo</p><p>conveniente introduzir o conceito de eficiência magnética, η m definida como a relação entre a energia</p><p>magnética liberada pela carga no processo de desmagnetização e aquela recebida durante a magnetização.</p><p>• Para reatores, motores e transformadores com reatores no terciário, η m é próxima da unidade, enquanto para</p><p>transformadores em vazio é da ordem de 0,3 a 0,5.</p><p>• Utilizando o fator η m e levando em conta a elevação prévia da tensão durante o período de arco até uc a</p><p>conversão de energia eletromagnética em eletrostática passa a ser expressa por:</p><p>Prof.: Fiel Matola - E-mail:1333623@sga.pucminas.br - Tel.: (21)971705110</p><p>• A partir da equação que expressa a conversão da energia eletromecânica em eletrostática, o fator de</p><p>sobretensão ka pode ser determinado por:</p><p>Abertura de pequenas correntes indutivas</p><p>kC= uc /u0 e u0 o valor de crista da tensão fase terra à frequência fundamental;</p><p>• A equação acima se aplica a circuitos monofásicos.</p><p>• Pode se considerar, de forma simplificada, kC=1 negligenciando a tensão de arco e supondo que a interrupção</p><p>ocorre quando a tensão é máxima Essa hipótese é válida nos casos mais críticos de interrupção de correntes</p><p>indutivas, de reatores, por exemplo, mas não na interrupção da corrente de magnetização de transformadores,</p><p>em que o corte pode coincidir com um máximo de corrente, quando a tensão aplicada é próxima de zero.</p><p>• A dificuldade oferecida ao cálculo de ka se encontra em conhecer previamente os valores de Lt, Ct,ηm e Ich</p><p>• Os valores de Lt e Ct não são os normalmente medidos em ensaios à frequência fundamental, devendo ser</p><p>obtidos em testes de determinação dos parâmetros do equipamento à frequência natural que, a rigor, só</p><p>podem ser feitos após a instalação do equipamento em seu local definitivo, uma vez que as capacitâncias das</p><p>conexões são componentes importantes de Ct.</p><p>Prof.: Fiel Matola - E-mail:1333623@sga.pucminas.br - Tel.: (21)971705110</p><p>• Quanto ao valor da corrente no instante do corte, pode se, no caso de transformadores em vazio, admitir que</p><p>a corrente de magnetização será cortada no instante em que é máxima, o que definirá o valor de Ich</p><p>• No caso de motores, reatores e transformadores com reatores no terciário, contudo, essa hipótese conduziria</p><p>a valores irrealisticamente elevados de corrente cortada e da sobretensão de manobra.</p><p>• Além das sobretensões causadas pelos cortes de corrente, ainda podem ocorrer, na interrupção de pequenas</p><p>correntes indutivas, outras sobretensões de manobra causadas por reignições posteriores às interrupções.</p><p>• Essas sobretensões ocorrem quando as tensões de restabelecimento formadas em seguida a essas</p><p>interrupções excedem a suportabilidade dielétrica do espaço entre os contatos, em processo de afastamento,</p><p>de um polo do disjuntor operante.</p><p>• Enquanto as amplitudes das sobretensões de manobra solicitam o isolamento para a terra dos enrolamentos</p><p>dos equipamentos chaveados, a taxa de variação das oscilações de tensão que caracterizam as sobretensões</p><p>solicitam, particularmente, o isolamento entre espiras dos enrolamentos.</p><p>Abertura de pequenas correntes indutivas</p><p>Prof.: Fiel Matola - E-mail:1333623@sga.pucminas.br - Tel.: (21)971705110</p><p>• O isolamento entre espiras do enrolamento normalmente só alcança níveis críticos no caso de reignições,</p><p>devido à alta frequência das oscilações de tensão a elas associadas.</p><p>• Embora os para raios limitem a patamares seguros os valores eventualmente excessivos das amplitudes das</p><p>sobretensões de manobra, nada podem fazer para limitar as taxas de variação das oscilações de tensão a elas</p><p>associadas.</p><p>• É habitual encontrar, nas especificações de disjuntores dedicados ao chaveamento de transformadores,</p><p>autotransformadores e reatores, a exigência da limitação a determinados níveis máximos, por exemplo 2,0 p u</p><p>das sobretensões de manobra resultantes dos cortes de corrente no processo de abertura e mesmo de</p><p>reignições posteriores à interrupção da corrente. No entanto, esse tipo de requisito vem caindo em desuso. O</p><p>corte de corrente e as sobretensões de manobra resultantes tanto do corte como de eventuais reignições</p><p>dependem da interação entre o disjuntor, a rede e o equipamento manobrado, não podendo ser vistos como</p><p>características exclusivas do disjuntor.</p><p>• Caso uma sobretensão de manobra máxima fosse especificada, a demonstração do atendimento dessa</p><p>exigência em laboratório seria tarefa extremamente complexa, provavelmente exigindo, para confiabilidade</p><p>dos resultados, a presença nos testes do próprio equipamento indutivo a ser chaveado, o que, além dos altos</p><p>custos envolvidos, teria complicações logísticas difíceis de contornar.</p><p>Abertura de pequenas correntes indutivas</p><p>Prof.: Fiel Matola - E-mail:1333623@sga.pucminas.br - Tel.: (21)971705110</p><p>• Em vista disso, a demonstração pretendida talvez só pudesse ser obtida, tardiamente, por meio da realização</p><p>de testes de campo após a instalação do próprio disjuntor e reator transformador na subestação.</p><p>• Portanto, recomenda se não incluir nas especificações de disjuntores dedicados a sobretensões de manobra</p><p>resultantes dos cortes de corrente no processo de abertura a exigência da limitação a níveis máximos das</p><p>sobretensões de manobra para a terra.</p><p>• Considera se preferível exigir que o fabricante informe o valor ou faixa de valores do número de corte</p><p>característico dos equipamentos em aquisição, e informações sobre os ensaios que levaram a sua</p><p>determinação.</p><p>• No que diz respeito ao desempenho do disjuntor na ocorrência de reignições, pelas mesmas razões não devem</p><p>ser especificados limites a serem observados nem feitas exigências de ensaios de laboratório para</p><p>comprovação de conformidade.</p><p>• Entretanto para disjuntores destinados ao chaveamento de reatores, é recomendável que o usuário realize,</p><p>com apoio do fabricante dos disjuntores no que diz respeito a suas características, estudos que comprovem,</p><p>por meio de simulações, que as taxas de variação das oscilações de tensão associadas a reignições na</p><p>subestação não ultrapassarão o máximo suportável pelo isolamento entre espiras dos enrolamentos, a ser</p><p>informado pelo fabricante do reator.</p><p>Abertura</p><p>de pequenas correntes indutivas</p><p>Prof.: Fiel Matola - E-mail:1333623@sga.pucminas.br - Tel.: (21)971705110</p><p>• Recomenda-se incluir, nas especificações de disjuntores dedicados à manobra de equipamentos indutivos, os</p><p>estudos de pequenas correntes indutivas para que eles possam confirmar o atendimento. Nesse estudos terá</p><p>como base:</p><p> Características dos transformadores, autotransformadores e reatores;</p><p> Características da subestação, no caso de chaveamento de reatores.</p><p> Arranjo físico, diagrama unifilar da subestação, desenhos de planta e corte do pátio de manobra</p><p> Composição e disposição dos condutores (cabos e tubos) na SE, entre si e para a terra.</p><p> Capacitâncias parasitas admitidas para os equipamentos instalados, na faixa de 100 kHz a 500 kHz.</p><p> Valor máximo suportável do isolamento entre espiras dos enrolamentos do reator, informado pelo seu</p><p>fabricante (este item geralmente não se tem, logo, deve-se fazer um trabalho ao contrário, definindo</p><p>padrões típicos e enviar o estudo para confirmação também dos fabricantes de transformadores).</p><p>Abertura de pequenas correntes indutivas</p><p>Prof.: Fiel Matola - E-mail:1333623@sga.pucminas.br - Tel.: (21)971705110</p><p>• A falta evolvente é definida como um curto circuito ocorrendo durante a interrupção de uma pequena</p><p>corrente, sendo mais frequente em sistemas solidamente aterrados com os transformadores protegidos por</p><p>centelhadores ajustados para tensões disruptivas relativamente baixas.</p><p>• Um caso típico de falta evolvente é o que pode ocorrer durante a abertura de um transformador em vazio, na</p><p>seguinte sequência</p><p>1. A corrente de magnetização do transformador é interrompida.</p><p>2. A sobretensão gerada pela interrupção causa uma descarga do centelhador para terra.</p><p>3. A oscilação causada pela descarga disruptiva do centelhador aumenta a tensão de restabelecimento no</p><p>disjuntor até provocar a reignição do arco em seu interior.</p><p>Interrupção em presença de faltas evolventes</p><p>• A reignição do arco no disjuntor faz passar pelo equipamento uma corrente de curto-circuito que deve ser</p><p>interrompida no instante em que seus contatos já estão parcialmente abertos Essa condição é menos</p><p>preocupante em disjuntores a ar-comprimido ou a SF 6 em que a capacidade de interrupção é independente</p><p>da corrente interrompida, do que nos disjuntores a óleo, em que a capacidade de interrupção era,</p><p>parcialmente, dependente da pressão gerada na câmara de extinção pela corrente a ser interrompida.</p><p>• Como a corrente de curto circuito só se iniciou quando o contato móvel estava a meio caminho, a maior parte</p><p>das aberturas das câmaras de extinção podia estar descoberta e a pressão necessária à interrupção podia ser</p><p>impedida de se formar.</p><p>Prof.: Fiel Matola - E-mail:1333623@sga.pucminas.br - Tel.: (21)971705110</p><p>• A despeito da maior incidência desse tipo de falta em sistemas que utilizam centelhadores, o que é raro no</p><p>Brasil, e da expectativa de operação correta de disjuntores a ar comprimido e SF 6 na sua interrupção, é</p><p>recomendável, em qualquer caso, solicitar aos fabricantes, nas especificações, a demonstração da capacidade</p><p>dos seus disjuntores interromperem faltas evolventes. Essa demonstração pode ser fornecida por relatórios de</p><p>ensaios de protótipo.</p><p>Interrupção em presença de faltas evolventes</p><p>Prof.: Fiel Matola - E-mail:1333623@sga.pucminas.br - Tel.: (21)971705110</p><p>• Nas subestações com arranjos do tipo disjuntor e meio ou anel, a abertura de uma linha ou outro elemento</p><p>chaveável exige a abertura simultânea de dois disjuntores.</p><p>• A corrente de curto circuito I TOT que chega na subestação pelo alimentador indicado na figura ao lado, divide</p><p>se em duas componentes I 1 e I 2 determinadas pelas impedâncias Z 1 e Z 2 dos dois caminhos oferecidos a</p><p>sua passagem.</p><p>• O isolamento da falta será feito pela abertura dos disjuntores 1 e 2 respectivamente atravessados pelas</p><p>correntes I1 e I2.</p><p>Interrupção em presença de faltas evolventes</p><p>Prof.: Fiel Matola - E-mail:1333623@sga.pucminas.br - Tel.: (21)971705110</p><p>• As correntes I 1 e I 2 serão, normalmente, de valores diferentes,não</p><p>apenas em função dos diferentes valores de impedância dos caminhos</p><p>oferecidos a sua passagem, como também pelos diferentes valores de</p><p>resistência dos arcos elétricos formados em cada disjuntor, após as</p><p>respectivas aberturas.</p><p>• As componentes I 1 e I 2 ao se aproximarem de zero, terão taxas de</p><p>decréscimo diferentes, além de uma pequena defasagem devido aos</p><p>diferentes ângulos de fase das impedâncias complexas Z 1 e Z 2.</p><p>• Em virtude dessa defasagem, os instantes de ocorrência de zeros de</p><p>corrente nos disjuntores 1 e 2 não serão coincidentes, o que implicará</p><p>interrupção da corrente por um disjuntor antes do outro.</p><p>• A corrente interrompida pelo primeiro disjuntor será comutada para o</p><p>segundo, causando uma súbita alteração da taxa de decréscimo da</p><p>corrente nesse último.</p><p>Interrupção em presença de faltas evolventes</p><p>Prof.: Fiel Matola - E-mail:1333623@sga.pucminas.br - Tel.: (21)971705110</p><p>• A antecipação da ocorrência do zero de corrente no segundo disjuntor</p><p>a abrir, bem como o súbito aumento da potência de curto circuito a</p><p>interromper, podem ocasionar dificuldades equivalentes à da</p><p>interrupção de faltas evolventes.</p><p>• É razoável incluir nessas especificações de disjuntores a serem</p><p>instalados em subestações com os arranjos indicados, a exigência de</p><p>demonstração, por meio de relatórios de ensaios de protótipo, da</p><p>capacidade de os disjuntores interromperem satisfatoriamente, após</p><p>uma comutação da corrente causada por abertura em paralelo.</p><p>Interrupção em presença de faltas evolventes</p><p>Prof.: Fiel Matola - E-mail:1333623@sga.pucminas.br - Tel.: (21)971705110</p><p>EXEMPLO: COMPARE A MELHORIA DE SE UTILIZAR UM PARA-RAIO</p><p>PARA SOBRETENSÕES ENVOLVIDAS NA INTERRUPÇÃO DE</p><p>PEQUENAS CORRENTES INDUTIVAS.</p><p>A interrupção de pequenas correntes indutivas é realizada quando ocorrem manobras em motores (partida ou operação em vazio), em transformadores (em vazio ou</p><p>carga terciária indutiva) e em reatores. A potência destas correntes indutivas muitas vezes não é suficiente para causar a vaporização do óleo mineral, sendo de difícil</p><p>extinção em disjuntores que empregam este material. Tal processo gera sobretensões de manobra, portanto há a necessidade de obter artifícios para limitação da</p><p>sobretensão, quando não se tem a certeza de que o equipamento tem a possibilidade de suportar tais esforços.</p><p>Para assegurar tal limitação, geralmente são utilizados para-raios próximo ao equipamento manobrado. Porém eles podem não proteger adequadamente os</p><p>equipamentos a serem manobrados em algumas situações, tais como: uma distribuição acentuada e não uniforme da tensão ao longo do enrolamento ocasionando</p><p>sobre solicitação em certos pontos, e ocorrência de ressonância interna, no enrolamento, para frequências importantes do espectro.</p><p>Além das sobretensões causadas pelos cortes de corrente, ainda podem ocorrer, na interrupção de pequenas correntes indutivas, outras sobretensões de manobra</p><p>causadas por reignições posteriores às interrupções. Estas ocorrem quando as tensões de restabelecimento formadas em seguida a essas interrupções excedem a</p><p>suportabilidade dielétrica do espaço entre os contatos (em processo de afastamento) de um polo do disjuntor operante. As sobretensões causadas por reignições se</p><p>caracterizam por frequências superiores (da ordem de centenas de kHz) às daquelas causadas pelo corte de corrente (da ordem de 1 a 5 kHz). Além disso, as</p><p>amplitudes das sobretensões decorrentes de reignições também superam, normalmente, as associadas a cortes de corrente. Enquanto as amplitudes das</p><p>sobretensões de manobra solicitam o isolamento para a terra dos enrolamentos dos equipamentos chaveados, a rapidez (ou taxa) de variação das oscilações de</p><p>tensão que caracterizam as sobretensões solicitam, particularmente, o isolamento entre espiras dos enrolamentos. Este tipo de solicitação normalmente só alcança</p><p>níveis críticos no caso de reignições, devido à alta frequência das oscilações de tensão a elas associadas. Conforme já dito,</p><p>que, embora os para-raios limitem a</p><p>patamares seguros os valores eventualmente excessivos das amplitudes das sobretensões de manobra, nada podem fazer para limitar as taxas de variação das</p><p>oscilações de tensão a elas associadas.</p><p>Prof.: Fiel Matola - E-mail:1333623@sga.pucminas.br - Tel.: (21)971705110</p><p>EXEMPLO: COMPARE A MELHORIA DE SE UTILIZAR UM PARA-RAIO</p><p>PARA SOBRETENSÕES ENVOLVIDAS NA INTERRUPÇÃO DE</p><p>PEQUENAS CORRENTES INDUTIVAS.</p><p>Prof.: Fiel Matola - E-mail:1333623@sga.pucminas.br - Tel.: (21)971705110</p><p>EXEMPLO: COMPARE A MELHORIA DE SE UTILIZAR UM PARA-RAIO</p><p>PARA SOBRETENSÕES ENVOLVIDAS NA INTERRUPÇÃO DE</p><p>PEQUENAS CORRENTES INDUTIVAS.</p><p>Muito obrigado!!!</p><p>Prof.: Fiel Matola - E-mail:1333623@sga.pucminas.br - Tel.: (21)971705110</p>