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AMPLIAÇÃO DA CAPACIDADE INSTALADA DE UMA PLANTA INDUSTRIAL Vinícius Gomes Marujo DRE:108101990 Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro Eletricista. Orientador: Prof. Sebastião Ércules Melo de Oliveira, D.Sc. Rio de Janeiro, RJ Abril de 2016

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AMPLIAÇÃO DA CAPACIDADE INSTALADA DE UMA PLANTA INDUSTRIAL

Vinícius Gomes Marujo

DRE:108101990

Projeto de Graduação apresentado ao Curso de

Engenharia Elétrica da Escola Politécnica, Universidade

Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos

necessários à obtenção do título de Engenheiro

Eletricista.

Orientador: Prof. Sebastião Ércules Melo de Oliveira, D.Sc.

Rio de Janeiro, RJ

Abril de 2016

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ii

AMPLIAÇÃO DA CAPACIDADE INSTALADA DE UMA PLANTA INDUSTRIAL

Vinícius Gomes Marujo

PROJETO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE

ENGENHARIA ELÉTRICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE

FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS

PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO ELETRICISTA.

Aprovado por:

________________________________________

Prof. Sebastião Ércules Melo de Oliveira, D.Sc.

.

(Orientador)

________________________________________

Prof. Heloi José Fernandes Moreira, D. Sc.

________________________________________

Prof. Severino Fonseca da Silva Neto, D.Sc.

.

Rio de Janeiro, RJ

Abril de 2016

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iii

ABRIL DE 2016

Marujo, Vinícius Gomes

Ampliação da Capacidade Instalada de uma Planta Industrial/

Vinícius Gomes Marujo. - Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica,

2016.

XIV, 101 p.: il.; 29,7 cm.

Orientador: Sebastião Ércules Melo de Oliveira, D.Sc

Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso de

Engenharia Elétrica, 2016.

Referências Bibliográficas: p. 101.

1. Introdução. 2. Balanço Elétrico da Planta. 3. Sistema Ótimo da

Planta. 4. Análise de Curto-Circuito e Assimetria. 5.Considerações

Gerais. 6. Resultados e Avaliações. 7. Conclusão. 8. Referências

Bibliográficas I. Oliveira, Sebastião Ércules Melo II. Universidade

Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia

Elétrica. III. Ampliação da Capacidade Instalada de uma Planta

Industrial

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iv

AGRADECIMENTOS

Em especial à minha mãe, Roselane da Silva Gomes Marujo, pelo amor

incondicional, sua confiança invisual, por sua motivação diária, sua incomparável paixão e

devoção aos seus filhos, seu autroísmo inspirador que me fez homem, capaz de seguir em

frente nos momentos mais árduos da minha vida. Minha maior amiga, “minha mãezinha”,

essa vitória é sua!

À Deus, por me estender às mãos nos caminhos sinuosos.

Agradeço aos meus pais, Nelio Ferreira Marujo e Roselane da Silva Gomes Marujo, e

à minha irmã, Letícia Gomes Marujo, por todo o apoio, cumplicidade, educação e carinho

que sempre cultivamos em nossa família.

Ao meu orientador, Sebastião Ércules Melo de Oliveira, pela oportunidade de poder

realizar esse trabalho e a dedicação que ele tem em ensinar e motivar os alunos do

departamento de Engenharia Elétrica da UFRJ.

Aos meus primos, Diego de Oliveira Gomes, Orlando Marujo da Silva, Fabio Marujo

da Silva, que de forma direta ou indireta, influenciaram e ajudaram imensamente em minha

formação.

Aos grandes amigos que fiz durante a faculdade e que estarei motivando-os até o

último a se formar.

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“Our deepest fear is not that we are inadequate,

our deepest fear is that we are powerful beyond

measure.”

(Marianne Williamson)

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vi

Resumo do Projeto Final apresentado ao Departamento de Engenharia Elétrica como parte

dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Eletricista

AMPLIAÇÃO DA CAPACIDADE INSTALADA DE UMA PLANTA INDUSTRIAL

Vinícius Gomes Marujo

Abril/2016

Orientador: Sebastião Ércules Melo de Oliveira, D.Sc.

Curso: Engenharia Elétrica

Diante da baixa demanda de projetos no cenário econômico atual, há uma crescente

preocupação com uma análise correta do dimensionamento das plantas industriais, visando

reduzir custo e prazo, e ainda assim ser a cada dia mais competitivo. Os sistemas elétricos

devem requerer uma atenção especial para os equpamentos não serem mal dimensionados, e

ainda atender as exigências tanto da empresa fornecedora de gas - baixo custo de

equipamentos, alta eficiência, projeto entregue dentro do prazo, boa visibilidade do cliente,

não emitir produtos poloentes, não desmatar fauna e flora, precauções com a segurança, grau

de pureza do produto final, acessibilidade para manutenção e operação da planta, alto grau de

segurança para os funcionários operarem a mesma, etc.

Para assegurar tais sistemas, um complexo estudo elétrico deve ser realizado antes de

comissionar a planta. Este trabalho trata-se de um pré-projeto do sistema industrial. Destaca-

se também alguns sistemas de cálculo devido ao regime de fluxo de potência, cálculo dos

níveis de curto circuito, considerando as diferentes condições operacionais e topologias

(paralelismo de transformadores), quanto a aceleração dos motores síncronos e impacto no

sistema elétrico. Finalmente, é feita uma avaliação quanto à capacidade dos equipamentos

frente aos níveis de curto-circuito calculados, tendo em vista o funcionamento contínuo desta

planta local.

Palavras-chave: Indústria de gases naturais, Estudo de Paralelismo, Análise de curto

circuito, Dimensionamento de equipamentos.

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Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the

requirements for the degree of Electrical Engineer.

INSTALLED CAPACITY OF THE EXPANSION OF AN INDUSTRIAL PLANT

Vinícius Gomes Marujo

April/2016

Advisor: Sebastião Ércules Melo de Oliveira, D.Sc

Course: Electrical Engineering

Due to the low demand for projects in the current economic climate, there is a growing

concern for a correct analysis of the design of industrial plants, to reduce cost and time, and

still be competitive every day. Electrical systems should require special attention to the

equpamentos are not generously sized, and still meet the requirements of both the supplier of

gas company - low cost equipment, high efficiency, project delivered on time, good customer

visibility, not to deliver products poloentes not deforest flora and fauna, with the safety

precautions, purity of the final product, accessibility for maintenance and plant operation,

high degree of safety for employees operating the same, etc.

To ensure such systems, a complex electrical study should be carried out before

commissioning the plant. This work it is a pre-project of the industrial system. It also

highlights some calculation systems due to power flow regime, the calculation of short circuit

levels, considering the different operating conditions and topologies (transformers

parallelism), the acceleration of synchronous motors and impact on the electrical system.

Finally, an assessment is made regarding the capacity of the equipment compared to the short-

circuit levels calculated in view of the continued operation of this plant location..

Key-words: Industry natural gas, Parallelism study, short circuit analysis, equipment

dimensioning.

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viii

Sumário

Listas de Figuras ........................................................................................................................ xi

1 Capítulo 1 ......................................................................................................................... 15

Introdução ................................................................................................................................. 15

1.1 Objetivos ............................................................................................................................. 22

1.2 Estrutura do Trabalho ......................................................................................................... 22

2 Capítulo 2 .............................................................................................................................. 24

Balanço Elétrico da Planta ........................................................................................................ 24

2.1 Eletrocentro ........................................................................................................................ 26

2.2 Análise das Principais Carga .............................................................................................. 27

2.2.1 Painéis de média tensão ................................................................................................... 27

2.2.2 Centro de Controle de Motores (CCM) ........................................................................... 29

2.2.3 Transformadores .............................................................................................................. 32

2.2.4 Motores Síncronos de 22800HP: ................................................................................. 35

2.2.5 Motor de Indução de 6000HP ...................................................................................... 37

3 Capítulo 3 .............................................................................................................................. 38

Sistema Ótimo da Planta .......................................................................................................... 38

3.1 Tensões elétricas industriais ............................................................................................... 38

3.2 Fontes de Energia ............................................................................................................... 39

3.3 Transformadores em Paralelo ............................................................................................. 40

3.4 Métodos de Partida ............................................................................................................. 42

3.4.1 Partida Direta: .......................................................................................................... 44

3.4.2 Partida Estrela-Triângulo ......................................................................................... 44

3.4.3 Partidas com autotransformador .............................................................................. 46

3.4.4 Partidas com Inversor de Frequência....................................................................... 48

4 Capítulo 4 .............................................................................................................................. 49

Análise de Curto-Circuito e Assimetria ................................................................................... 49

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ix

4.1 Tipos de corrente ............................................................................................................ 50

4.2 A importância da assimetria ........................................................................................... 51

4.3 Corrente de curto-circuito total ...................................................................................... 55

4.4 Aplicação da assimetria da corrente ............................................................................... 59

4.5 Correntes de pico máximas ............................................................................................ 60

4.6 Equações da máxima corrente de pico ........................................................................... 62

4.6.1 Equação de “meio ciclo” ............................................................................................. 62

4.6.2 Equação da norma “IEC 60909” ................................................................................. 62

4.6.3 Equação da norma “IEEE Std 551-2006”.................................................................... 63

4.7 Corrente assimétrica rms ................................................................................................ 63

4.7.1 Equação de “meio ciclo” ............................................................................................. 64

4.7.2 Equação da norma IEC 60609 ..................................................................................... 64

4.7.3 Equação da norma IEEE Std 551-2006. ...................................................................... 64

4.8 Considerações finais ....................................................................................................... 64

5 Capítulo 5 .............................................................................................................................. 65

Considerações Gerais ........................................................................................................... 65

5.1 Sistema Alimentador (Fonte de Energia) ....................................................................... 66

5.2 Carregamento do Sistema Elétrico ................................................................................. 67

5.3 Capacidade dos Painéis e Disjuntores ............................................................................ 68

5.4 Casos Avaliados ............................................................................................................. 68

5.5 Cálculo dos níveis de curto-circuito ............................................................................... 69

5.6 Metologia Recomendada para Análise dos Equipamentos Frente aos Níveis de Curto-

Circuito Calculados .............................................................................................................. 70

5.6.1 Disjuntores de Baixa e Média Tensão ......................................................................... 70

5.6.2 Barramentos ................................................................................................................. 71

5.7 Simulações de Partida dos Motores ................................................................................ 71

5.7.1 Barra de 69kV do cliente ............................................................................................. 72

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x

5.7.2 Contatores de Baixa Tensão ........................................................................................ 72

5.7.3 Inversores de Frequência ............................................................................................. 72

5.7.4 Aparelhos Eletrônicos.................................................................................................. 73

5.7.5 Parâmetro de Análise ................................................................................................... 73

6 Resultados das Avaliações 6.............................................................................................. 74

Novo Transformador de 69-13,8kV, 50MVA, Z=10% ........................................................ 74

6.1 Condição inicial – FOX 1 e 2: operação Normal 100% e FOX4: turndown 50% ......... 74

6.2 Condição Intermediária – FOX 1 ou 2: Operação Normal 50% e FOX4: operação

Normal 100% ........................................................................................................................ 81

6.3 Condição Final – FOX 1 e 2: stand-by e FOX4: operação Normal 100% ..................... 89

7 Conclusão 7 ....................................................................................................................... 97

Recomendações ........................................................................................................................ 97

7.1 Operação do Sistema ...................................................................................................... 98

7.2 Conclusões Gerais .......................................................................................................... 98

8 Capítulo 8 ........................................................................................................................ 100

Referências Bibliográficas ...................................................................................................... 100

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xi

Listas de Figuras

Figura 1 - Custo na energia para a indústria em 2015 em países selecionados ........................ 17

Figura 2 - Consumo total de energia para gerar cada dólar do PIB ......................................... 17

Figura 3 - Divisão do Mercado – Indústria de Gases [DENOKE(2007)]] ............................... 19

Figura 4 - Esquema simplificado de uma planta de separação de ar ........................................ 19

Figura 5 - Oxigênio Líquido ..................................................................................................... 21

Figura 6 - Composição do Ar ................................................................................................... 21

Figura 7 - Eletrocentro montado no site ................................................................................... 27

Figura 8 - Painel de média dentro do Eletrocentro ................................................................... 28

Figura 9 - Centro de Controle de Motores (CCM) ................................................................... 29

Figura 10 - Visão frontal do PLC modelo WEG ...................................................................... 29

Figura 11 - Exemplo de CCM Inteligente com Rede Devicenet .............................................. 31

Figura 12 - Transformador no campo ....................................................................................... 33

Figura 13 - Dados de placa dos Transformadores TR03 e TR04 ............................................. 33

Figura 14 - Curva Torque x Velocidade ................................................................................... 36

Figura 15 - Curva de Partida Motor 22800HP ......................................................................... 37

Figura 16- Sistema máquina-barra infinita e seu circuito equivalente ..................................... 39

Figura 17 - Transformadores de distribuição operando em paparalelo .................................... 40

Figura 18 - Transformadores de Transmissão operando em paralelo ...................................... 41

Figura 19 - Partida Direta ......................................................................................................... 44

Figura 20 - Conexão Delta Figura 21 - Conexão Estrela .................................................. 45

Figura 22 - Partida do motor com auxílio de Chave Estrela-Triângulo ................................... 46

Figura 23 - Circuito trifilar de ligação para partida com autotrafo .......................................... 47

Figura 24 - Forma de onda "ac" totalmente deslocada Figura 25 - Forma de

onda “ac” simétrica ................................................................................................................... 50

Figura 26 - Forma de onda da componente “dc” ...................................................................... 51

Figura 27 - Forma de onda típica de corrente de curto-circuito assimétrica ............................ 51

Figura 28 - Corrente assimétrica constituída de componente “dc” e corrente “ac” simétrica .. 52

Figura 29 - Tipos de faltas ........................................................................................................ 53

Figura 30 - Circuito RL ............................................................................................................ 54

Figura 31 - Forma e onda de corrente com alfa= 60 graus e x/r=15 ........................................ 55

Figura 32 - Ilustração das três componentes da corrente de curto-circuito .............................. 57

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xii

Figura 33 - Componente “dc” variando X/R p/ alfa=0 Figura 34 - Componente “dc”

variando alfa p/ X/R = 15 ......................................................................................................... 57

Figura 35 - Correntes de pico máximas – X/R= 5 .................................................................... 60

Figura 36 - Fator “k” em função de X/R .................................................................................. 63

Figura 37 - Diagrama Elétrico Simplificado ............................................................................ 66

Figura 38 - Correntes de Curto-circuito ................................................................................... 69

Figura 39 - Contatores de baixa tensão da WEG...................................................................... 72

Figura 40 - Limites de tensão de inversores de baixa tensão – WEG ...................................... 72

Figura 41- Tensões ................................................................................................................... 78

Figura 42 - Conjugados ............................................................................................................ 78

Figura 43 - Correntes ................................................................................................................ 79

Figura 44 - Tensões .................................................................................................................. 86

Figura 45 - Conjugados ............................................................................................................ 86

Figura 46 - Corrente ................................................................................................................. 87

Figura 47- Tensões ................................................................................................................... 93

Figura 48 - Conjugados ............................................................................................................ 94

Figura 49 - Correntes ................................................................................................................ 94

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xiii

Lista de Tabelas

Tabela 1 - Comutador de tapes manual sem carga TR03 e TR04 ............................................ 34

Tabela 2 - Dados dos Motores Síncronos 22800HP ................................................................. 35

Tabela 3- Dados Motor 6000HP ............................................................................................... 37

Tabela 4 - Quedas de tensão e suas consequências .................................................................. 43

Tabela 5 - Tempos de ocorrência de pico ................................................................................. 61

Tabela 6 - Carregamento máximo FOX 1 e FOX 2 ................................................................. 67

Tabela 7 - Carregamento máximo FOX 4 ................................................................................ 67

Tabela 8 - Capacidade dos equipamentos................................................................................. 68

Tabela 9- Capacidade dos Equipamentos – Novo Trafo 50MVA isolado ............................... 75

Tabela 10 - Capacidade dos Equipamentos – Trafos TR03, TR04 e Novo Trafo 50MVA em

paralelo ..................................................................................................................................... 75

Tabela 11 - Capacidade dos Equipamentos – Novo Trafo de 50MVA em paralelo com TR03

.................................................................................................................................................. 76

Tabela 12 - Fluxo de Potência Pré-partida ............................................................................... 77

Tabela 13 - Tensões Pré-partida ............................................................................................... 77

Tabela 14 - Resultados da partida............................................................................................. 79

Tabela 15 - Resultados partida ................................................................................................. 80

Tabela 16 - Fluxo de Potência Regime ..................................................................................... 80

Tabela 17 - Tensões Regime .................................................................................................... 81

Tabela 18 - Capacidade dos Equipamentos – Novo Trafo 50MVA isolado ............................ 82

Tabela 19 - Capacidade dos Equipamentos - Trafo TR03, TR04 e Novo Trafo 50MVA em

paralelo ..................................................................................................................................... 82

Tabela 20 - Capacidade dos Equipamentos - Novo Trafo de 50MVA em VA em paralelo com

TR03 ......................................................................................................................................... 83

Tabela 21 - Fluxo de Potência Pré-partida Motor 22800HP .................................................... 84

Tabela 22 - Fluxo de Potência Pré-partida Motor 6000HP ...................................................... 84

Tabela 23 - Tensões Pré-partida ............................................................................................... 85

Tabela 24 - Resultados partida Motor 22800HP ...................................................................... 87

Tabela 25 - Resultados partida Motor 6000HP ........................................................................ 88

Tabela 26 - Fluxo de Potência Regime ..................................................................................... 88

Tabela 27 - Tensões de Regime ................................................................................................ 89

Tabela 28 - Capacidade dos Equipamentos - Novo Trafo 50MVA isolado ............................. 90

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xiv

Tabela 29 - Capacidade dos Equipamentos - Trafo TR03, TR04 e Novo Trafo 50MVA em

paralelo ..................................................................................................................................... 90

Tabela 30 - Capacidade dos Equipamentos – Novo Trafo de 50MVA em paralelo com TR03.

TR04 fora .................................................................................................................................. 91

Tabela 31 - Fluxo de Potência Pré-partida Motor 22800HP .................................................... 92

Tabela 32 - Fluxo de Potência Pré-partida Motor 6000HP ...................................................... 92

Tabela 33 - Tensões Pré-partida ............................................................................................... 93

Tabela 34- Resultados partida Motor 22800Hp ....................................................................... 95

Tabela 35 - Resultados partida Motor 6000Hp ........................................................................ 95

Tabela 36 - Fluxo de Potência Regime ..................................................................................... 96

Tabela 37 - Tensões Regime .................................................................................................... 96

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15

1 Capítulo 1

Introdução

Não há dúvidas de que em passado bem recente a economia brasileira caminhava bem, com seu

crescimento impulsionado pelo forte consumo do mercado interno, e o boom do superciclo das

commodities no mercado internacional. Estava claro que esse modelo a médio e a longo prazo não iria se

manter. Para o setor industrial, a situação é extremamente grave, devido aos sucessivos equívocos

cometidos no plano econômico que continuam a empurrar o país para um processo de desindustrialização

sem precedentes, com demissões em massas, fechamentos de empresas, e demissisões de milhares de

funcionários.

É notório que não existe país desenvolvido que não tenha um indústria de transformação forte [1].

A falta de incentivo aos investimentos, a taxa de juros mais alta do mundo, câmbio desarranjado, alta carga

tributária e a ineficiência em nosso infraestrutura impõe à indústria brasileira como um país não

competitivo aos demais, isso impõe a nossa indústria brasileira de transformação uma perda de

competitividade que pode culminar na extinção de uma indústria que produz bens de alto valor agregado e

conteúdo tecnológico e que é responsável pela geração de milhares de empregos que exigem dentre muitas

qualificações, a qualificação técnica, portanto, pagando melhores salários e assim movimentando a

economia e o desenvolvimento do país, que já ocupou na década de 80, o 5º maior produtor mundial de

máquinas e equipamentos, e hoje se contenta na 17ª posição.

Este trabalho mostra uma expansão da indústria pre-existente; em como garantir o produto final

uma forma quantitativa e qualitativa; assegurar a entrega do gás na presença de uma contingência; a

implantação de estudos técnicos para assegurar a suportabilidade dos equipamentos às condições para

perfeito funcionamento.

O indústria teve a sua instauração no Brasil dividida em 4 partes, sendo o primeiro período (1500-

1808), chamado de “Proibição”; o segundo período, de 1808 a 1930, chamado de “implantação”, o terceiro

período, de 1930 a 1956, conhecido como a fase da Revolução Industrial Brasileira, e o quarto período,

após 1956, chamado de fase de internacionalização da economia brasileira.

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16

Na fase de proibição, apenas uma pequena indústria para consumo interno era permitida, devido as

distâncias entre metrópole e a colônia, os produtos eram basicamente de fiação, calçados, e na metade do

século XVIII, surgiram mármore e a têxtil. Na fase de implantação, a indústria cresceu sobretudo durante a

1ª guerra mundial, o setor alimentício cresceu bastante, principalmente exportação de carne, porém, o país

continuava dependente do setor agroexportador, sobretudo de café, 70% das exportações.

Apenas na terceira fase, o país teve ganho significativo na indústria, no período conhecido como

revolução industrial, onde Vargas investiu forte na criação da infra-estrutura industrial: indústria de base e

energia, destacando-se a criação: Conselho Nacional de Petróleo (1938), Companhia Siderúrgica Nacional

(1941), Companhia Vale do Rio Doce (1943) e Companhia Hidrelétrica do São Francisco (1945).

A partir de 1956, ao final da Segunda Guerra Mundial, o Brasil dispunha de grandes reservas de

moeda estrangeira, divisas, fruto de ter exportado mais do que importado. Após a criação da Companhia

Sideúrgica Nacional (CSN), em 1946, abrindo as perspectivas para o desenvolvimento industrial do Brasil,

sendo o aço a matriz para vários ramos ou tipos de indústria. Após isso, foi identificado que o limitante do

crescimento nacional, era devido a falta de energia elétrica, baixa produção de petróleo, e a interligação das

vias de transporte e comunicação deficientes e, para tal, foi consolidada a Companhia Hidelétrica do São

Francisco, a Usina Hidrelétrica de Paulo Afonos e criou-se a Petrobrás. Assim podemos dizer que o

crescimento de bens de produção refletiu-se principalmente nos setores: siderúrgico e metalúrgico

(automóveis); químico e farmacêutico; construção naval, implantado com a criação do Grupo Executivo da

Indústria de Construção Naval (GEICON).

Diante de uma demanda responsável por quase metade do consumo de enegia elétrica no Brasil, a

indústria desenvolve papel fundamental para estimular o uso eficiente e racional de energia elétrica e

demais recursos produtivos escassos e indispensáveis para o desenvolvimento econômico social do país.

Cada quilowatt-hora economizado de em determinada atividade produtiva, pode ser destinado à produção

de outros bens e serviços, e cada unidade monetária economizada pode ser destinada em inovação e ganhos

de produtividade [2]. O país paga uma das maiores taxas mundias do custo da energia elétrica, portanto

obter eficiência na produção, principalmente gastando menos energia nos processos, sempre foi

preocupação dos países desenvolvidos, porém o Brasil tem liderado o ranking dos maiores custos de

energia [3], conforme mostra o gráfico abaixo:

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Figura 1 - Custo na energia para a indústria em 2015 em países selecionados

Figura 2 - Consumo total de energia para gerar cada dólar do PIB

Como pode-se ver no gráfico acima, gastamos muito mais energia do que a maioria dos países

considerados para gerar cada dólar do PIB na indústria, e ainda o fazemos pagando a energia elétrica mais

cara entre os países considerados como primeiro mundo, o que nos mostra que o país novamente não é

competitivo. Nossa indústria é formada basicamente de equipamentos mais antigos, portanto, com nível de

automação e eficiência baixos. Em países de primeiro mundo, como a Alemanha, o tempo médio dos

equipamentos é de quatro anos, no Brasil, encontramos transformadores de alta potência (grandes perdas)

funcionando há mais de 20 anos. Dessa forma, não é obscuro dizer que pagamos preços exorbitantes para a

energia, e grande parte dela, de forma ineficiente, grande parte é perdida. E é válido lembrar que a energia

que é perdida também é paga. A única solução viável seria aumentar a eficiência energética de nossos

processos.

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No Brasil, o mercado de gases é um setor que é diretamente proporcional a economia do país,

devido aos gases estarem presente na maioria das indústrias devido à sua grande aplicabilidade e

importância dos seus produtos. A utilização de gases vai além do setor industrial, como na área da

educação (universidades, laboratórios, pesquisa), como na saúde (clínicas e hospitais), onde os gases que se

destacam devido ao maior uso e aplicabilidade são o argônio, nitrogênio e oxigênio. Existem alguns

métodos para obtenção destes gases, porém o mais utilizado é através da destilação criogênica do ar, um

processo de separação dos gases através de seu ponto de congelamento (criogênico). [4]

Os principais produtos gerados pelas Planas de Separação de Ar são oxigênio e nitrogênio, que são

obtidos da matéria prima abundante disponível, o ar atmosférico local, composto 78% de nitrogênio, 21%

de oxigênio e 1% d argônio, e o restante por dióxido de carbono e gases raros. Dessa forma de extração do

ar, o custo de matéria prima é nulo, sendo o custo apenas da energia elétrica necessária para acionar os

equipamentos para realizar o processo de separação da planta, que pode representar até 95% do custo total

da produção. Esse custo com a energia elétrica varia de acordo com o volume de produção e a pureza do

gás final a ser obtido. Uma das principais características da indústria de gases é a necessidade da instalação

estar localizada próxima ao ponto de consumo (clientes) quando há uma grande demanda de produto e seu

consumo é ininterrupto. As plantas podem ser instaladas dentro dos terrenos dos clientes (on site) quanto

fora, suprindo a demanda do consumidor através dos gasodutos.

Caso a demanda do consumidor seja descontínua e pequena, no caso de hospitais por exemplo, são

instalados tanques de armazenagem dos produtos liquefeitos. Durante o trajeto desses tanques, o nitrogênio

e o oxigênio são armazenados em temperaturas muito baixas para o transporte, o principal motivo para essa

temperatura é sobretudo econômica. [5] . “A vantagem econômica pode ser verificada através da seguinte

comparação: 1 metro cúbico de oxigênio líquido equivale a 860 metros cúbicos de oxigênio gasoso.” [6].

A produção de uma planta industrial de gás pode variar desde uma tonelada até mais de 2.000

toneladas por dia, dependendo da escala da planta e a pureza do produto final especificado pelo cliente. E a

concentração dos gases são classificados como baixa (90 a 99%), alta (99.6%) ou “ultra-alta” (99,99%),

onde os resíduos desse processo normalmente são argônio e traços de gases raros, como hidrocarbonetos e

dióxido de carbono. [5]

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Figura 3 - Divisão do Mercado – Indústria de Gases [DENOKE(2007)]]

A figura abaixo representa um esquema simplificado de uma planta de separação de ar. Os

equipamentos são:

(1) Filtro de ar

(2) Compressor de ar

(3) Trocador de calor (aftercooler)

(4) Vasos pré-purificadores

(5) Compressor

(6) Turbina da coluna inferior

(7) Trocador de calor primário

(8) Colunas inferior e superior acopladas

Figura 4 - Esquema simplificado de uma planta de separação de ar

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O processo padrão de uma planta de separação de ar consiste inicialmente da remoção das

partículas sólidas contidas no ar alimentado, antes do ar ser comprimido. Após a compressão do ar e

remoção do calor de compressão em um trocador de calor normalmente resfriado à água, o gás segue para

a purificação nos vasos pré-purificadores. Nessa fase, são removidos o dióxido de carbono, a umidade da

água e os hidrocarbonetos pesados. Essa fase é muito importante pois essas impurezas podem ser

congeladas ao passar no trocador de calor primário dentro do cold box, ocasionando uma sobrepressão.

Para tal, usa-se dois vasos pre-purificadores, um trabalhando com regeneração e o outro com purificação

do ar.

Uma vez assegurado a remoção dos contaminantes, todo o ar é novamente comprimido nos estágios

do compressor e após isso, novamente refrigerado em um trocador de calor. Um parcela do ar que foi

resfriado é expandida na turbina e levada para a coluna inferior, de alta pressão; o restante do ar é

comprimido nos estágios seguintes do compressor e novamente usa-se resfriamento do ar restante no

trocador de calor primário até a temperatura adequada para a entrada nas colunas de destilação.

As colunas são terminacamente acopladas na parte intermidiária por um trocador de calor que

servirá de condensador para a coluna inferior, e de refervedor para a coluna superior. O fundo da coluna

superior (refervedor) possui oxigênio líquido de alta pureza, e o topo da coluna inferior (condensador)

possui nitrogênio quase puro sendo condensado. O oxigênio do fundo da coluna superior, ou seja, do

refervedor é removido do condensador principal (fundo da coluna superior) como líquido saturado, e o

nitrogênio de alta pureza do condensador é removido do topo da coluna como vapor saturado.

Os contaminantes remanescentes não removidos nos vasos pré-purificadores tendem a se acumular

no oxigênio líquido do condensador principal, essas impurezas causam risco de perigo de explosão, daí eles

são recirculados através e um retentor de adsorção, a sílica gel. Para a obtenção de argônio, o processo é

semelhante, porém, para isso é necessário combinar um coluna dupla com colunas auxiliares de retificação.

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Figura 5 - Oxigênio Líquido

A partir dessa contextualização, histórica, a empresa White Martins, que tem como sócio

proprietaria a americana Praxair, se destaca na produção de gases industriais e medicinais, a empresa atua

em 7 países da America Latina, e também em mais de 50 países em todo o mundo. A empresa fornece

gases industrias para todo o mundo, abaixo segue a relação dos gases ofertados para indústria e sua

aplicação.

Uma das plantas que consomem mais energia utilizadas na empresa, é a de separação do ar, que se

trata do objeto de estudo. Esse processo se dá basicamente da extração do ar atmosférico da planta onde

reside a instalação. O ar é abasicamente composto por:

Figura 6 - Composição do Ar

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Até entregar o produto final ao cliente, o processo de produção do ar passa por 5 estágios:

compressão, resfriamento do ar, pré-tratamento, transferência de calor, refrigeração e destilação e por fim,

estocagem do produto final.

1.1 Objetivos

O objetivo deste trabalho é amplicar o fornecimento de gases a pedido do cliente. Para realizar a

essa instalação, tem como objetivo não utilizar o sistema existente, e sim instalar uma nova planta de forma

que as outros fornecimentos possam ser desligados. Para a realiação deste trabalho diversos temas visto no

curso de Engenharia Elétrica foram aplicados.

O foco principal será em paralelismo de transformadores e suas diversas configurações para as

determinadas condições de processo da planta. Haverá o detalhamento do sistema elétrico para este tipo de

planta, além de dimensionar o sistema elétrico, fornecer uma análise de curto-circuito nos parâmentos do

painel de fornecimento de energia, também a partida dos motores sem desligamento das cargas vitais para

o sistema, bem como não danificar os equipamentos na partida para um ótimo fornecimento do produto

seguindo as normas brasileiras e internacionais para não danificar os equipamentos.

1.2 Estrutura do Trabalho

A distribuição dos capítulos será feita de forma a englobar todas as etapas básicas da realização de

um projeto do sistema elétrico da planta.

No capítulo 2, é apresentada a funcionalidade de cada carga do sistema, compreendendo os

procedimentos para configurar os principais equipamentos de uma planta industrial. Entretanto, como

passo inicial, será mostrado a utilidade de cada carga dentro do contexto de uma indústria, bem como sua

capacidade para os esforços que lhe serão impostos. É mostrado as principais cargas do sistema e como ele

se interliga com as demais atividades no site.

O capitulo 3 trata dos aspectos teóricos que serão mais relevantes durante o estudo, como

paralelismo de transformadores, métodos de partida, as tensões disponíveis na planta por norma brasileira e

seu manuseamento para correto funcionamento de operação. O capítulo 4, é mostrado a definição do curto-

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circuito, seus principais aspectos e a importância da assimetria. É mostrado também as diversas

componentes da corretne que compõem o curto-circuito.

Em seguida, o capítulo 5, mostra um resumo das considerações que foram levadas para realização

do estudo, e as restrições para cada equipamento, seu nível de suportabilidade. Por fim, no capítulo 6,

podemos analisar numericamente o resultado das simulações operando com o transformador operando em

paralelo, e suas demais condições de funcionamento, partindo nas diversas situações descritas.

As conclusões pertinentes ao trabalho encontram-se no capitulo 7. Por fim, é feita uma análise geral

dos resultados obtidos e são finalizados as principais atribuições e componentes do sistema elétrico

projetado e suas recomendações.

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2 Capítulo 2

Balanço Elétrico da Planta

Um dos estudos de grande importância e ponto de partida para realização do projeto de uma planta

industrial é a realização do balanço elétrico. A finalidade principal desse estudo é conhecer os

equipamentos que possuem alimentação elétrica e são necessários para o bom funcionamento da planta a

fim de dimensionar os motores, assim como os principais equipamentos tais como painéis,

transformadores, proteções e confirmar a demanda de produto estimada.

Inicialmente o setor de processo, recebe a demanda de gás necessária pelo cliente. A partir daí, é

realizada a escolha do conjunto de equipamentos que serão utilizados para entregar determinada

demanda.A partir da vazão de produto determinada, o setor mecânico se encarrega de assegurar todas as

bombas, compressores e outros equipamentos que precisam ser utilizados para o time de elétrica. A partir

daí, o setor elétrico recebe uma lista de equipamentos com sua determinada potência a ser entregue. Tendo

a potência a ser entregue, podemos começar uma série de estudos do melhor custo benefício da planta,

objeto de estudo deste trabalho:

Cálculo dos níveis de curto-circuito, diferentes condições operacionais e topologias

Avaliação quanto à capacidade dos equipamentos frente aos níveis de curto

Avaliação quanto a aceleração dos motores e seus impactos no sistema

Para a realização desses estudos, é pedido ao cliente informações básicas contendo as premissas de

fornecimento de energia do cliente, com os dados de entrada do sistema elétrico, são elas:

1. Quais as tensões nominais da área?

2. Qual a tensão de fornecimento disponível?

3. Serão fornecidos um ou mais circuitos trifásicos?

4. Qual a variação de tensão de fornecimento aproximada (contínua e instantânea)?

5. Qual a frequência de fornecimento? Flutuações?

6. O fornecimento será com conexão wye ou delta? Para tensões até 14 KV, o sistema wye está

aterrado com resistor (preferencialmente 400 A 10 segundos)?

7. Qual é a maxima potência de curto circuito simétrico disponível no ponto de conexão de energia?

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8. . Qual é a mínima potência de curto circuito simétrico disponível no ponto de conexão de

energia?

9. Qual é a máxima queda de tensão admissível durante a aceleração dos motores?

10. Existe alguma limitação para a partida dos motores (partidas por dia, hora de partida, etc)?

11. Existe alguma característica não usual no sistema?

12. É utilizado comutação automática sobre carga nos transformadores? Se sim, porque?

13. Como é a proteção do fornecimento de energia (fusíveis, dijuntores)?

14. Existe religador na linha? Se sim, informar os ajustes ou sequência?

15. Qual a estimativa de número de quedas de fornecimento por ano e a duração média por queda?

16. Quais os requerimentos e parâmetros para o projeto da subestação?

a. Qual a tensão de entrada?

b. Qual a tensão estática da linha?

c. Qual o espaçamento da linha de entrada?

d. Qual a bitola e material do alimentador?

e. Que velocidade do vento deve ser considerada para o projeto?

17. Quais são as medições requeridas?

a. A medição deverá ser no primário ou secundário?

b. Quem fornecerá os acessórios do sistema de medição?

c. Existe algum requerimento em relação a especificação da medição?

d. Como será o faturamento de energia? kW, kVA?

e. A White Martins solicita proteções com fusíveis para os transformadores de potencial

f. Sinal instantâneo? Pulso?

18. Existe penalidade para o fator de potência? Qual o fator mínimo de potência?

19. O fornecimento será interruptível?

20. É necessária algum tipo de relé para proteção especial (fio piloto, etc )?

21. É necessário aprovação do projeto e das instalações pela concessionária?

22. Existe alguma planta de aterramento disponível?

23. Existe alguma norma local ou estadual que deve ser seguida?

Esse documento é considerado o documento básico para as premissas de um pre-projeto. É preciso

que se entenda de forma eficaz esse documento, dessa forma os engenheiros eletricistas envolvidos

conseigam passar para todas as partes envolvidas como detalhamento, instrumentação, automação, civil, e

para o pessoal de suprimentos, uma demanda com custo benefício ótimo. Para então colocar as propostas

de entrega de planta de forma a ganhar a oferta das concorrentes.

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Após feito os estudos de viabilidade técnica da planta, surge a necessidade de discriminar as cargas

para fazer análise correta para o melhor dimensionamento dos equipamentos da planta.

2.1 Eletrocentro

Primeiramente, o sistema elétrico dessa planta é situada em uma solução inovadora que permitiu

trocar as antigas salas de alvenaria e a interligação no campo por soluções práticas e inovadoras. A sala

elétrica também chamada de eletrocentro, é a sala que abriga todos os equipamentos elétricos necessários

para fazer operar a planta. Todas as interligações internas podem ser realizadas no próprio armazém de

fabricação do eletrocentro, e o melhor, os engenheiros podem pre-comissionar os equipamentos na fábrica

antes de chegar no campo. Essa solução prática reduz o tempo dos engenheiros no campo, reduzindo custos

como estadia, alimentaçãoe também dias da montadora fora da fábrica.

O sala elétrica reduziu o número de horas pagas aos engenheiros – reduzindo o custo do projeto - de

forma que o equipamento chamado Eletrocentro chega pronto ao site com a maioria dos equipamentos

dentro dele e pré-comissionados.

O Eletrocentro tem como principal função fornecer sistemas elétricos e eletrônicos montados,

interligados e testados em fábrica. Permite uma solução customizada (solução integrada), pois pode ser

transportado e entregue completo com todos os equipamentos, eliminando assim a necessidade de grandes

construções em alvenaria. Comissionado e testado em fábrica, inclusive com teste de plataforma quando

solicitado, o sistema é fornecido pronto para receber as ligações externas para as cargas, tanto de entrada de

energia quanto de saída, além das redes e periféricos necessários. São entregues juntamente com o

Eletrocentro o projeto completo de documentação técnica, inclusive a base de cálculo estrutural.

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Figura 7 - Eletrocentro montado no site

Portanto, para abrigar em seu interior devidamente montados os conjuntos de cubículos elétricos em

média tensão, centro de controle de motores, painéis de distribuição em baixa tensão, painéis de

automação, banco de bateriais, transformadores e demais equipamentos. O eletrocentro pode ser instalado

em ambiente externo (ao tempo) devidamente fabricado de modo a suportas as condições agressivas de pó

e outras partículas existentes no ambiente industrial.

2.2 Análise das Principais Carga

Para começar a realização da análise de carga e posteriormente dimensionamento dos sistemas

elétricos, devemos descrever as principais cargas do sistema, e onde elas estão separadas.

2.2.1 Painéis de média tensão

Como dito acima, o painel de média tensão também é abrigado dentro do eletrocentro. Através

desse painel alimentamos as cargas de média tensão dos motores síncronos, do motor de indução, dos

transformadores que irão alimentar os CCMs, que serão descritos nos próximos tópicos.

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Figura 8 - Painel de média dentro do Eletrocentro

Para esse projeto, foi adquirido um painel com classe de tensão 17,5kV, tensão nominal 13,8kV /

60Hz, Icc: 31,5kA, resistente a arco interno, composto por 12 cubículos, próprio para instalação abrigada,

de fabricação WEG AUTOMAÇÃO, grau de proteção IP-4X. Abaixo segue descrito a função de cada

cubículo de média tensão:

Circuito C11 - Cubículo alimentador de transformador de serviços auxiliares de 75kVA,

com seccionadora sob carga - 13,8kV - 31,5kA - 60Hz

Circuito C12 - Cubículo de transição de barras - 13,8kV - 31,5kA - 60Hz 1

Circuito C13 - Cubículo de entrada de alimentação com disjuntor de 2500A - 13,8kV -

31,5kA - 60Hz

Circuito C14 - Cubículo com tranformador de potêncial p/ medição e proteção ligados na

barra geral, c/ medidores CCK-4100 e 6700 - 13,8kV - 31,5kA

Circuito C15 - Cubículo alimentador de transformador para cargas de baixa tensão com

potência < = 2500kVA, c/ disjuntor de 1250A- 13,8kV- 31,5kA

Circuitos C16, 17 e 18 - Cubículo alimentador motor indução partida c/ auto-trafo, p/

motor potência > = 3500HP, c/ disjuntor 1250A- 13,8kV- 31,5kA

Circuitos C19, 20 e 21 - Cubículo alimentador motor indução partida c/ auto-trafo, p/

motor potência > = 3500HP, c/ disjuntor 1250A- 13,8kV- 31,5kA

Circuito C22 - Cubículo alimentador de motor de indução com partida direta, para motor

com potência > = 3500HP, com disjuntor de 1250A- 13,8kV- 31,5kA

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2.2.2 Centro de Controle de Motores (CCM)

Os painéis de baixa tensão, ou CCM’s, são painéis que também são abrigados dentro do

eletrocentro e chegam pré-comissionados no campo. Diferente dos painéis de média, eles são estruturados

de forma que sua coluna é formada por diversas gavetas, gavetas estas que alimentam determinados tipos

de cargas, os mais diversos motores.

Figura 9 - Centro de Controle de Motores (CCM)

Há o conceito dos CCM’s inteligentes, sendo uma nova geração do centro de controle de motores,

onde há em cada gaveta, uma interface amigável que mostra os dados de forma digital para o operador na

sala do PLC ou “na cara” da gaveta.

Figura 10 - Visão frontal do PLC modelo WEG

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O sistema inteligente do CCM pode ser composto por chaves soft-starters, inversores de frequencia

ou relés inteligentes instalados nas gavetas, denominados escravos, e um controlador programável (CLP)

instalado em compartimento apropriado do CCM, denominado mestre. Os dados do CLP podem ser

acessados através de Interfaces Homem-máquina (IHM) ou através de microcomputadores (PC) instalados

em salas de controle ou na própria estrutura do CCM.

Através da IHM pode-se:

Comandar a partida dos motores

Ler os estados das gavetas (inserida, teste)

Verificar o tempo de funcionamento, tempo de partida, último defeito, etc.

Através do microcomputador, podemos executar as mesmas funções

anteriores, acrescidas de:

Geração de estatísticas de paradas, defeitos, funcionamento, etc.

Supervisão e controle total da planta via softwaressupervisórios

Geração de relatórios e gráficos do sistema

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Esse sistema inteligente utiliza relés inteligentes para gerenciar os motores elétricos de baixa

tensão, com tecnologia de última geração e capacidade de comunicação via rede. Por serem modulares, as

funcionalidades do relé podem ser estendidas, tornando um produto versátil que pode ser utilizado em

diversas aplicações.

Figura 11 - Exemplo de CCM Inteligente com Rede Devicenet

Legenda: 1- Controlador Programável

2- Interface Homem-Máquina

3- Cabo Principal

4- Cabo Secundário

5- Derivação em T

6- Soft Starter, Inversos de Frequência ou Relé Inteligente

7- Terminação da Rede

O procedimento padrão é na cotação do CCM, enviar o unifilar para as empresas dispostas a

fornecer os painéis de baixa tensão, ela consegue discriminar o número de colunas de acordo com a

potência de cada gaveta, ou seja, o que determina o tamanho e dimensão de cada gaveta, é a potência de

cada carga.

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Os CCM’s são utilizados nos mais diversos segmentos de mercado para alimentar as diversas

cargas, tais como:

Químico e petroquímico

Siderurgia e metalurgia

Papel e celulose

Mineração e cimento

Alimentos e bebidas

Plástico e borracha

Automobilístico

Refrigeração e outros segmentos

2.2.3 Transformadores

O transformador de maior potência é de suma importância nesse trabalho, objeto de estudo mais a

frente chamado de TR02. Esse transformador deverá suprir a nova fábrica de entrega gas. Esse

transformador ficará localizado na substação do cliente e alimentará as cargas que estão operando pelos

transformadores lá existentes, para então eles deixarem de operar, em 13.8kV, tensão do barramento que

alimenta as maiores cargas.

Esta sendo adquirido para esse fornecimento, um transformador trifásico a óleo, 50MVA,

69/13,8kV, instalação ao tempo, ONAN (Oil Natural Air Natural), Classe de isolamento 72,5kV com

impedância de 10%, para suprir a fábrica de oxigêncio.

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Figura 12 - Transformador no campo

Além desse transformador de 5MVA, outros dois são previstos:

Os transformadores que atualmente estão em operação, chamados de TR03 eTR04, ambos de

25/33MVA, 69-13,8kV.

Figura 13 - Dados de placa dos Transformadores TR03 e TR04

A impedância de curto-circuito dos transformadores TR03 e TR04, são:

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TR 03: 7,39% para 25MVA e 9,73% para 33MVA

TR 04 7,32% para 25MVA e 9,74% para 33MVA

A tabela a seguir apresenta a característica do comutador de tapes manual sem carga dos

transformadores TR03 e TR04.

Tabela 1 - Comutador de tapes manual sem carga TR03 e TR04

Volts

Amperes Posição do Comutador

25MVA 33MVA

72450 199 263 1

70730 204 269 2

69000 209 276 3

67280 215 283 4

65550 220 291 5

De acordo com informações da companhia, os transformadores TR03 e TR04 estão em operação

desde 1979, sendo sua manutenção responsabilidade da empresa que opera a planta. Até a presente data,

não havia registros de manutenção ou acompanhamento por parte da empresa que opera a planta das

condições operacionais, e nem sob o estado ou expectativa de vida desses equipamentos.

O fato desses transformadores serem bem antigos e carecer de fontes confiáveis da manutenção,

pode ocasionar interrupções indesejadas no processo.

Ainda foi-se adquirido para as cargas auxiliares de processo, os seguintes transformadores:

Transformador Trifásico 2000kVA, 13,8/0,480kV, para alimentação dos CCM’s, descrito no capítulo 2.2.2.

Transformador Trifásico 100kVA, 13,8/0,220-0,127kV, impedância de X% para alimentação do QDSA

(Quadro de Serviços Gerais).

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2.2.4 Motores Síncronos de 22800HP:

As principais cargas do sistema elétrico da FOX 4, serão 2 motores síncronos com 22800 HP de

carga cada um. Sua folha de dados segue abaixo:

Tabela 2 - Dados dos Motores Síncronos 22800HP

DADOS DE ENTRADA

MOTORES DE 22800 FOLHA DE DADOS

POTÊNCIA NOMINAL 22800HP

TENSÃO NOMINAL 13800V

CORRENTE NOMINAL 723A

FREQUÊNCIA 60Hz

NÚMERO DE POLOS 4

FATOR DE POTÊNCIA 1.0

RENDIMENTO 98,2% para 100% de carga

CONJUGADO (TORQUE) NOMINAL 90161,89 N.m

MOMENTO DE INÉRCIA 956 Kg.m²

VELOCIDADE (ROTAÇÃO) NOMINAL MOTOR 1800 rpm

MÉTODO DE PARTIDA Autotransformador (80%)

CARGA FOLHA DE DADOS

CONJUGADO (TORQUE) DE PARTIDA 6365 N.m

MOMENTO DE INÉRCIA 3950 Kg.m²

Todo motor síncrono deve ser projetado considerando-se três condições diferentes de carga:

Conjugado de partida a fim de vencer o conjugado resistente com a carga parada (conjugado

de arranque da carga.)

Conjugado de sincronização para levar a carga até a velocidade adequada onde a aplicação o

campo de excitação levará a carga ao sincronismo (pull-in torque)

Conjugado máximo de sincronismo para manter o rotor na velocidade síncrona quando em

situação de sobrecarga momentânea máxima admissível (pull-out torque).

O motor fixo opera com aplicação fixa de corrente de excitação, sua partida se dá graças ao

enrolamento amortecedor. Esse enrolamento funciona analogamente à gaiola do rotor de um motor de

indução. O conjugado de partida e a sincronização, variam com o quadrado da tensão aplicada e a corrente

de partida é proporcional a tensão aplicada, como no motor de indução. O conjugado de sincronização é

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definido como o conjugado constante máximo contra o qual o motor e a carga que se deseja acionar serão

levados para a velocidade síncrona no momento em que a tensão de excitação é aplicada.

O motor síncrono parte como motor de indução, acelera a carga até o ponto onde o conjugado do

motor iguala o conjugado resistente da carga.

Esse ponto ocorre usualmente a 95% da rotação síncrona ou acima e nesta situação a tensão de

excitação é aplicada no motor e o rotor sincroniza, ou seja, irá acelerar a inércia combinada do rotor do

motor mais a da carga até a rotação síncrona precisa.

Figura 14 - Curva Torque x Velocidade

A capacidade de acelerar a inércia combinada à rotatação sincrona, é limitada para um motor dado.

Portanto, para um valor alto de conjugado resistente, o enrolamento amortecedor deve levar a inércia a uma

velocidade menor do que para um conjugado com resistente menor. Portanto, o projeto adequado deste

enrolamento requer o conhecimento preciso do conjugado resistente da carga. Altas inércias requererm

muita energia na aceleração e portanto provocam alto aquecimento no enrolamento amortecedor, tendo a

necessidade de adequação da carcaça do motor para uma maior além do fato do tempo de aceleração, ser

maior.

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A figura a seguir apresenta as curvas de partida do motor de 22800HP, para a condição de partida

direta em barra infinita.

Figura 15 - Curva de Partida Motor 22800HP

2.2.5 Motor de Indução de 6000HP

Os dados do motor de indução de 6000HP, foram obtidos conforme documentos de referência [2]

sendo reproduzidos a seguir.

Tabela 3- Dados Motor 6000HP

Motor de 6000HP FOLHA DE DADOS POTÊNCIA NOMINAL 6000HP

TENSÃO NOMINAL 13800V

CORRENTE NOMINAL 215.4 A

FREQUÊNCIA 60 Hz

NÚMERO DE POLOS 4

FATOR DE POTÊNCIA 0.9

RENDIMENTO 96,6%

CONJUGADO (TORQUE) NOMINAL 17603 lb.ft

MOMENTO DE INÉRICA (GD²/4) 5910 lb.ft²

VELOCIDADE (ROTAÇÃO) NOMINAL MOTOR 1800 rpm

MÉTODO DE PARTIDA Direta

CARGA FOLHA DE DADOS

MOMENTO DE INÉRICA (GD²/4) 14844 lb.ft²

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3 Capítulo 3

Sistema Ótimo da Planta

Para o perfeito estado de funcionamento de uma planta industrial, devemos garantir o seu

fornecimento ininterrupto do produto, dentro dos padrões de qualidade exigidas pelo cliente, de forma

limpa, ou seja, com a emissão mínima de poluentes, de forma econômica, e também segura.

Para assegurar esse ótimo estado de funcionamento, devemos garantir que os métodos empregados

no funcionamento dos equipamentos da planta, sejam os mais bem dimensionados possíveis. Para tal, serão

mostrados os diversos tratamentos vistos no curso de Engenharia Elétrica para correto dimensionamento da

planta.

Este capítulo trata dos temas que serão abordados no Capítulo V, onde será feito um estudo de caso

para a suportabilidade do sistema. É fundamental a compressão dos métodos de partidas, estudo de

paralelismo de transformadores, suposições levadas em consideração para cálculo das simulações, tempo

de aceleração dos motores, suportabilidade dos equipamentos frente a partida e níveis de curto, e outros

conceitos necessários para a compreensão do objetivo desse trabalho.

3.1 Tensões elétricas industriais

No Brasil, temos classes de tensões industrias bem defin idas, onde o agente intermediador é a

Agência Nacional de Energia Elétrica. Ela define quais as tensões padronizadas para baixa, média e alta

tensão. No setor industrial, geralmente temos a necessidade de adequar a tensão disponível no site da

planta, para alimentação dos painéis que terão as cargas realizadas para fazer funcionar a plana para

determina finalidade de projeto.

Não é incomum a necessidade de instalar uma subsestação dentro do cliente para poder alimentar as

cargas disponíveis, ou seja, um dos escopos do projeto é a contratação de uma subsestação turn-key –

serviço completo para instalação da subsestação- dentro do site do cliente para reduzir a tensão de

alimentação das cargas do painel.

As tensões abaixo são padronizadas e determinas pela a ANEEL: [7]

transmissão e substransmissão : 750; 500; 230; 138; 69; 34,5; 13,8 kV

distribuição primária em redes públicas: 34,5 e 13,8 kV

distribuição secundária em redes públicas: 380/220 e 220/127 volts, em redes trifásicas; 440/220 e

254/127 volts, em redes monofásicas;

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3.2 Fontes de Energia

A responsabilidade de fornecer a tensão primária de distribuição para a planta é de responsabilidade

da concessionária local, de forma a assegurar que as tensões de alimentação da planta não devam

ultrapassar as flutuações de tensão exigidas pelo cliente no site da planta a ser instalada.

Para o seguinte estudo, podemos descrever o nosso sistema alimentador modelado por uma barra

infinita, para este modelo, é utilizado o nível de curto-circuito de cada linha da concessionária para definir

a impedância de curto-circuito. Esse modelo garante estabilidade transitória, de forma a garantir a condição

de operação estável após uma perturbação. [8] De forma a garantir a estabilidade proveniente do nosso

modelo de estudo.

O conceito de barra infinita, consiste em um sistema cujo porte é tão maior que o da máquina sob

estudo que se adota a hipótese de que pode ser represetando por uma barra cuja frequência e cuja tensão

permanecem substancialmente constantes independentemente da potência que o sistema absorge ou gera ou

das perturbações que lhe são impostas. Esse conceito, é equiavalente a considerar que a inércia da máquina

equivalente ao grande sistema é infinita face aos momentos de inércias aos quais ele está conetado. Da

mesma forma, a tensão constante na barra inifinita considera a impedância interna da máquina equivalente

como nula. A seguir é representado o modelo máquina conectada a barra infinita.

Figura 16- Sistema máquina-barra infinita e seu circuito equivalente

𝑥𝑒𝑞 ≅ 𝑥′𝑑 + 𝑥𝑒

No trabalho proposto, foi utilizado o Software SKM Power Tools, Versão 7.0.3.6, que considera como

modelo máquina contectada a barra infinita, o ferramente “Utility”, modelado por meio da impedância de

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curto-circuito do referido ponto, obtida pelos níveis de curto-ircuito fornecidas pela concessionária onde a

planta será instalada.

3.3 Transformadores em Paralelo

Nos sistemas elétricos, é comum o uso de transformadores de potência em paralelo, por diferentes

motivos. Os transformadores podem estar localizados fisicamente juntos ou afastados um do outro,

dependendo de sua utilização ou sua forma de geração. Geralmente em cargas de baixa tensão, os

transformadores encontram-se separados um do outro, já no caso das substações e usinas geradoras, os

transformadores estão dispostos próximos um dos outros. A aplicação do paralelismo de transformadores

se dá por diversos motivos, dentre eles, os principais se são devido a uma aumento da continuidade e

confiabilidade do serviço, necessidade de amplicação do sistema elétrico devido a uma demanda de carga,

limitação das potências unitárias dos transformadores e economia em transformadores reservas.

Figura 17 - Transformadores de distribuição operando em paparalelo

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Figura 18 - Transformadores de Transmissão operando em paralelo

Quando há a necessidade de aumento de carga instalada por consumidores ou em determinado

parque industrial, e o transformador está no limite de sua carga suportada, há a necessidade de substituir o

transformador instalado por um maior. A melhor alternativa para esse novo acréscimo de carga é

aquisicionarmos outro transformador e conectar em paralelo com o existente, e não substituir por outro

transformador de potência maior. A substituição do transformador existente por outro não é conveniente,

devido ao elevado custo e possíveis inviabilidades técnicas. Tais como arrefecimento, isolamento,

transporte e dimensões do transformador. Devido ainda a necessidade crescente da demanda de carga,

alguns projetos de subsestações são realizadas na previsão de um paralelismo de transformadores.

Uma dos principais motivações para o uso do paralelismo é a confiabilidade do sistema, pois em

uma situação onde ocorre a necessidade de manutenção, ou até mesmo a perda de um equipamento, o outro

é capaz de suprir o transformador fora de operação. Uma consequência direta é o maior aproveitamento do

rendimento do equipamento. Durante uma variação de carga ao longo do dia, é possível manobrar uma

subestação na retirada de operação de um transformador, dessa forma, manter os outros transformadores

operando em sua condição nominal, e portanto, mais eficientes.

Para que os transformadores possam ser ligados em paralelo, devemos ter as polaridades das

ligações ligadas de forma a porporcionar mesmo módulo de tensão e ângulo de fase. Caso isso não seja

observado, irão surgir correntes indesejáveis circulando entre os transformadores. A intensidade dessa

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corrente irá depender da impedância dos circuitos de interligação. Em subestações, a impedância dos

barramentos é quase desprezível, por tanto desconsiderada, para transformadores de distribuição, a

impedância dos cabos é alta e portanto surgem correntes consideráveis. Estas correntes são limitadas por

norma a 15% da corrente nominal do trafo de menor potência trabalhando em paralelo.

A relação de transformação nominal diferente entre os trafos também provoca um diferença de

tensão em seus terminais, porém, a operação com relação de transformação iguais e tensões nominais

diferentes, pode funcionar. Deve-se apenas certificar-se que o transformador de maior tensão nominal não

esteja operando em plena carga, pois isso acarretará o transformador de menor tensão em uma sobrecarga

no transformador, saturando o núcleo, aumentando as perdas no ferro, danificando a isoloção e causando

aquecimento excessivo podendo danificar o transformador.

Para que ambos operem em potências proporcionais às nominais, os transformadores devem ter

suas resistências e reatâncias iguais, ou, com módulo de sua impedância e argumentos iguais. Assim os

transformadores estão livres para funcionarem a plena carga mesmo com potências nominais diferentes,

tendo como resultante final o somatório das potências de cada transformador. No caso de haver diferença

significativa entre as reatâncias e impedâncias dos transformadores, os transformadores ficarão limitados

pela potência do transformador de menor impedância. Consequentemente, se o transformador de maior

impedância operar em plena carga, os transformadores de menores impedâncias estarão em sobrecarga.

3.4 Métodos de Partida

Os motores ao serem ligados diretamente na rede elétrica com tensão e frequências nominais,

durante a partida, solicitam da rede uma corrente elevada que pode chegar entre 6 e 10 vezes da sua

corrente nominal. O sistema elétrico deve ser projetado para poder suportar essas correntes elevadas, de

forma a não parar a produção de gas, e nem danificar os demais equipamentos envolvidos na operação.

Portanto, ao partir um motor, há um desgaste do sistema, consequentemente, o sistema fica submetido a

uma queda de tensão superior aos limites estabelecidos, reduzindo a qualidade da energia e podendo

provocar os disturbios operacionais nos equipamentos de comando, proteção, iluminação, eletrônicos,

dentre outros.

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Os equipamentos ao serem adquiridos, informam um limite máximo suportado para aquela

operação. Os equipamentos de comando, como contatores, podem operar até uam determinada queda de

tensão. Os motores síncronos e assícronos, quando submetidos a tensões inferiores ao mencionados na

Tabela abaixo XXXX, podem parar de funcionar ou perder seu sincronismo ou por influência do

conjugado. A tabela mostra os valores percentuais de tensão sob os quais os motores e diversos

dispositivos de comando podem operar indevidamente.

Tabela 4 - Quedas de tensão e suas consequências

Tensão de Vnm (%) Consequências

85 Tensão abaixo da qual os contatores da classe 600V não

operam.

Lâmpadas fluorescentes não funcionam.

76 Tensão em que os motores de induçaõ e síncronos deixam de

operar, quando funcionam a 115% de sua potência nominal.

71 Tensão em que os motores de induçaõ deixam de operar,

quando em funcionamento a plena carga.

67 Tensão em que os motores síncronos deixam de operar.

A norma NBR 5410/04 estabelece os limites de queda de tensão permissíveis durante a partida de

um motor, sendo de 10% a queda de tensão do barramento existente. Os pequenos motores de indução, de

baixa potência, não apresentam queda de tensão significativa e aumento do período de aceleração. Os

clientes e as concessionárias de energia também tem suas restrições, dependendo de onde uma planta está

operando, o cliente lhe entrega um ponto de energia e restringe sua queda de tensão, devido o

dimensionamento dos equipamentos da fábrica, e então, resta um bom projeto de engenharia elétrica ser

feito na partida dos motores. Portanto, é de grande preocupação a especificação correta na partida dos

motores de média tensão, sendo auxiliados por alguns métodos difentes de partida para reduzir essa

corrente de partida e consequentemente, essa queda de tensão, evitando assim a derrubada de equipamentos

importantes para a produção ou até mesmo do cliente.

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3.4.1 Partida Direta:

O método de partida direta, é o método mais simples de partida de motores, pois ele não utiliza

nenhuma dispositivo em especial. Para a partida direta, utilizamos chaves interruptoras, fusíveis, contatores

ou disjuntores e o relé térmico para proteção do motor. Esse método não restringe às características de

conjugado e rotação, podendo ser utilizado em motores a vazio ou com carga quando satisfazem suas

condições. Suas contra indicações são devido a corrente de partida poder chegar a um valor não suportado

pela concessionária ou cliente, os dispositivos serem mais robostos e, por vezes, mais caro, e um custo

elevado de manutenção. [9]

Figura 19 - Partida Direta

3.4.2 Partida Estrela-Triângulo

Diante das inovações eletrônicas para suavizar a partida das motores, a método de partida Estrela-

Triângulo ainda não caiu em desuso, pela sua simplicidade de construção, custo baixo e confiabilidade.

O nome da partida é sugestivo, a partida é preparada para partir em uma conexão estrela do sistema,

ou seja, em uma tensão menor do que a tensão nominal utilizada no sistema. Portanto, o motor irá partir em

Estrela, em uma tensão bem abaixo de seus valores nominais, até sua rotação compor cerca de 80% de sua

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rotação nominal, o que leva cerca de 7 segundos, a chave é novamente utilizada para a conexão Triângulo,

fornecendo tensão superior ao da partida dele, não ocasionando o impacto forte ao sistema, após o

chaveamento o motor passa a operar com suas condições nominais operativas de projeto.

Para seu aspecto construtivo, deve-se ter acesso aos seis terminais dos enrolamentos do estatos para

poder fazer a conexão estrela e triângulo, e que os enrolamentos do motor sejam compatíveis com os níveis

de tensão da rede ao operar em triângulo.

Figura 20 - Conexão Delta Figura 21 - Conexão Estrela

A partida nada mais é do que o aproveitamento das relações entre tensões de linha e tensões de fase,

pois no tensão de linha é √3 vezes maior que a tensão de fase:

𝑉𝑙 = √3 × 𝑉𝑓

Portanto, essa relação influencia na corrente de partida, pois a corrente é reduzida em relação a

partida direta. Nesse método podemos reduzir de 2 a 3 vezes a corrente nominal, enquanto na partida direta

encontramos 7 a 8 vezes a corrente nominal, dessa forma, podemos reduzir o impacto no sistema e nos

componentes. [10]

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Figura 22 - Partida do motor com auxílio de Chave Estrela-Triângulo

3.4.3 Partidas com autotransformador

Com a finalidade de reduzir a corrente de partida, assim como a chave estrela-triângulo, a partida

com auxílio de autotransformadores visa diminuir o impacto no sistema elétrico através da redução da

corrente de partida, nesse caso, o conjugado de partida disponível é maior que na partida anterior.

Pode-se variar os taps do autotrafo em valores padrões de 50%, 65% e 80% para poder alimentar a

tensão do estator do motor. Na partida do motor, normalmente o autotrafo é inicialmente ligado como sua

ligação do primário em estrela, posteriormente, a ligação estrela do autotrafo é aberta. A partir daí, o

primário do autotrafo funciona como uma indutância em série como o motor, com alimentação direta da

rede. Logo após, o autotrafo é curto circuitado e o motor é ligado diretamente à rede. Devido ao conjugado

variar de acordo com o quadrado da tensão, podemos obter um conjugado de até 64% do conjugado com

partida direta, usando um tap 80% da tensão de rede. [11]

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Figura 23 - Circuito trifilar de ligação para partida com autotrafo

Quando Motor é ligado, os contatos K3 e K2 estão fechados. Os contatos K2 são responsáveis por ligar o

primário do Autotrafo em estrela, e o contato K3, em delta. O motor é ligado ao tap do autotrafo. Qaundo o

motor atinge velocidade próxima de 90% da nominal:

1) o contato K2 é aberto, desfazendo a ligação estrela do primário do autotrafo. Fazendo com que o

autotransformador se torne um indutor, pois a ligação em estrela se abriu.

2) Em seguida, os contatos k3 abrem e os contatos k1 fecham, dessa forma a alimentação deixa de

passar pelo indutor, fazendo com que motor seja alimentado diretamente da rede, a tensão nominal.

Neste tipo de partida não há interrupção de corrente, portanto os picos de corrente do motor são

menores se comparados à partida anterior. Entretanto, a partida com autotransformador tem um

custo maior do que a partida com chave estrelatriângulo. Além disso, é necessário um espaço físico

maior, acarretando uma área maior dos centros de controle de motores.

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3.4.4 Partidas com Inversor de Frequência

A utilização de inversores de frequência é amplamente utilizado na indústria devido a sua

praticidade de uso, operação, controle e economia de energia. Esses dispositivos são capazes de partir

grandes motores a plena carga, sem demandar grandes quedas de tensão e elevadas correntes. O princípio

dos inversores de frquência é variar a velocidade de acordo com a frequência aplaicada, uma vez que a

frequência da rede é fixa em 60Hz, sua atuação se dá ao transformar a corrente alternada em corrente

contínua por meio da uma ponte retificadora, formando o chamado barramento DC. A partir dessa

transformação, a próxima etapa é controlada por microprocessadores, realizando o chaveamento do

transitor IGBT’s, alternando o sentido da corrente que circula pelo motor, fazendo circular uma corrente

alternada que pode variar a frequência de acordo com o chaveamento dos transistores. Para comando desse

dispositivo, disponhem-se de dois maneiras: control vetorial e controle escalar de velocidade. O controle

possui alta precisão de controle de velocidade e torque, através da decomposição vetorial da corrente do

motor, enqaunto que o controle escalar variar a tensãoe a frequência do motor para manter constante a

relação tensão-frequência, mantendo assim a capacidade de torque do motor. [12]

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4 Capítulo 4

Análise de Curto-Circuito e Assimetria

A denominação de corrente de curto-circuito se dá pelo maior valor possível de corrente que pode

ocorrer em uma instalação elétrica durante a ocasião de uma falta (curto) considerando nenhum outro efeito

ou influência, como a impedância de arco, que atua na redução da corrente de falta. [13]. A corrente de

curto-circuito está relacionanado ao porte e à capacidade das fontes disponíveis (rede elétrica, geradores e

motores) que alimentam o sistema e estas não dependem da corrente de carga.

O curto circuito se trata de uma ligação entre dois pontos com diferenças de potencias elétricos

através de uma baixa impedância. Os curtos podem ser de origem mecânica ou de origem da falha da

ruptura dielétrica do ar. Os curtos de origem mecânica são causados quando essa ligação entre dois pontos

é ocasionado solidamente, e da-se o nome de curto-circuito franco. No curto ocasionado pela ruptura do ar,

a falha é ocasionada onde há falha no isolamento.

Há outros tipos de curto circuitos de alta impedância, nos quais a corrente de curto é da ordem de

grandeza da corrente nominal, exigindo-se assim técnicas especiais para sua detecção.

Curtos de origem mecânica: contato acidental de condutores, quebra ou corte de condutor, contato

em condutores através de outros agentes externos;

Curto de origem na falha do isolamento: tensões internas ou de origem de descargas parciais

atmosféricas (Ruptura do dielétrico dos isoladores), temperatura, umidade ou corresão do material.

A magnitude do curto circuito depende das fontes de potências que suprem o sistema, portanto, se

determinado sistema possui diversos motores síncronos ou de indução, com carga alta trabalhando, na

incidência do curto, esses passam a funcionar como geradores enviando sua energia elétrica armazenada

com contribuições significativas para o ponto da falta.[14]. Outros fatores determinam a magnitude e

duração do curto, como o tipo da falta, o tipo da fonte presente , impedâncias entre as fontes, e o ponto da

falta.

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4.1 Tipos de corrente

Figura 24 - Forma de onda "ac" totalmente deslocada Figura 25 - Forma de onda “ac” simétrica

O que determina o grau de deslocamento em relação ao eixo das abscissas, são dois fatores:

1) O ângulo de fase da tensão (𝑎0) em que a falta ocorre

2) As impedâncias que compoem o sistema.

No caso onde temos apenas resistências no sistema, o deslocamento da forma de onda da corrente é

nulo, do contrário, tendo apenas reatâncias, o deslocamento pode ser nulo até totalmente deslocado,

dependendo do momento da falta com determinado angulo de fase de tensãoo deslocamento seria

sustentado sem decaimento.

Como o sistema real é composto de reatâncias e resistências, a forma de onda inicial se dá como

deslocamento, e se torna simétrica gradualmente devido ao decaimento do deslocamento. Devido ao

sistema ser composto de ambos, as correntes de curto são quase sempre assimétricas, durantes os primeiros

ciclos após a falta e contém componentes em corrente contínua e corrente alternada. Abaixo podemos ver a

componente “dc” (componente de corrente contínua) de uma corrente de curto circuito:

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Figura 26 - Forma de onda da componente “dc”

A componente assimétrica “dc” é sempre máxima durante o primeiro ciclo, após a falta a corrente

gradualmente cai a zero. Podemos notar que a componente “dc” da corrente se torna próxima de zero

aproximadamente em 5 a 6 ciclos, portanto, abaixo podemos ver a forma de onda da corrente composta

pelas componentes “ac” e “dc”.

Figura 27 - Forma de onda típica de corrente de curto-circuito assimétrica

4.2 A importância da assimetria

A assimetria encontrado nas correntes de curto circuito se fazem importante devido a duas razões:

1 – As forças eletromagnéticas exercidas sobre os componentes dos equipamentos;

2– Energia térmica contina na corrente de curto-circuito.

Tanto as forças eletromagnéticas quanto a energia térmica variam com o quadrado da corrente. Na

figura abaixo, podemos ver que o primeiro pico de corrente da corrente assimétrica de falta tem cerca de

1.6 vezes o valor de crista do regime permanente. Isso equivale dizer que nesse primeiro pico de corrente,

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as forças eletromagnéticas exercidas sobre o equipamento são da ordem de 2,56 vezes as forças de pico

produzias por corrente simétricas de primeiro ciclo. E a componente de i²t (efeito térmico ou aquecimento)

da corrente assimétrica é muito maior. Essas forças exercidas nos equipamentos afetam o projeto e a

aplicação dos equipamentos de proteção utilizados no sistema de potência.

Figura 28 - Corrente assimétrica constituída de componente “dc” e corrente “ac” simétrica

Portanto, em um projeto devem ser considerados as correntes transitórias, neste caso assimétricas, e

correntes de regime, “steady-state”, devido aos esforços eletromecânicos e térmicos impostos pelos período

inicial das correntes de curto-circuito. E então, é de extrema importância realizar o cálculo de curto

circuito para, além de elaborar o dimensionamento do painel principal e seus componentes, poder setar as

configurações dos fusíveis e disjuntores, previsão dos esforço eletrodinâmicos para a correta proteção dos

equipamentos.

Nas proteções de média e alta tensão, considera-se que os efeitos mecânicos devem ser suportados

pelos equipamentos, e então, faz-se a proteção contra os efeitos térmicos. Para a baixa tensão e alguns

casos de média, utilizam-se os equipamentos de proteção limitadores que protegem os equipamentos contra

os efeitos térmicos e mecânicos, para dar trip na corrente de curto antes que ela atinge seu primeiro valor

de crista.

Os diferentes tipos de curto-circuito:

Fase-Terra;

Fase-Fase;

Fase-Fase-Terra;

Trifásico;

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Figura 29 - Tipos de faltas

Dentre os quatro tipos de curto-circuito abordados acima, podemos ainda dividí-los em curtos-

circuitos desequilibrados e curtos-circuitos equilibrados.

Os curtos-circuitos desequilibrados ocorrem quando as impedâncias, as tensões e as correntes de

curto não são iguais para as três fases. Neste tipo de curto-circuito não pode ser aplicada a representação

monofásica do sistema elétrico. Os curtos que se encaixam nesta classificação são os curtos Fase-Terra,

Fase-Fase e Fase-Fase-Terra.

Já os curtos-circuitos equilibrados, são aqueles nos quais ocorrem uma perfeita simetria ou

equilíbrio entre suas fases. Neste caso, as impedâncias, os módulos das tensões e das corrente antes e após

o curto são iguais para as três fases.

As correntes de curto-circuito são chamadas de corrente alternadas assimétricas já que a mesma é

composta por uma componente alternada, parcela simétrica, e por uma componente DC (contínua), a qual

representa a parcela assimétrica.

Para poder entender o comportamento assimétrico da corrente de curto-circuito, momento

transitório, podemos simplificar o sistema em um simples circuito RL, como pode ser observado na Figura

23:

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54

Figura 30 - Circuito RL

Sendo assim, aplicando a lei das malhas no momento que a chave “S” se fecha no circuito acima,

temos a seguinte equação diferencial:

𝑅𝑖(𝑡) + 𝐿𝑑𝑖

𝑑𝑡= √2𝐸 sin(𝑤𝑡 + 𝜑) [1]

Onde:

𝐸- valor eficaz da tensão senoidal da fonte;

𝑖(𝑡)- corrente instantânea no circuito em qualquer tempo, após o fechamento da chave;

𝑅 - resistência do circuito em Ohms;

𝐿- indutância do circuito em Henries;

𝑡- tempo em segundos;

𝛼- ângulo de fase da tensão em radianos quando a falta ocorre;

𝜑- ângulo do fator de potência;

𝜔- 2πf

Solução da equação geral do curto-circuito

Assumindo que a corrente pré falta no circuito é zero (corrente de

carga=0) então a solução da equação acima corresponde à:

𝑖 = √2𝐸

𝑍sin(𝛼 − 𝜑)𝑒−𝜔

𝑅

𝑋 + √2𝐸

𝑍sin (ωt + α − φ)

Onde:

𝜑 − tan−1 (𝜔𝐿

𝑅) = tan−1 (

𝑋

𝑅) ;

𝛼 - ângulo de fase da tensão quando a falta ocorre;

𝑋 - ωL;

𝑍 - √𝑅2 + 𝑋2;

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55

O primeiro termo da equação representa a componente “dc” transitória da solução, onde o módulo

inicial √2 sin(𝛼 − 𝜑) decresce conforme a expressão exponencial 𝑒−2𝜋𝑡𝑅

𝑋 , após transcorrido certo tempo,

desaparece. O segundo termo representa a componente de corrente alternada de regime da solução. É uma

função senoidal no tempo cujo valor de crista é o máximo valor de pico da tensão da fonte dividido pelo

módulo da impedância equivalente de Thevenin do sistema, vista no ponto de falta.

A equação pode ser reescrita como:

𝑖 = −𝑖𝑑𝑐 sin(𝛼 − 𝜑)𝑒−𝜔𝑅

𝑋 + √2𝐼𝑎𝑐,𝑟𝑚𝑠sin (ωt + α − φ)

E para “t” expresso em ciclos, da equação a última equação em ciclos, obtemos:

𝑖 = −𝑖𝑑𝑐 sin(𝛼 − 𝜑)𝑒−2𝜋𝑡𝑅

𝑋 + √2𝐼𝑎𝑐,𝑟𝑚𝑠sin (2πt + α − φ)

A diferença entre magnitude da corrente inicial de falta e a da corrente de regime depende apenas

da relação “X/R” do circuito e do ângulo de fase α da tensão no momento da falta.

A figura 2.8 mostra a forma de onda para uma falta que ocorre quando o ângulo α da tensão é de 60

graus para a relação X/R igual a 15.

Figura 31 - Forma e onda de corrente com alfa= 60 graus e x/r=15

4.3 Corrente de curto-circuito total

A corrente total disponível no ponto do sistema elétrico é constituída basicamente por três

componentes: a concessionária, interligada à rede, que se comporta como um imenso gerador; a geração

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56

local ou próxima, constituída por geradores da planta ou plantas vizinhas e uma terceira categoria

constituída principalmente por motores síncronos e motores de indução. As últimas duas categorias

apresentam correntes que decaem significativamente com o tempo, devido à redução do fluxo magnético

na máquina durante um curto-circuito. A corrente de curto-circuito nos terminais de um motor de indução

desaparece em 1 a 10 ciclos, enquanto a corrente de um motor síncrono se mantém, porém, em um valor

mais baixo que o inicial, devido à existência do enrolamento de campo. Considerando-se um sistema com

muitos motores de indução a corrente de curto-circuito inicial é, em muitos casos, significativamente maior

do que a corrente verificada alguns ciclos depois. Este efeito é conhecido como “decremento ac”.

Portanto, pode-se representar a corrente de curto-circuito total pelas equações abaixo:

𝑖 = 𝑖𝑑𝑐−𝑑𝑒𝑐𝑟𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 + 𝑖𝑎𝑐−𝑟𝑒𝑔𝑖𝑚𝑒 + 𝑖𝑎𝑐−𝑑𝑒𝑐𝑟𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜

com:

𝑖𝑑𝑐−𝑑𝑒𝑐𝑟𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 = √2𝐼𝑠 sin(𝛼 − 𝜑)𝑒−𝜔𝑅

𝑋

𝑖𝑎𝑐−𝑟𝑒𝑔𝑖𝑚𝑒 = √2𝐼𝑠 sin(𝜔𝑡 + 𝛼 − 𝜑)

𝑖𝑎𝑐−𝑑𝑒𝑐𝑟𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 = √2𝐼𝑠 sin(𝜔𝑡 + 𝛼 − 𝜑)𝑒−𝑘𝑡

onde:

Is - magnitude da corrente simétrica rms de regime (E/Z);

idc - corrente de decremento rms simétrica;

k - constante de tempo da corrente de decremento “ac”;

t - tempo em segundos.

A figura 19 abaixo ilustra as três componentes da corrente de curto-circuito citadas.

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57

Figura 32 - Ilustração das três componentes da corrente de curto-circuito

A magnitude e a duração das correntes assimétricas dependem de dois parâmetros:

1- Relação X/R;

2- Angulo de fase da onda da tensão quando ocorre o curto-circuito.

Quanto mais elevada a relação X/R mais longo será o tempo de decaimento da corrente de falta

assimétrica. Para um valor específico de relação X/R, o ângulo da tensão no momento do início circuito

determina o grau de assimetria da corrente de falta esperado para aquela relação X/R.

A figura abaixo apresenta a componente “dc” para vários ângulos de inicio da falta para X/R=15, e

também para alfa zero para os diferentes X/R.

Figura 33 - Componente “dc” variando X/R p/ alfa=0 Figura 34 - Componente “dc” variando alfa p/ X/R = 15

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58

Num circuito puramente indutivo, a componente “dc” máxima é produzida quando o curto-circuito

tem seu início no momento em que a tensão aplicada é zero (α =0° ou α = 180°). A corrente será então

totalmente deslocada da origem “fully offset” na direção positiva ou negativa. A máxima assimetria ocorre

para qualquer relação X/R quando o curto-circuito é iniciado próximo de tensão zero. O valor inicial da

componente “dc” é independente se a componente “ac” permanece constante ou tem decremento a partir de

seu valor inicial. Para qualquer valor de relação X/R, a forma de onda da tensão e da corrente estarão

defasadas de um ângulo igual a tan−1(𝑋

𝑅). Em um circuito puramente indutivo a corrente estará defasada

da tensão de 90° (atrasada). A adição de resistência ao circuito causa diminuição na defasagem angular até

o limite do circuito puramente resistivo onde a onda da corrente está em fase com onda da tensão.

Em circuitos puramente resistivos a defasagem angular entre a corrente e a tensão é zero e não há

assimetria na forma de onda da corrente. Se a falta ocorrer no pico da tensão em um circuito puramente

indutivo, a corrente inicia em zero e representará uma senóide simétrica em relação ao eixo das abscissas.

Se a falta ocorre quando a tensão estiver passando por zero, a corrente inicia em zero, mas, não é simétrica

em relação ao eixo das abscissas pois, num circuito indutivo, a corrente está atrasada de 90° em relação à

tensão. Isso só ocorre quando a corrente é totalmente deslocada do eixo das abscissas como mostrado na

figura 18.

Esses dois casos representam os extremos com a corrente totalmente simétrica e totalmente

assimétrica. Se a falta ocorre entre esses dois extremos, a forma de onda da corrente apresentará algum

grau de assimetria, que também depende da relação X/R. As correntes de curto-circuito são normalmente

analisadas através de duas componentes:

Componente simétrica da corrente;

Componente total da corrente, e que inclui a componente “dc”.

Também se pode verificar que a componente assimétrica máxima ocorre durante o primeiro ciclo

do curto-circuito decaindo para valores de regime devido às variações dos fluxos dos campos magnéticos

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59

nas máquinas rotativas. Em circuitos reais, contendo reatâncias e resistências, a componente “dc” decai até

zero à medida que a energia representada pela componente “dc” é dissipada como i²R em perdas por

aquecimento no circuito. A taxa de decaimento da componente “dc” é função da relação X/R e, na prática,

ela decai a zero entre 1 e 30 ciclos.

4.4 Aplicação da assimetria da corrente

As analises até aqui discutidas abordaram circuitos monofásicos. Em circuitos trifásicos submetidos

à falta trifásica sólida tem-se que a soma das três correntes em qualquer momento do defeito deve ser zero.

Assim, se uma fase apresenta-se com um deslocamento máximo “offset” então as outras duas fases

somadas devem apresentar um deslocamento negativo de forma a equilibrar as correntes em zero.

Do ponto de vista do equipamento elétrico submetido aos esforços impostos pela corrente de curto-

circuito, a fase de interesse é a que apresenta a maior corrente de falta. Essa corrente submete o

equipamento às mais elevadas forças magnéticas. O maior pico de corrente de falta tipicamente ocorre no

primeiro ciclo de corrente, quando o inicio da falta se dá no ponto em que a tensão passa por zero. Essa

condição é definida como “Condição de máxima assimetria”. Na aplicação de todos os equipamentos que

conduzem e, principalmente os que interrompem correntes de falta como disjuntores e fusíveis, a corrente

de curto-circuito total deve ser determinada.

O conhecimento do valor de X/R ou do fator de potência em que o componente foi ensaiado

conforme “ANSI”, “NEMA”, “UL” ou “IEC” é fundamental para a correta aplicação do equipamento.

Correntes de pico são importantes para alguns equipamentos como disjuntores de baixatensão, enquanto

valores de corrente assimétricos rms são importantes para disjuntores de alta tensão. Criou-se então a

necessidade do desenvolvimento de cálculos de correntes de curto-circuito dependentes da relação X/R

para comparação com as dos equipamentos aplicados. O cálculo das correntes de curtocircuito deve levar

em conta a componente “ac” e a componente transitória “dc” da corrente de falta para determinar o valor

de pico ou rms máximo total que pode ocorrer no sistema, não esquecendo evidentemente as contribuições

dos motores. Quando o valor calculado de X/R da falta é maior do que o X/R de norma do equipamento,

este primeiro deve ser considerado

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60

4.5 Correntes de pico máximas

Após o início de uma falta trifásica sólida, o pico máximo de corrente acontece em uma fase

durante a primeira metade do ciclo e, erroneamente, se presume que ocorre quando a componente “ac”

simétrica da corrente está em seu pico. A assunção da “corrente de meio ciclo” sugere que a maior corrente

de pico ocorre em meio ciclo na fase que apresenta a maior componente “dc” inicial, o que também é um

equívoco, exceto para circuitos puramente indutivos. Para circuitos onde se considera a resistência, a

máxima corrente de pico ocorre antes da corrente simétrica de pico e antes de meio ciclo. Observa-se

também que a corrente de pico máxima não ocorre para a corrente de componente “dc” máxima. Tais fatos

são ilustrados na figura 2.13, a qual considera que a falta ocorre quando a tensão passa por zero e X/R=5

no ponto da falta.

Figura 35 - Correntes de pico máximas – X/R= 5

As características representadas na figura acima são:

O curto-circuito ocorre quando a tensão está passando pelo

zero;

A corrente assimétrica inicial é zero, assumindo-se que a

corrente pré-falta é zero;

A corrente “dc” no momento do inicio da falta tem módulo igual

corrente “ac”, mas com sinal oposto;

O pico máximo de corrente de falta ocorre antes do primeiro

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61

pico da corrente simétrica.

A título de ilustração, Tabela 6 apresenta nas colunas 2 e 3 os valores das correntes de pico

assimétricas e o respectivo tempo. Nas colunas 4 e 5 são apresentadas, respectivamente, os valores das

componentes contínuas e o tempo, em ciclos, para a ocorrência dos valores de pico nas correntes

simétricas. Vale esclarecer que os valores da Tabela 6 foram determinados por meio de processos

iterativos. Da Tabela 6 podem ser extraídas algumas conclusões importantes, quais sejam:

O pico máximo de corrente ocorre em uma das fases durante o primeiro ciclo e não

necessariamente em meio ciclo, como pode ser verificado na tabela 2 coluna 2;

A máxima corrente de pico ocorre antes de meio ciclo, tabela 2, coluna 2;

A máxima corrente de pico ocorre antes do pico da corrente simétrica de curto-circuito, o

que pode ser comprovado por uma análise comparativa entre os valores da coluna 2, tempo

para corrente de pico, e da coluna 5, tempo para pico de corrente simétrica.

Tabela 5 - Tempos de ocorrência de pico

X/R

Corrente Assimétrica

Idc

(PU)

Corrente

Simétrica

Tempo para pico

(ciclos)

Máximo pico

(PU)

Tempo para pico

(ciclos)

0,5 0,321 1,0078 0,0078 0,32

1,0 0,364 1,0694 0,0694 0,379

2,0 0,406 1,2418 0,2418 0,426

3,0 0,428 1,3786 0,3786 0,449

4,0 0,442 1,4774 0,4774 0,461

5,0 0,451 1,5503 0,5503 0,469

6,0 0,457 1,6057 0,6057 0,474

7,0 0,463 1,6492 0,6492 0,477

8,0 0,466 1,6842 0,6842 0,480

9,0 0,467 1,7128 0,7128 0,482

10,0 0,472 1,7368 0,7368 0,484

15,0 0,481 1,8143 0,8143 0,489

17,0 0,483 1,8339 0,8339 0,491

25,0 0,488 1,8832 0,8832 0,494

100,0 0,497 1,9692 0,9692 0,498

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62

4.6 Equações da máxima corrente de pico

A corrente de curto-circuito de pico é obtida por meio de três equacionamentos distintos:

1. “equação de meio ciclo”, tradicionalmente utilizada;

2. equação da norma “IEC 60909”

3. equação da norma “IEEEStd-551”.

A equação da norma “IEEE Std-551”, é vista como uma correção da “equação do meio ciclo”, pois,

na figura 2.13 e na Tabela 6 ficam demonstradas que a corrente de pico ocorre em algum momento anterior

ao “meio ciclo” e que é dependente da relação X/R. Salienta-se, outrossim, que a própria norma “IEEE-

Std-551” não recomenda a aplicação da “equação do meio ciclo” que leva a obtenção de valores não

conservativos das correntes de pico.

4.6.1 Equação de “meio ciclo”

A equação de “meio ciclo” ou “half-cycle equation” como é conhecida na literatura internacional, é

apresentada abaixo e é aplicada para t=0,5 ciclos.

𝐼𝑝𝑖𝑐𝑜 = √2𝐼𝑎𝑐,𝑟𝑚𝑠(1 + 𝑒−

2𝜋𝑡𝑋𝑅 )

4.6.2 Equação da norma “IEC 60909”

A norma européia “IEC 60909”, [IEC 60909-0, 2001-07] apresenta em seus procedimentos de

cálculos de curto-circuito:

𝐼𝑝𝑖𝑐𝑜 = 𝜅√2𝐼𝑎𝑐,𝑟𝑚𝑠

Onde fator κ é definido empiricamente de acordo com a equação:

𝜅 = 1,02 + 0,98𝑒−

3𝑋𝑅

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63

A figura 29 apresenta o gráfico de k em função de X/R.

Figura 36 - Fator “k” em função de X/R

Ainda, dos procedimentos da “IEC” a componente “dc” é calculada por:

𝐼𝑑𝑐 = √2𝐼𝑎𝑐,𝑟𝑚𝑠(0,02 + 0,98𝑒−

3𝑋𝑅 )

4.6.3 Equação da norma “IEEE Std 551-2006”

A “IEEE Std 551-2006”, [IEEE Std 551, 2006] propõe um cálculo alternativo. A equação abaixo

defini um tempo ζ, fictício, e a logo após a equação é idêntica à Equação de Meio Ciclo com t substituído

por ζ:

ζ = 0,49 − 0,1𝑒−

𝑋𝑅3

𝐼𝑝𝑖𝑐𝑜 = √2𝐼𝑎𝑐,𝑟𝑚𝑠(1 + 𝑒−

2𝜋ζ𝑋𝑅 )

4.7 Corrente assimétrica rms

O valor eficaz da corrente assimétrica é determinado pela equação:

𝐼𝑟𝑚𝑠 = √𝐼𝑎𝑐,𝑟𝑚𝑠2 + 𝐼𝑑𝑐

2

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64

Lembrando da dificuldade da determinação do valor rms de uma onda não periódica, a equação só é

valida se o componente Idc for constante. Como foi demonstrado, a componente “dc” da corrente de curto-

circuito é uma exponencial decrescente, portanto não constante. Entretanto, é uma prática comum

determinar-se a parcela “dc” da corrente de falta em 0,5 ciclos após seu início, ainda que este ponto, no

tempo, não corresponda, necessariamente, ao valor de pico máximo da corrente assimétrica de falta.

4.7.1 Equação de “meio ciclo”

𝑰𝒎𝒆𝒊𝒐 𝒄𝒊𝒄𝒍𝒐,𝒓𝒎𝒔 = 𝑰𝒂𝒄,𝒓𝒎𝒔√

𝟏 + 𝟐[𝒆−

𝝅𝑿𝑹 ]𝟐

4.7.2 Equação da norma IEC 60609

𝑰𝑰𝑬𝑪,𝒓𝒎𝒔 = 𝑰𝒂𝒄,𝒓𝒎𝒔√

𝟏 + 𝟐[𝟎, 𝟎𝟐 + 𝟎, 𝟗𝟖𝒆−

𝟑𝑿𝑹 ]𝟐

4.7.3 Equação da norma IEEE Std 551-2006.

𝑰𝑰𝑬𝑬𝑬,𝒓𝒎𝒔 = 𝑰𝒂𝒄,𝒓𝒎𝒔√

𝟏 + 𝟐𝒆−

𝟒𝛑𝛇𝑿𝑹

4.8 Considerações finais

Neste capítulo foram apresentados os principais conceitos sobre as correntes de curto-circuito,

como o da assimetria, e sua dependência do ângulo de fase da tensão em que ocorre a falta e da relação

X/R, cujo entendimento é a base para todo o desenvolvimento apresentado nos próximos capítulos. As

equações aqui apresentadas, para cálculo dos valores de pico e

Assimétricas, serão calculadas segundo a metologia da norma IEC 60909, norma européia

amplamente utilizada nos equipamentos aqui estudados.

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65

5 Capítulo 5

Considerações Gerais

A White Martins/Praxair está implantando uma planta industrial de separação de ar, em um site já

existente de um cliente, onde atualmente funcionam duas plantas T-850, plantas com capacidade de 850

Toneladas de gases por dia, e também uma planta PL-7, com capacidade para 7 Toneladas. A principal

objetivo é a instalação da uma planta T-1600S, ao invés de renovar as T-850, trazendo benefícios em

pureza, capacidade e consumo de energia. Os dois T-850 será fechado e usado se necessário, aumentando

também a confiabilidade do site. Após a instalação a planta irá fornecer nitrogênio gasoso, oxigênio gasoso

e argônio líquido a ser vaporizado pelo cliente, bem como nirogênio líquido, oxigênio e argonio para

revenda no mercado para a White Martins e armazendo back-up.

Chamaremos as fabricas atualmente em operação de FOX 1 e FOX 2. As cargas de maior

potência dessas unidades são alimentadas em 13,8kV por dois transformadores de 25/33MVA, 69-13,8kV

(TR03 e TR04). Existem também dois transformadores de 7.6MVA, 69-4,16kV (TR01 e TR05). Os citados

transformadores estão instalados numa subestação com tensão primária de 69kV, denominada SE

FÁBRICA DE OXIGÊNIO. Os transformadores TR 03 e TR 04 e os transformadores TR 01 e TR 05

trabalham normalmente em paralelo.

Para alimentar a FOX 4 é necessário instalar um novo transformador 69-13,8kV (TR02),

que alimentará as seguintes cargas:

Dois motores síncronos, 22.800HP, partida com autotransformador no tap de 80%;

Um motor de indução, 6000HP, partida direta;

Um transformador de serviços auxiliares, potência 2000kVA, secundário 480V.

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66

Figura 37 - Diagrama Elétrico Simplificado

5.1 Sistema Alimentador (Fonte de Energia)

Nas simulações considerou-se que a barra de 69kV do Cliente opera em condição de regime e em

situação normal de operação com 1,0 PU, ou seja, 69000V. Conforme informado pela White Martins, o

cliente possui transformadores de 138-69kV com regulação automática de tensão sob carga.

Nas simulações o sistema elétrico do cliente foi considerado como um equivalente (representado no

presente documento como uma “Utility”), modelado por meio da impedância de curto-circuito do referido

ponto, obtida pelos níveis de curto-circuito.

Os níveis de curto-circuito trifásicos informados em 69kV são:

Mínimo: 838MVA, X/R de 9.42;

Máximo: 1742MVA, X/R de 7.32.

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67

5.2 Carregamento do Sistema Elétrico

A tabela a seguir apresenta o carregamento máximo do sistema elétrico das FOX 1, FOX 2, conforme

informado pela White Martins.

Tabela 6 - Carregamento máximo FOX 1 e FOX 2

Tensão

Carregamento

Carga Considerado

(V)

kW

kVAr

kVA

FP

FOX 1 e 2 13800 36927 6897 37566 0.98

(Plena Carga) 4160 9073 3210 9624 0.94

Somente FOX 1 ou 13800 20069 3749 20416 0.98

FOX 2 4160 5433 1988 5785 0.94

A tabela a seguir apresenta o carregamento máximo do sistema elétrico da FOX 4:

Tabela 7 - Carregamento máximo FOX 4

Carga

Tensão

Carregamento Considerado

(V)

kW

kVAr

kVA

FP

RM-0500 13800 15854.3 0 15854 1.00

FOX 4 RM-2500 13800 0 0 0 0.00

(TURNDOWN

50%) RM-0595 13800 2882.5 1396.1 3203 0.90

CCM#1 480 890 751.6 1165 0.76

RM-0500 13800 15368.6 0 15369 1.00

FOX 4 RM-2500 13800 15368.6 0 15369 1.00

(100% Carga) RM-0595 13800 3378.3 1636.2 3754 0.90

CCM#1 480 890 751.6 1165 0.76

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68

5.3 Capacidade dos Painéis e Disjuntores

A tabela a seguir apresenta a capacidade dos painéis e disjuntores do sistema elétrico:

Tabela 8 - Capacidade dos equipamentos

Disjuntores Barramentos

Barra

Tensão Capacidade Capacidade

Capacidade Capacidade

Interrupção

(V) Estabelecimento Dinâmica Térmica

Isc

(kA)

(kA) (kA)

(kA)

5BR1 13800 81.9 31.5 81.9 31.5

5BR2 13800 96.2 37 88.79 34.15

5BR3 13800 96.2 37 88.79 34.15

FOX1_13,8kV 13800 96.2 37 88.79 34.15

FOX2_13,8kV 13800 96.2 37 88.79 34.15

ES-8304_A 13800 81.9 31.5 81.9 31.5

ES-8304_B 13800 81.9 31.5 81.9 31.5

CCM#1 480 105 50 105 50

5.4 Casos Avaliados

O presente estudo avaliou a possibilidade de paralelismo do seguinte transformador:

FOX 4 de 50MVA, 69+/-2.5%-13,8kV, Z=10%;

Foram avaliados, ainda, os seguintes subcasos conforme previsão de entrada de operação da FOX 4,

informado pela White Martins.

a) Condição inicial de Operação: FOX 1 e FOX 2 em plena carga. FOX 4 em Turndown 50%

(partida do primeiro motor de 22800HP, segundo motor parado);

b) Condição Intermediária: Somente FOX 1 ou FOX 2 em plena carga. FOX 4 em plena carga

(partida do segundo motor de 22800HP, primeiro motor já em funcionamento);

c) Condição Final de Operação: Somente FOX 4 em operação, com plena carga.

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69

5.5 Cálculo dos níveis de curto-circuito

O cálculo dos níveis de curto-circuito foi desenvolvido de acordo com a norma IEC-60909, a partir

do módulo IEC-FAULT do software SKM Powertools, versão 7.0.

É apresentada na figura abaixo a representação da evolução do curto-circuito a partir do momento

inicial da falta:

As correntes de curto-circuito calculadas pela norma IEC-60909 estão definidas abaixo:

Ip – Corrente de curto-circuito de pico: Máximo valor instantâneo possível da corrente de

curto-circuito potencial (disponível).

I”k – Corrente de curto-circuito simétrica inicial: Valor eficaz da componente simétrica c.a.

da corrente de curto-circuito potencial (disponível) aplicável no instante do curto-circuito (1/2

ciclo), se a impedância do sistema permanecer inalterada.

Ib – Corrente de curto-circuito de interrupção: Valor eficaz de um ciclo integral da

componente c.a. ou c.c. da corrente de curto-circuito disponível, no instante da separação dos

contatos do primeiro pólo do dispositivo de interrupção. Neste estudo adotou-se o tempo

típico de 5 ciclos (83,33ms) para o cálculo desta corrente.

Ik – Corrente de curto-circuito em regime permanente: Valor eficaz da corrente de curto-

circuito que permanece após o decaimento do fenômeno transitório.

Figura 38 - Correntes de Curto-circuito

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70

Idc – Componente aperiódica da corrente de curto-circuito: O valor médio entre as

envoltórias superior e inferior da corrente de curto-circuito, decaindo de um determinado

valor inicial até zero.

5.6 Metologia Recomendada para Análise dos Equipamentos

Frente aos Níveis de Curto-Circuito Calculados

5.6.1 Disjuntores de Baixa e Média Tensão

Para a análise dos disjuntores deverão ser considerados os valores de curto-circuito, de acordo com

as recomendações das normas IEC 62271-100 e IEC 60947-2:

Valor de crista nominal da corrente suportável ou capacidade de estabelecimento do

disjuntor (Ip)

Em média tensão, para a frequência nominal de 60Hz e valor normalizado da constante de

tempo de 45ms, a capacidade de estabelecimento nominal em curto-circuito do disjuntor deve ser

2,6 vezes o valor da capacidade de interrupção nominal Isc.

Já em baixa tensão esse mesmo valor deve ser no máximo 2,1 vezes o valor da capacidade

de interrupção nominal Isc. Apesar das normas não explicitarem, é recomendável que o “Ip” do

disjuntor seja maior que o “Ip” calculado no estudo de curto-circuito.

Capacidade de Interrupção Nominal do Disjuntor (Isc)

A capacidade nominal de interrupção do disjuntor em curto-circuito deve ser maior que a

corrente de curto-circuito transitória (Ib – short-circuit breaking current), considerando o valor

eficaz da componente alternada assim como o valor percentual da corrente contínua.

Portanto, a capacidade de interrupção nominal do disjuntor (Isc) deve ser o valor comercial

imediatamente acima do valor da corrente “Ib asym” calculada para o tempo de abertura do

disjuntor. Quando este tempo de abertura não for conhecido, recomenda-se utilizar o valor de "Ib

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71

asym" calculado para o tempo de 5 ciclos (aproximadamente 83,3ms).

5.6.2 Barramentos

Para a análise dos barramentos deverão ser considerados os valores de curto-circuito

apresentados:

Ip (Corrente de curto-circuito de pico)

A capacidade de curto-circuito (correntes dinâmicas) dos barramentos de painéis e CCMs

devem ser maiores do que a corrente de curto-circuito de pico (Ip), considerando o valor eficaz

da componente alternada.

Ib (Corrente de curto-circuito transitório simétrica)

A capacidade de curto-circuito (correntes térmicas) dos barramentos de painéis e CCMs

devem ser maiores do que a corrente de curto-circuito transitória (Ib - symmetrical short circuit

current), considerando o valor eficaz da componente alternada, em um tempo máximo de

interrupção de 1s.

5.7 Simulações de Partida dos Motores

O presente estudo avaliou o tempo de aceleração dos motores síncronos de 22800HP, bem

como as quedas de tensão nas barras do sistema elétrico.

A seguir são apresentados os parâmetros para avaliação das quedas de tensão provocadas

pela partida do motor de 22800HP.

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72

5.7.1 Barra de 69kV do cliente

Conforme informado pelo cliente no documento citado no Capítulo 2, a máxima queda de

tensão admitida no barramento de 69kV é de 5%.

5.7.2 Contatores de Baixa Tensão

Os contatores de baixa tensão possuem uma bobina de comando que mantém o contator

atracado durante o funcionamento normal do motor. Esta bobina é sensível a variações de tensão.

Conforme informado pela White Martins, os contatores de baixa tensão da FOX 4 serão de

fabricação da WEG.

A figura a seguir apresenta os limites de queda tensão suportados pelos contatores:

5.7.3 Inversores de Frequência

Os inversores de frequência são equipamentos que empregam circuitos micro processados

que são sensíveis a quedas momentâneas de tensão, que afetam principalmente o sistema de

controle.

Em geral os inversores incorporam proteção de subtensão instantânea no barramento D.C.

Essa proteção é a principal causa de paralisação de inversores, durante os mergulhos de tensão.

A figura a seguir apresenta os limites de queda tensão suportados pelos inversores:

Figura 39 - Contatores de baixa tensão da WEG

Figura 40 - Limites de tensão de inversores de baixa tensão – WEG

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73

5.7.4 Aparelhos Eletrônicos

Aparelhos eletrônicos alvo deste estudo, são aqueles aplicados no controle, supervisão e

gerenciamento do processo industrial. São eles: PLCs, computadores e outros tipos de

processadores. Estes equipamentos são muito sensíveis as variações de tensão nas barras.

Entretanto, neste estudo os limites de queda permitidos por estes equipamentos não foram

levados em consideração, pois foi adotado como premissa que os mesmos são alimentados por

nobreak.

5.7.5 Parâmetro de Análise

Conforme apresentado anteriormente, considera-se, no presente estudo, que quedas de

tensões de até 15% não geram inconvenientes com a operação dos equipamentos.

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74

6 Capítulo 6

Resultados e Avaliações

A seguir são apresentados os resultados das simulações considerando a aquisição de um novo

transformador de 69-13,8kV, 50MVA com impedância de curto-circuito de 10%.

Ressalta-se que não é possível a utilização de um transformador com potência menor que 50MVA,

uma vez que as quedas de tensão no momento da partida dos motores síncronos de 22800HP são

superiores aos limites considerados adequados.

6.1 Condição inicial – FOX 1 e 2: operação Normal 100% e FOX4:

turndown 50%

Segue abaixo os resultados das simulações para a etapa inicial de operação, ou seja, partida

do primeiro motor de 22800HP (segundo motor desligado) e FOX 1 e FOX 2 em operação a

plena carga.

Níveis de Curto-Circuito

A seguir são apresentados os níveis de curto-circuito calculado nas barras do sistema

elétrico em estudo, em confronto com a capacidade dos equipamentos. Considerou-se a condição

de curto-circuito máximo em 69kV, pior caso. Foram avaliadas as seguintes configurações

possíveis para esta etapa:

a) Novo transformador de 50MVA operando isolado alimentando FOX 4 (disjuntor 503

aberto). Transformadores TR03 e TR04 em paralelo alimentando FOX 1 e FOX 2

(disjuntor 506 fechado).

b) Novo transformador de 50MVA, TR03 e TR04 em paralelo alimentando FOX 1, FOX 2 e

FOX 4 (disjuntores 503 e 506 fechados).

c) Novo transformador de 50MVA operando em paralelo com o TR03 alimentando FOX 1 e

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75

FOX 4 (disjuntor 503 fechado) e transformador TR04 isolado alimentando FOX 2 (disjuntor 506

aberto).

Tabela 9- Capacidade dos Equipamentos – Novo Trafo 50MVA isolado

Disjuntores Barramentos

Tensão

Ip

Ib Asym

Ib

Barra Capacidade Capacidade Capacidade Capacidade Conclusão

(V)

(kA)

(kA)

(kA)

Estabelecimento Interrupção Isc Dinâmica Térmica

(kA) (kA) (kA) (kA)

5BR1 13800 58.457 21.901 21.331 81.9 31.5 81.9 31.5 OK

5BR2 13800 79.347 28.908 28.531 96.2 37 88.79 34.15 OK

5BR3 13800 79.345 28.905 28.531 96.2 37 88.79 34.15 OK

FOX1_13,8kV 13800 79.345 28.889 28.502 96.2 37 88.79 34.15 OK

FOX2_13,8kV 13800 79.341 28.898 28.517 96.2 37 88.79 34.15 OK

ES-8304_A 13800 58.454 21.899 21.331 81.9 31.5 81.9 31.5 OK

ES-8304_B 13800 58.529 21.943 21.319 81.9 31.5 81.9 31.5 OK

CCM#1 480 102.64 39.215 39.208 105 50 105 50 OK

Verifica-se que os níveis de curto-circuito calculados são inferiores à capacidade dos

equipamentos.

Tabela 10 - Capacidade dos Equipamentos – Trafos TR03, TR04 e Novo Trafo 50MVA em paralelo

Verifica-se que os níveis de curto-circuito calculados são superiores à capacidade dos

equipamentos, não sendo possível esta condição.

Disjuntores Barramentos

Tensão

Ip

Ib Asym

Ib

Barra Capacidade Capacidade Capacidade Capacidade Conclusão

(V)

(kA)

(kA)

(kA)

Estabelecimento Interrupção Isc Dinâmica Térmica

(kA) (kA) (kA) (kA)

5BR1 13800 112.99 41.329 41.033 81.9 31.5 81.9 31.5 INADEQUADO

5BR2 13800 112.99 41.323 41.034 96.2 37 88.79 34.15 INADEQUADO

5BR3 13800 112.98 41.320 41.032 96.2 37 88.79 34.15 INADEQUADO

FOX1_13,8kV 13800 112.97 41.300 41.004 96.2 37 88.79 34.15 INADEQUADO

FOX2_13,8kV 13800 112.96 41.310 41.018 96.2 37 88.79 34.15 INADEQUADO

ES-8304_A 13800 112.97 41.325 41.030 81.9 31.5 81.9 31.5 INADEQUADO

ES-8304_B 13800 113.03 41.340 41.017 81.9 31.5 81.9 31.5 INADEQUADO

CCM#1 480 104.69 40.193 40.187 105 50 105 50 OK

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76

Tabela 11 - Capacidade dos Equipamentos – Novo Trafo de 50MVA em paralelo com TR03

Disjuntores Barramentos

Tensão

Ip

Ib Asym

Ib

Barra Capacidade Capacidade Capacidade Capacidade Conclusão

(V)

(kA)

(kA)

(kA)

Estabelecimento Interrupção Isc Dinâmica Térmica

(kA) (kA) (kA) (kA)

5BR1 13800 88.914 32.713 32.331 81.9 31.5 81.9 31.5 INADEQUADO

5BR2 13800 88.901 32.693 32.330 96.2 37 88.79 34.15 INADEQUADO

5BR3 13800 45.172 16.647 16.228 96.2 37 88.79 34.15 OK

FOX1_13,8kV 13800 88.897 32.672 32.301 96.2 37 88.79 34.15 INADEQUADO

FOX2_13,8kV 13800 45.175 16.644 16.215 96.2 37 88.79 34.15 OK

ES-8304_A 13800 88.904 32.710 32.329 81.9 31.5 81.9 31.5 INADEQUADO

ES-8304_B 13800 88.972 32.735 32.317 81.9 31.5 81.9 31.5 INADEQUADO

CCM#1 480 104.08 39.904 39.898 105 50 105 50 OK

Verifica-se que os níveis de curto-circuito calculados são superiores à capacidade dos

equipamentos, não sendo possível esta condição.

Fluxo de Cargas e Tensões Pré-partida

Conforme apresentado no item anterior por questão de capacidade dos equipamentos não é

possível o paralelismo de transformadores, considerado um novo transformador de 50MVA, 69-

13,8kV.

Desta forma, a avaliação de partida do motor de 22800HP, considerou a condição do novo

transformador de 50MVA operando isolado (disjuntor 503 aberto). Considerou-se ainda a

condição de curto-circuito mínimo em 69kV, pior caso.

As tabelas a seguir apresentam o carregamento e tensões do sistema no instante anterior a

partida do motor de 22800HP e também no instante anterior a partida do motor de 6000HP

(partida direta). Ressalta-se que na partida do motor de 6000HP (partida direta) o motor síncrono

de 22800HP foi considerado já em operação.

Foi considerado os transformadores TR-02 (Novo), TR03 e TR04 com tape na posição 3

(69000V) e transformador ET-8327 (13,8-0,48kV) na posição 4 (13455V).

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77

Tabela 12 - Fluxo de Potência Pré-partida

Potência

Local

Nominal Pot.Ativa Pot.Reativa Pot.Aparente FP

Trafo

(kW) (kVAr)

(kVA)

(KVA)

Partida Motor síncrono de 22800HP

TR 01 7500 4553.9 1862.4 4920.0 0.93

TR 02 (NOVO) 50000 3814.4 2252.0 4429.6 0.86

TR 03 25000/33000 18419.5 4493.9 18959.8 0.97

TR 04 25000/33000 18595.5 4536.9 19141.0 0.97

TR 05 7500 4553.9 1862.4 4920.0 0.93

Entrada 69kV - 49937.3 15007.6 52143.7 0.96

Partida Motor de 6000HP - Partida Direta

TR 01 7500 4553.9 1862.4 4920.0 0.93

TR 02 (NOVO) 50000 16803.3 1384.9 16860.3 1.00

TR 03 25000/33000 18419.5 4493.9 18959.8 0.97

TR 04 25000/33000 18595.5 4536.9 19141.0 0.97

TR 05 7500 4553.9 1862.4 4920.0 0.93

Entrada 69kV - 62926.2 14140.5 64495.4 0.98

Tabela 13 - Tensões Pré-partida

Tensão Pré- Partida

Barra

Tensão Partida Motor Partida Motor

síncrono de

de 6000HP -

Nominal (V)

22800HP

Partida Direta

(V) (%) (V) (%)

Barra 69kV 69000 69000

100.0 69000 100.0

(Cliente)

5BR1 13800 13734.9 99.5 13754.5 99.7

5BR2 13800 13606.2 98.6 13606.2 98.6

5BR3 13800 13606.2 98.6 13606.2 98.6

FOX1_13,8kV 13800 13606.2 98.6 13606.2 98.6

FOX2_13,8kV 13800 13606.2 98.6 13606.2 98.6

ES-8304_A 13800 13734.8 99.5 13754.5 99.7

ES-8304_B 13800 13734.8 99.5 13754.5 99.7

CCM#1 480 475.1 99.0 475.8 99.1

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78

Partida Motor 22800HP

A figura a seguir apresenta as tensões nas barras do sistema e nos terminais do motor durante a

aceleração do mesmo.

A figura a seguir apresenta os conjugados da carga e do motor durante a aceleração do mesmo.

Figura 41- Tensões

Figura 42 - Conjugados

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79

A figura a seguir apresenta a corrente nos terminais do motor e no sistema elétrico durante a

aceleração do mesmo.

A partir dos gráficos apresentados anteriormente, verifica-se:

Tabela 14 - Resultados da partida

Tempo de partida do motor 38.5 seg

Quedas de

Barra de 69kV

Cliente 4.8%

Barra do motor

13.2%

tensão

CCM 480V

14.6%

Tensão terminais do Motor (% de

Vn) 69.4%

Correntes de Barra do motor 1646.0A

partida Terminais do motor 2057.5A

Assim, verifica-se que as quedas de tensão nas barras no momento da partida estão dentro

dos níveis considerados adequados, ou seja, menor que 5% em 69kV e menor que 15% em

13,8/0,48kV.

Figura 43 - Correntes

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Partida Motor 6000HP (Partida Direta)

A tabela a seguir apresenta os resultados da simulação de partida do motor de 6000HP

(partida direta).

Tabela 15 - Resultados partida

Quedas de

Barra de 69kV

Cliente 3.31%

Barra do motor

8.77%

tensão

CCM 480V

9.84%

Corrente de Barra do motor

1080.8A

partida

Assim, verifica-se que as quedas de tensão nas barras no momento da partida estão dentro

dos níveis considerados adequados, ou seja, menor que 5% em 69kV e menor que 15% em

13,8/0,48kV.

Fluxo de Cargas e Tensões de Regime (Após a partida)

As tabelas a seguir apresentam o carregamento e tensões de regime do sistema após a

partida do motor de 22800HP e motor de 6000HP (partida direta).

Tabela 16 - Fluxo de Potência Regime

Potência

Local

Nominal Pot.Ativa Pot.Reativa Pot.Aparente FP

Trafo

(kW) (kVAr)

(kVA)

(KVA)

TR 01 7500 4553.9 1862.4 4920.0 0.93

TR 02 50000 19693.2 3006.3 19921.3 0.99

(NOVO)

TR 03 25000/33000 18419.5 4493.9 18959.8 0.97

TR 04 25000/33000 18595.5 4536.9 19141.0 0.97

TR 05 7500 4553.9 1862.4 4920.0 0.93

Entrada 69kV - 65816.1 15762.0 67677.2 0.97

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81

Tabela 17 - Tensões Regime

Tensão Tensão de Regime Pós- Partida

Barra Nominal (V)

(%)

(V)

Barra 69kV (Cliente) 69000 69000 100.0

5BR1 13800 13710.1 99.4

5BR2 13800 13606.2 98.6

5BR3 13800 13606.2 98.6

FOX1_13,8kV 13800 13606.2 98.6

FOX2_13,8kV 13800 13606.2 98.6

ES-8304_A 13800 13710.1 99.4

ES-8304_B 13800 13710 99.4

CCM#1 480 474.2 98.8

6.2 Condição Intermediária – FOX 1 ou 2: Operação Normal 50%

e FOX4: operação Normal 100%

Segue abaixo os resultados das simulações para a etapa intermediária de operação, ou seja,

partida do segundo motor de 22800HP (primeiro motor em operação) e somente FOX1 ou FOX

2 em operação.

Níveis de Curto-Circuito

A seguir são apresentados os níveis de curto-circuito calculado nas barras do sistema

elétrico em estudo, em confronto com a capacidade dos equipamentos. Considerou-se a condição

de curto-circuito máximo em 69kV, pior caso. Foram avaliadas as seguintes configurações

possíveis para esta etapa:

a) Novo transformador de 50MVA operando isolado alimentando FOX 4 (disjuntor 503 aberto).

Transformadores TR03 e TR04 em paralelo alimentando FOX 1 ou FOX 2 (disjuntor 506 fechado).

b) Novo transformador de 50MVA, TR03 e TR04 em paralelo alimentando FOX 1 ou FOX 2 e FOX

4 (disjuntores 503 e 506 fechados).

c) Novo transformador de 50MVA operando em paralelo com o TR03 alimentando FOX 4 (disjuntor

503 fechado) e transformador TR04 isolado alimentando FOX 1 ou FOX 2 (disjuntor 506 aberto).

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82

Tabela 18 - Capacidade dos Equipamentos – Novo Trafo 50MVA isolado

Disjuntores Barramentos

Tensão

Ip

Ib Asym

Ib

Barra Capacidade Capacidade Capacidade Capacidade Conclusão

(V)

(kA)

(kA)

(kA)

Estabelecimento Interrupção Isc Dinâmica Térmica

(kA) (kA) (kA) (kA)

5BR1 13800 65.517 24.217 23.667 81.9 31.5 81.9 31.5 OK

5BR2 13800 69.048 26.018 25.648 96.2 37 88.79 34.15 OK

5BR3 13800 69.041 25.955 25.597 96.2 37 88.79 34.15 OK

FOX1_13,8kV 13800 69.049 26.000 25.619 96.2 37 88.79 34.15 OK

FOX2_13,8kV 13800 0.000 0.000 0.000 96.2 37 88.79 34.15 OK

ES-8304_A 13800 65.514 24.216 23.666 81.9 31.5 81.9 31.5 OK

ES-8304_B 13800 65.596 24.269 23.651 81.9 31.5 81.9 31.5 OK

CCM#1 480 103.09 39.435 39.428 105 50 105 50 OK

Verifica-se que os níveis de curto-circuito calculados são inferiores à capacidade dos

equipamentos.

Tabela 19 - Capacidade dos Equipamentos - Trafo TR03, TR04 e Novo Trafo 50MVA em paralelo

Disjuntores Barramentos

Tensão

Ip

Ib Asym

Ib

Barra Capacidade Capacidade Capacidade Capacidade Conclusão

(V)

(kA)

(kA)

(kA)

Estabelecimento Interrupção Isc Dinâmica Térmica

(kA) (kA) (kA) (kA)

5BR1 13800 109.68 40.648 40.358 81.9 31.5 81.9 31.5 INADEQUADO

5BR2 13800 109.68 40.647 40.359 96.2 37 88.79 34.15 INADEQUADO

5BR3 13800 109.66 40.644 40.357 96.2 37 88.79 34.15 INADEQUADO

FOX1_13,8kV 13800 109.66 40.624 40.329 96.2 37 88.79 34.15 INADEQUADO

FOX2_13,8kV 13800 0.000 0.000 0.000 96.2 37 88.79 34.15 OK

ES-8304_A 13800 109.66 40.645 40.356 81.9 31.5 81.9 31.5 INADEQUADO

ES-8304_B 13800 109.73 40.667 40.341 81.9 31.5 81.9 31.5 INADEQUADO

CCM#1 480 104.62 40.170 40.164 105 50 105 50 OK

Verifica-se que os níveis de curto-circuito calculados são superiores à capacidade dos

equipamentos, não sendo possível esta condição.

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83

Tabela 20 - Capacidade dos Equipamentos - Novo Trafo de 50MVA em VA em paralelo com TR03

Verifica-se que os níveis de curto-circuito calculados são superiores à capacidade dos

equipamentos, não sendo possível esta condição.

Fluxo de Cargas e Tensões Pré-partida

Conforme apresentado no item anterior por questão de capacidade dos equipamentos não é

possível o paralelismo de transformadores, considerado um novo transformador de 50MVA, 69-

13,8kV.

Desta forma, a avaliação de partida do motor de 22800HP, considerou a condição do novo

transformador de 50MVA operando isolado (disjuntor 503 aberto). Considerou-se ainda a

condição de curto-circuito mínimo em 69kV, pior caso.

As tabelas a seguir apresentam o carregamento e tensões do sistema no instante anterior a

partida do motor de 22800HP e também no instante anterior a partida do motor de 6000HP

(partida direta).

Ressalta-se que na partida do motor de 6000HP (partida direta) o motor síncrono de

22800HP foi considerado já em operação.

Foi considerado os transformadores TR-02 (Novo), TR03 e TR04 com tape na posição 3

(69000V) e transformador ET-8327 (13,8-0,48kV) na posição 4 (13455V).

Disjuntores Barramentos

Tensão

Ip

Ib Asym

Ib

Barra Capacidade Capacidade Capacidade Capacidade Conclusão

(V)

(kA)

(kA)

(kA)

Estabelecimento Interrupção Isc Dinâmica Térmica

(kA) (kA) (kA) (kA)

5BR1 13800 95.217 34.760 34.388 81.9 31.5 81.9 31.5 INADEQUADO

5BR2 13800 95.209 34.752 34.387 96.2 37 88.79 34.15 INADEQUADO

5BR3 13800 34.644 13.645 13.237 96.2 37 88.79 34.15 OK

FOX1_13,8kV 13800 95.203 34.730 34.358 96.2 37 88.79 34.15 INADEQUADO

FOX2_13,8kV 13800 0.000 0.000 0.000 96.2 37 88.79 34.15 OK

ES-8304_A 13800 95.207 34.757 34.386 81.9 31.5 81.9 31.5 INADEQUADO

ES-8304_B 13800 95.282 34.788 34.372 81.9 31.5 81.9 31.5 INADEQUADO

CCM#1 480 104.27 39.997 39.990 105 50 105 50 OK

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84

Tabela 21 - Fluxo de Potência Pré-partida Motor 22800HP

Local

Potência

Nominal

Trafo

(Kva)

Pot. Ativa

(kW)

Pot. Reativa

(kVAr)

Pot. Aparente

(kVA)

FP

Partida Motor síncrono de 22800HP

TR 01 7500 2722.8 1085.2 2931.1 0.93

TR 02

(NOVO)

50000 19703.5 3250.4 19969.8 0.99

TR 03 25000/33000 9999.7 2174.8 10233.5 0.98

TR 04 25000/33000 10095.0 2195.2 10330.9 0.98

TR 05 7500 2722.8 1085.2 2931.1 0.93

Entrada 69kV - 45243.7 9790.9 46291.0 0.98

Tabela 22 - Fluxo de Potência Pré-partida Motor 6000HP

Local

Potência

Nominal

Trafo

(Kva)

Pot. Ativa

(kW)

Pot. Reativa

(kVAr)

Pot. Aparente

(kVA)

FP

Partida Motor síncrono de 6000HP

TR 01 7500 2722.8 1085.2 2931.1 0.93

TR 02

(NOVO)

50000 31733.8 2846.3 31861.2 1.00

TR 03 25000/33000 9999.7 2174.8 10233.5 0.98

TR 04 25000/33000 10095.0 2195.2 10330.9 0.98

TR 05 7500 2722.8 1085.2 2931.1 0.93

Entrada 69kV - 57274.0 9386.7 58038.1 0.99

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85

Tabela 23 - Tensões Pré-partida

Tensão Pré- Partida

Tensão

Partida Motor Partida Motor de

Barra

síncrono de

6000HP - Partida

Nominal (V)

22800HP

Direta

(V) (%) (V) (%)

Barra 69kV

69000

69000

100.0

69000

100.0

(Cliente)

5BR1 13800 13703.4 99.3 13720.9 99.4

5BR2 13800 13700.5 99.3 13700.5 99.3

5BR3 13800 13700.5 99.3 13700.5 99.3

FOX1_13,8kV 13800 13700.5 99.3 13700.5 99.3

FOX2_13,8kV 13800 0 0.0 0 0.0

ES-8304_A 13800 13703.3 99.3 13720.8 99.4

ES-8304_B 13800 13703.3 99.3 13720.8 99.4

CCM#1 480 474 98.7 474.6 98.9

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86

Partida Motor 22800HP

A figura a seguir apresenta as tensões nas barras do sistema e nos terminais do motor durante a

aceleração do mesmo.

A figura a seguir apresenta os conjugados da carga e do motor durante a aceleração do mesmo.

Figura 44 - Tensões

Figura 45 - Conjugados

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87

A figura a seguir apresenta a corrente nos terminais do motor e no sistema elétrico durante a

aceleração do mesmo.

A partir dos gráficos apresentados anteriormente, verifica-se:

Tabela 24 - Resultados partida Motor 22800HP

Tempo de partida 38.7 seg

Quedas de

Barra de 69kV

Cliente 4.8%

Barra do motor

13.4%

tensão

CCM 480V

14.8%

Tensão terminais do Motor (% de

Vn) 69.2%

Correntes de Barra do motor 1641.9A

partida Terminais do motor 2052.4A

Assim, verifica-se que as quedas de tensão nas barras no momento da partida estão dentro dos

níveis considerados adequados, ou seja, menor que 5% em 69kV e menor que 15% em

13,8/0,48kV.

Figura 46 - Corrente

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88

Partida Motor 6000HP (Partida Direta)

A tabela a seguir apresenta os resultados da simulação de partida do motor de 6000HP (partida

direta).

Tabela 25 - Resultados partida Motor 6000HP

Quedas de

Barra de 69kV

Cliente 3.26%

Barra do motor

9.03%

tensão

CCM 480V

10.12%

Corrente de Barra do motor

1077.8A

partida

Assim, verifica-se que as quedas de tensão nas barras no momento da partida estão dentro

dos níveis considerados adequados, ou seja, menor que 5% em 69kV e menor que 15% em

13,8/0,48kV.

Fluxo de Cargas e Tensões de Regime (Após a partida)

As tabelas a seguir apresentam o carregamento e tensões de regime do sistema após a

partida do motor de 22800HP e motor de 6000HP (partida direta).

Tabela 26 - Fluxo de Potência Regime

Potência

Local

Nominal Pot.Ativa Pot.Reativa Pot.Aparente FP

Trafo

(kW) (kVAr)

(kVA)

(KVA)

TR 01 7500 2722.8 1085.2 2931.1 0.93

TR 02 (NOVO) 50000 35128.0 4969.7 35477.8 0.99

TR 03 25000/33000 9999.7 2174.8 10233.5 0.98

TR 04 25000/33000 10095.0 2195.2 10330.9 0.98

TR 05 7500 2722.8 1085.2 2931.1 0.93

Entrada 69kV - 60668.3 11510.2 61750.5 0.98

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89

Tabela 27 - Tensões de Regime

Tensão Tensão de Regime Pós- Partida

Barra Nominal (V) (%)

(V)

Barra 69kV (Cliente) 69000 69000 100.0

5BR1 13800 13665.5 99.0

5BR2 13800 13700.5 99.3

5BR3 13800 13700.5 99.3

FOX1_13,8kV 13800 13700.5 99.3

FOX2_13,8kV 13800 13700.5 99.3

ES-8304_A 13800 13665.5 99.0

ES-8304_B 13800 13665.4 99.0

CCM#1 480 472.6 98.5

6.3 Condição Final – FOX 1 e 2: stand-by e FOX4: operação

Normal 100%

Segue abaixo os resultados das simulações para a etapa final de operação, ou seja, FOX 4

em plena carga e FOX1 e FOX 2 fora de operação.

Níveis de Curto-Circuito

A seguir são apresentados os níveis de curto-circuito calculado nas barras do sistema elétrico em

estudo, em confronto com a capacidade dos equipamentos. Considerou-se a condição de curto-

circuito máximo em 69kV, pior caso.

Foram avaliadas as seguintes configurações possíveis para esta etapa:

a) Novo transformador de 50MVA operando isolado alimentando FOX 4 (disjuntor 503 aberto).

Transformadores TR03 e TR04 fora.

b) Novo transformador de 50MVA, TR03 e TR04 em paralelo alimentando FOX 4 (disjuntores

503 e 506 fechados).

c) Novo transformador de 50MVA operando em paralelo com o TR03 ou TR04 alimentando

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90

FOX 4 (disjuntor 503 fechado) e transformador TR03 ou TR04 fora.

Tabela 28 - Capacidade dos Equipamentos - Novo Trafo 50MVA isolado

Disjuntores Barramentos

Tensão

Ip

Ib Asym

Ib

Barra Capacidade Capacidade Capacidade Capacidade Conclusão

(V)

(kA)

(kA)

(kA)

Estabelecimento Interrupção Isc Dinâmica Térmica

(kA) (kA) (kA) (kA)

5BR1 13800 64.77 23.909 23.417 81.9 31.5 81.9 31.5 OK

5BR2 13800 0.000 0.000 0.000 96.2 37 88.79 34.15 OK

5BR3 13800 0.000 0.000 0.000 96.2 37 88.79 34.15 OK

FOX1_13,8kV 13800 0.000 0.000 0.000 96.2 37 88.79 34.15 OK

FOX2_13,8kV 13800 0.000 0.000 0.000 96.2 37 88.79 34.15 OK

ES-8304_A 13800 64.767 23.907 23.417 81.9 31.5 81.9 31.5 OK

ES-8304_B 13800 64.854 23.959 23.402 81.9 31.5 81.9 31.5 OK

CCM#1 480 102.85 39.330 39.323 105 50 105 50 OK

Verifica-se que os níveis de curto-circuito calculados são inferiores à capacidade dos

equipamentos.

Tabela 29 - Capacidade dos Equipamentos - Trafo TR03, TR04 e Novo Trafo 50MVA em paralelo

Disjuntores Barramentos

Tensão

Ip

Ib Asym

Ib

Barra Capacidade Capacidade Capacidade Capacidade Conclusão

(V)

(kA)

(kA)

(kA)

Estabelecimento Interrupção Isc Dinâmica Térmica

(kA) (kA) (kA) (kA)

5BR1 13800 98.273 37.408 37.154 81.9 31.5 81.9 31.5 INADEQUADO

5BR2 13800 98.27 37.361 37.110 96.2 37 88.79 34.15 INADEQUADO

5BR3 13800 98.26 37.359 37.108 96.2 37 88.79 34.15 INADEQUADO

FOX1_13,8k

V 13800 0.000 0.000 0.000 96.2 37 88.79 34.15 OK

FOX2_13,8k

V 13800 0.000 0.000 0.000 96.2 37 88.79 34.15 OK

ES-8304_A 13800 98.263 37.405 37.152 81.9 31.5 81.9 31.5 INADEQUADO

ES-8304_B 13800 98.34 37.429 37.138 81.9 31.5 81.9 31.5 INADEQUADO

CCM#1 480 104.22 40.009 40.003 105 50 105 50 OK

Verifica-se que os níveis de curto-circuito calculados são superiores à capacidade dos

equipamentos, não sendo possível esta condição.

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91

Tabela 30 - Capacidade dos Equipamentos – Novo Trafo de 50MVA em paralelo com TR03. TR04 fora

Disjuntores Barramentos

Tensão

Ip

Ib Asym

Ib

Barra Capacidade Capacidade Capacidade Capacidade Conclusão

(V)

(kA)

(kA)

(kA)

Estabelecimento Interrupção Isc Dinâmica Térmica

(kA) (kA) (kA) (kA)

5BR1 13800 83.962 31.551 31.211 81.9 31.5 81.9 31.5 INADEQUADO

5BR2 13800 83.949 31.509 31.184 96.2 37 88.79 34.15 OK

5BR3 13800 0.000 0.000 0.000 96.2 37 88.79 34.15 OK

FOX1_13,8k

V 13800 0.000 0.000 0.000 96.2 37 88.79 34.15 OK

FOX2_13,8k

V 13800 0.000 0.000 0.000 96.2 37 88.79 34.15 OK

ES-8304_A 13800 83.955 31.549 31.210 81.9 31.5 81.9 31.5 INADEQUADO

ES-8304_B 13800 84.037 31.583 31.196 81.9 31.5 81.9 31.5 INADEQUADO

CCM#1 480 103.76 39.791 39.784 105 50 105 50 OK

Verifica-se que os níveis de curto-circuito calculados são superiores à capacidade dos

equipamentos, não sendo possível esta condição.

Fluxo de Cargas

Conforme apresentado no item anterior por questão de capacidade dos equipamentos não é

possível o paralelismo de transformadores, considerado um novo transformador de 50MVA, 69-

13,8kV. Desta forma, a avaliação de partida do motor de 22800HP, considerou a condição do

novo transformador de 50MVA operando isolado (disjuntor 503 aberto). Considerou-se ainda a

condição de curto-circuito mínimo em 69kV, pior caso.

As tabelas a seguir apresentam o carregamento e tensões do sistema no instante anterior a

partida do motor de 22800HP e também no instante anterior a partida do motor de 6000HP

(partida direta). Ressalta-se que na partida do motor de 6000HP (partida direta) o motor síncrono

de 22800HP foi considerado já em operação.

Foi considerado os transformadores TR-02 (Novo), TR03 e TR04 com tape na posição 3

(69000V) e transformador ET-8327 (13,8-0,48kV) na posição 4 (13455V).

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92

Tabela 31 - Fluxo de Potência Pré-partida Motor 22800HP

Potência

Local

Nominal Pot.Ativa Pot.Reativa Pot.Aparente FP

Trafo

(kW) (kVAr)

(kVA)

(KVA)

Partida Motor síncrono de 22800HP

TR 01 7500 1181.1 555.7 1305.3 0.90

TR 02 (NOVO) 50000 19703.5 3250.4 19969.8 0.99

TR 03 25000/33000 0.0 0.0 0.0 0.00

TR 04 25000/33000 0.0 0.0 0.0 0.00

TR 05 7500 1181.1 555.7 1305.3 0.90

Entrada 69kV - 22065.6 4361.8 22492.6 0.98

Tabela 32 - Fluxo de Potência Pré-partida Motor 6000HP

Potência

Local

Nominal Pot.Ativa Pot.Reativa Pot.Aparente FP

Trafo

(kW) (kVAr)

(kVA)

(KVA)

Partida Motor de 6000HP - Partida Direta

TR 01 7500 1181.1 555.7 1305.3 0.90

TR 02 (NOVO) 50000 31733.8 2846.3 31861.2 1.00

TR 03 25000/33000 0.0 0.0 0.0 0.00

TR 04 25000/33000 0.0 0.0 0.0 0.00

TR 05 7500 1181.1 555.7 1305.3 0.90

Entrada 69kV - 34095.9 3957.6 34324.8 0.99

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93

Tabela 33 - Tensões Pré-partida

Tensão Pré- Partida

Tensão

Partida Motor Partida Motor de

Barra

síncrono de 6000HP - Partida

Nominal (V)

22800HP

Direta

(V) (%) (V) (%)

Barra 69kV 69000

69000

100.0

69000

100.0

(Cliente)

5BR1 13800 13703.4 99.3 13720.9 99.4

5BR2 13800 0 0.0 0 0.0

5BR3 13800 0 0.0 0 0.0

FOX1_13,8kV 13800 0 0.0 0 0.0

FOX2_13,8kV 13800 0 0.0 0 0.0

ES-8304_A 13800 13703.3 99.3 13720.8 99.4

ES-8304_B 13800 13703.3 99.3 13720.8 99.4

CCM#1 480 474 98.7 474.6 98.9

Partida Motor 22800HP

A figura a seguir apresenta as tensões nas barras do sistema e nos terminais do

motor durante a aceleração do mesmo.

Figura 47- Tensões

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A figura a seguir apresenta os conjugados da carga e do motor durante a

aceleração do mesmo.

Figura 48 - Conjugados

A figura a seguir apresenta as correntes no terminal do motor e no sistema

elétrico durante a operação do mesmo.

Figura 49 - Correntes

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A partir dos gráficos apresentados anteriormente, verifica-se:

Tabela 34- Resultados partida Motor 22800Hp

Tempo de partida 38.7 seg

Quedas de

Barra de 69kV

Cliente 4.8%

Barra do motor

13.4%

tensão

CCM 480V

14.8%

Tensão terminais do Motor (% de

Vn) 69.3%

Correntes de Barra do motor 1642.0A

partida Terminais do motor 2052.6A

Assim, verifica-se que as quedas de tensão nas barras no momento da partida

estão dentro dos níveis considerados adequados, ou seja, menor que 5% em 69kV e

menor que 15% em 13,8/0,48kV.

Partida Motor 6000HP (Partida Direta)

A tabela a seguir apresenta os resultados da simulação de partida do motor de

6000HP (partida direta).

Tabela 35 - Resultados partida Motor 6000Hp

Quedas de

Barra de 69kV Cliente 3.17%

Barra do motor

9.00%

tensão

CCM 480V

10.08%

Corrente de Barra do motor

1078.2A

partida

Assim, verifica-se que as quedas de tensão nas barras no momento da partida estão

dentro dos níveis considerados adequados, ou seja, menor que 5% em 69kV e menor que

15% em 13,8/0,48kV.

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96

Fluxo de Cargas e Tensões de Regime (Após a partida)

As tabelas a seguir apresentam o carregamento e tensões de regime do sistema após

a partida do motor de 22800HP e motor de 6000HP (partida direta).

Tabela 36 - Fluxo de Potência Regime

Potência

Local

Nominal Pot.Ativa Pot.Reativa Pot.Aparente FP

Trafo

(kW) (kVAr)

(kVA)

(KVA)

TR 01 7500 1181.1 555.7 1305.3 0.90

TR 02 (NOVO) 50000 35128.0 4969.7 35477.8 0.99

TR 03 25000/33000 0.0 0.0 0.0 0.00

TR 04 25000/33000 0.0 0.0 0.0 0.00

TR 05 7500 1181.1 555.7 1305.3 0.90

Entrada 69kV - 37490.2 6081.1 37980.2 0.99

Tabela 37 - Tensões Regime

Tensão Tensão de Regime Pós- Partida

Barra Nominal (V)

(%)

(V)

Barra 69kV 69000

69000

100.0

(Cliente)

5BR1 13800 13665.5 99.0

5BR2 13800 0 0.0

5BR3 13800 0 0.0

FOX1_13,8kV 13800 0 0.0

FOX2_13,8kV 13800 0 0.0

ES-8304_A 13800 13665.5 99.0

ES-8304_B 13800 13665.4 99.0

CCM#1 480 472.6 98.5

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7 Capítulo 7

Conclusões e Recomendações

Conforme resultados das avaliações realizadas, verifica-se que é possível a operação

do sistema elétrico da White Martins, para o projeto FOX 4 considerando a aquisição de um

novo transformador de 50MVA, 69-13kV;

Para tanto, devem ser observados os seguintes pontos a seguir, relativos a cada uma

das alternativas. Ressalta-se que as análises envolveram três condições operacionais,

conforme informado pela White Martins.

a) FOX 1 e FOX 2 em plena carga. FOX 4 em Turndown 50% (partida do

primeiro motor de 22800HP, segundo motor parado);

b) Somente FOX 1 ou FOX 2 em plena carga. FOX 4 em plena carga (partida

do segundo motor de 22800HP, primeiro motor já em funcionamento);

c) Somente FOX 4 em operação, com plena carga.

Portanto para essa alternativa de compra de um novo transformador de 50MVA,

69+/-2.5%-13,8kV, impedância percentual de 10%, comutação de tapes manual sem carga,

envolve as seguintes aquisições:

1. Painel 5BR1 com as seguintes características: 13800V, 60Hz, 3F,

Icc=31.5kA, In=2500A;

2. Disjuntores do painel 5BR1 com as seguintes características: 17500V,

In=2500A, Icc=31,5kA;

3. Painel ES-8304 com as seguintes características: 13800V, 60Hz, 3F,

Icc=31.5kA, In=2500A;

4. Disjuntores do painel ES-8304 com as seguintes características: 17500V,

In=2500A, Icc=31,5kA.

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7.1 Operação do Sistema

Independente da condição operacional, conforme citado anteriormente, os

seguintes pontos devem ser observados para a operação do sistema:

Não é possível o paralelismo do novo transformador de 50MVA com os

transformadores TR03 e TR04 existentes, ou seja, disjuntores 503 e 506

fechados. A capacidade dos equipamentos aos níveis de curto-circuito

calculados é excedida.

Também não é possível o paralelismo do novo transformador de 50MVA com o

transformador TR03 ou TR04. A capacidade dos equipamentos aos níveis de curto-

circuito calculados é excedida. Desta forma, o novo transformador de 50MVA deve

operar sempre isolado (disjuntor 503 aberto). Conforme condição atual, os

transformadores TR03 e TR04 podem continuar operando em paralelo.

Verifica-se que os barramentos de 13,8kV dos painéis 5BR2 e 5BR3 existentes

apresentam corrente nominal de 2000A. A corrente máxima do novo transformador

de 50MVA é de aproximadamente 2100A. Desta forma, a carga máxima que pode

ser alimentada pelos painéis 5BR2 e 5BR3 existentes com os disjuntores 503 e 506

fechados deve respeitar o limite de 2000A dos referidos barramentos.

Ressalta-se que na condição atual a carga máxima informada em 13,8kV para a

FOX 1 e FOX 2, ambas em plena carga, é da ordem de 37MW (aproximadamente

1550A) não existindo inconvenientes em relação à capacidade dos barramentos dos

painéis 5BR2 e 5BR3 existentes, desde que os ajustes dos dispositivos de proteção

estejam definidos para a proteção destes barramentos.

7.2 Conclusões Gerais

Considerando a operação do sistema realizada conforme item anterior, ou seja, novo

transformador de 50MVA operando isolado (disjuntor 503 aberto) tem-se:

A capacidade dos equipamentos aos níveis de curto-circuito calculados no sistema

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não é excedida;

O tempo de aceleração dos motores síncronos de 22800HP é de aproximadamente 39

segundos;

As quedas de tensão das barras durante a partida dos motores síncronos de 22800HP

e motor de indução de 6000HP (partida direta) estão dentro dos níveis considerados

adequados, ou seja, menor que 5% em 69kV e menor que 15% em 13,8/0,48kV;

As tensões de regime das barras, após a partida dos motores síncronos de 22800HP e

motor de indução de 6000HP (partida direta) são favoráveis a operação das cargas;

O carregamento dos transformadores é adequado em todas as etapas, não sendo

esperados inconvenientes.;

O tape dos transformadores TR02 (Novo), TR03 e TR04 devem ser ajustados na

posição 3 (69000V) e transformador ET-8327 (13,8-0,48kV) na posição 4 (13455V).

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100

8 Capítulo 8

Referências Bibliográficas

[1] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DA INDÚSTRIA DE MÁQUINAS E

EQUIPAMENTOS. Análises Técnicas: Brasil, 2015.

[2] WEG INDÚSTRIA. Indústria Eficiente – Estudo de caso: Brasil, 2014.

[3] O SETOR ELÉTRICO, Eficiência Energética, o Investimento necessário para a

indústria. Disponível em: < http://www.osetoreletrico.com.br/web /> . Acesso em: 13 nov.

2015.

[4] ANÁLISE DO FORNECIMENTO DOS PRODUTOS DA DESTILAÇÃO

CRIOGÊNICA DO AR. Disponível em: <. http://www.lume.ufrgs.br/>. Acesso em: 27 nov.

2015.

[5] APLICAÇÃO DO HAZOP DINÂMICO NA AVALIAÇÃO DE PERIGO

OPERACIONAL EM UMA COLUNA DE DESTILAÇÃO DE UMA PLANTA DE

SEPARAÇÃO DE AR. Disponível em: http://tpqb.eq.ufrj.br/. Acesso em: 04 dez. 2015

[6] SHREVE, R. N.; Brink Jr., J. A. Indústrias de Processos Químicos, 4a

Edição, Guanabara Dois,1977.

[7] AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA, Nota Técnica nº

0075/2011-SRDANEEL. Disponível em:

http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/consulta_publica/>. Acesso em: 07 dez. 2015.

[8] INTERNATIONAL INSTITUTE ELECTRICAL AND ELECTRONICS

ENGINEERS. Power System Stability, IEEE Transactions on Power Apparatus and

Systems, Vol. PAS-101, No. 7, Julho de 1982, págs. 1894-1898

[9] CAPELLI, A. Automação Industrial: Controle do Movimento e Processos

Contínuos. 1 ed. São Paulo: Érica, 2006. 236 p.

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101

[10] MOREIRA, Heloi J. F.; SOARES, George A.; TABOSA, Ronaldo P.;

SHINDO, Reinaldo; COSTA, Reynaldo S. Guia Operacional de Motores Elétricos. 1.ed.

Brasil, 1998.

[11] ANÁLISE DA PARTIDA DO MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO PELO

MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS. Disponível em: <http://monografias.poli.ufrj.br/> .

Acesso em: 15 dez. 2015.

[12] CAPELLI, A. Automação Industrial: Controle do Movimento e Processos

Contínuos. 1 ed. São Paulo: Érica, 2006. 236 p.

[13] INTERNATIONAL INSTITUTE ELECTRICAL AND ELECTRONICS

ENGINEERS. Recommended Practice for Calculating AC Short-Circuit Currents in

Industrial and Commercial Power Systems, IEEE Std 551, 2006.

[14] ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE AS METODOLOGIAS ANSI E IEC

PARA CÁLCULO DE CURTO-CIRCUITO EM SISTEMAS INDUSTRIAIS. Disponível

em: http://www.gqee.unifei.edu.br. Acesso em: 22 dez. 2015.