efefe

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UNIVERSIDADE DO VALE DO PARABA FACULDADE DE ENGENHARIA ARQUITETURA E

URBANISMO

GRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICA/ELETRNICA

ESTUDO DE COORDENAO E SELETIVIDADE DO SISTEMA ELTRICO

DA EMPRESA DO GRUPO ANTOLIN TRIMTEC

So Jos dos Campos SP

Novembro/2013

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EDSON KIYOSHI OKAMOTO

ESTUDO DE COORDENAO E SELETIVIDADE DO SISTEMA ELTRICO

DA EMPRESA DO GRUPO ANTOLIN TRIMTEC

Trabalho de concluso de curso apresentado FUNDAO VALEPARAIBANA DE ENSINO mantenedora da UNIVERSIDADE DO VALE DO PARABA UNIVAP, como parte dos requisitos para obteno do ttulo em Engenharia Eltrica/Eletrnica

Orientador: Prof Luiz Roberto Nogueira

So Jos dos Campos SP

Novembro/2013

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Resumo

A vida moderna est cada vez mais vinculada utilizao da energia eltrica para mais variados fins. Sua gerao e distribuio so complexas e problemas externos e internos de redes consumidoras podem afetar com certa gravidade o sistema. Sistemas de protees so utilizados para minimizar ao mximo os fatores de interrupo do fornecimento da energia eltrica, por meio da coordenao das protees e sua seletividade. Este trabalho realiza uma anlise de parte do sistema eltrico de uma empresa, onde sero avaliados os componentes de proteo que esto sendo utilizados. Com a determinao dos clculos das correntes de curto circuito at o ponto de utilizao, propor possveis alteraes para que o sistema no esteja vulnervel a riscos de interrupes graves. A coordenao das protees de entrada esto a cargo de rels de proteo Pextron, seguindo a norma IEEE STD 242, as curvas foram determinadas por um software especfico. O procedimento pode ser estendido a todo o sistema da empresa. Um estudo mais profundo demandar muito tempo, no sendo o objetivo principal do trabalho.

Palavras chaves: Curto circuito; coordenao; sistema eltrico; seletividade

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Abstract

Modern life is increasingly linked to the use of electricity for various purposes. Its generation and distribution problems are complex and the internal and external networks can affect consumers with certain gravity system. Protections systems are used to minimize the maximum factors of supply disruptions of electricity, through the coordination of protections and their selectivity .This work performs an analysis on electric system of a company , which will be evaluated protection components that are being used . With the determination of the calculation of short circuit currents up to the point of use , propose possible changes to the system is not vulnerable to risks of serious interruptions .The coordination of input protections are in charge of protection relays Pextron following IEEE 242 , the curves were determined by specific software . The procedure can be extended to the entire system of the company . A deeper study will require a long time, it is not the main objective.

Keywords: Short circuit; coordination; electric system; selectivity

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Contedo

1. Introduo ....................................................................................................................................... 8

1.1.1. Objetivo do trabalho ....................................................................................................... 8

1.1.2. Organizao do trabalho ................................................................................................. 8

2. ANLISE DAS CORRENTES DE CURTO CIRCUITO ............................................................................. 9

2.1. SISTEMA DE BASE E VALORES POR UNIDADE ......................................................................... 9

2.1.1. SISTEMA DE BASE ............................................................................................................ 9

2.1.2. VALORES POR UNIDADE .................................................................................................. 9

2.2. DETERMINAO DAS CORRENTES DE CURTO CIRCUITO ...................................................... 12

As correntes de curto circuito devem ser determinadas em todos os pontos onde se requer a instalao de equipamentos ou dispositivos de proteo. ................................................................. 12

2.2.1. METODOLOGIA DE CLCULO ........................................................................................ 12

2.2.2. SEQUNCIA DE CLCULO ............................................................................................... 14

2.2.3. Impedncia reduzida do sistema (Zus) ........................................................................... 14

2.2.4. Impedncia do(s) transformador(es) da subestao (Zt) .............................................. 15

2.2.5. Impedncia do circuito que conecta o transformador ao QGF ..................................... 16

2.2.6. Impedncia do circuito que conecta o QGF ao CCM ..................................................... 17

2.2.7. Corrente simtrica de curto circuito trifsico ............................................................... 17

2.2.8. Corrente assimtrica de curto circuito trifsico ............................................................. 18

2.2.9. Corrente bifsica de curto circuito ................................................................................ 18

2.2.10. Corrente fase-terra de curto circuito .............................................................................. 18

2.2.10.1. Impedncia de contato (Rct) ........................................................................................... 19

2.2.10.2. Impedncia da malha de terra (Rmt) ................................................................................ 19

2.2.10.3. Impedncia de aterramento (Rat) .................................................................................... 19

6

2.2.10.4. Corrente de curto circuito fase-terra mxima ................................................................. 19

2.2.10.5. Corrente de curto circuito fase-terra mnima .................................................................. 20

2.3. Proteo e seletividade .......................................................................................................... 20

2.3.1. Componentes para proteo .......................................................................................... 20

2.3.2. Componentes de proteo ............................................................................................. 20

3. Apresentao do sistema ............................................................................................................... 21

3.1. Anlise de coordenao do sistema ...................................................................................... 21

3.1.1. Proteo de Transformadores ....................................................................................... 21

3.1.2. Magnetizao dos Transformadores ............................................................................. 21

3.1.3. Ponto ANSI ................................................................................................................... 21

3.1.4. Proteo 51 - Primrio ................................................................................................... 22

3.1.5. Proteo 50 - Primrio ................................................................................................... 22

3.1.6. Proteo dos Alimentadores - Sobrecorrentes de Fase (ANSI 50/51) .......................... 22

FIGURA 2 Diagrama unifilar de entrada .................................................................................... 23

3.1.7. Determinao das correntes de curto-circuito ............................................................. 23

3.2. ESTUDO DE COORDENAO E SELETIVIDADE FUNES DE FASE ..................................... 24

3.2.1. Subestao SE-02 .......................................................................................................... 24

3.2.2. Ajuste do rel primrio DJ PL15C (BEGHIM) ............................................................. 25

3.2.3. Ajustes rel RP_1439_SE_02 ....................................................................................... 26

3.2.4. Proteo do transformador TR_5 .................................................................................. 27

3.2.5. Ajustes rel RP_1439_TR_5 ......................................................................................... 30

3.2.6. Subestao SE-01 .......................................................................................................... 30

3.2.7. Ajustes rel RP_1439 SE-01 ......................................................................................... 31

3.3. ESTUDO DE COORDENAO E SELETIVIDADE FUNES DE NEUTRO ............................... 32

3.3.1. Subestao SE-02 .......................................................................................................... 32

3.3.2. Ajuste do rel primrio DJ PL15C (BEGHIM) ............................................................. 32

7

3.3.3. Ajustes rel RP_1439_SE_02 ....................................................................................... 32


3.3.5. Ajustes rel RP_1439_TR_5 ......................................................................................... 33


3.3.7. Ajustes rel RP_7140_TR_6 ......................................................................................... 34

3.3.8. Subestao SE-01 .......................................................................................................... 35

3.3.9. Ajustes rel RP_1439 .................................................................................................... 35

4. Resultados ..................................................................................................................................... 36

5. Consideraes finais ...................................................................................................................... 37

6. Bibiografia ..................................................................................................................................... 39

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1. Introduo A determinao das correntes de curto circuito nas instalaes eltricas de baixa e alta

tenso de sistemas industriais fundamental para a elaborao ou anlise da proteo e

coordenao dos seus diversos elementos [1].

Os valores dessas correntes so baseados no conhecimento das impedncias, desde o

ponto de defeito at a fonte geradora.

As correntes do curto circuito adquirem valores de grande intensidade, porm com

durao geralmente limitada a fraes de segundo. So provocadas mais comumente pela

perda de isolamento de algum elemento energizado do sistema eltrico. Os danos provocados

na instalao ficam condicionado interveno corretas dos elementos de proteo.

Alm das avarias provocadas com a queima de alguns componentes da instalao, as

correntes de curto circuito geram solicitaes de natureza mecnica, atuando, principalmente,

sobre os barramentos, chaves e condutores, ocasionando o rompimento, dos apoios e

deformaes na estrutura dos quadros de distribuio, caso o dimensionamento destes no

seja adequado aos esforos eletromecnicos resultantes.

considerado como fonte de corrente de curto circuito todo componente eltrico ligado

ao sistema que passa a contribuir com a intensidade da corrente de defeito, como o caso dos

geradores, condensadores sncronos e motores de induo. Erroneamente, muitas vezes

atribuda ao transformador a propriedade de fonte de corrente de curto circuito. Na realidade,

este equipamento apenas um componente de elevada impedncia inserido no sistema

eltrico.

1.1.1. Objetivo do trabalho

O trabalho avalia a instalao eltrica de potncia de uma empresa quanto ao seu

dimensionamento, protees e seletividade contra sobrecorrentes. Sendo tambm considerada

a coordenao do sistema.

1.1.2. Organizao do trabalho

9

O trabalho est organizado como se segue:

Captulo 2 apresenta como foi desenvolvido o clculo das correntes de curto

circuito e o desenvolvimento da seletividade das protees frente aos componentes a serem

protegidos.

Captulo 3 apresenta o sistema estudado e a coordenao de entrada da empresa.

Captulo 4 apresenta os resultados e a anlise de coordenao.

Captulo 5 apresenta as consideraes finais.

2. ANLISE DAS CORRENTES DE CURTO CIRCUITO Ser apresentada de forma simplificada a estrutura de clculo das correntes de curto

circuito desde o ponto de entrega da concessionria at o ponto de utilizao, aplicando um

artifcio matemtico como ser explanado.

2.1. SISTEMA DE BASE E VALORES POR UNIDADE

2.1.1. SISTEMA DE BASE

Quando num determinado sistema h diversos valores tomados em base diferentes

necessrio estabelecer uma base nica e transformar todos os valores considerados nessa base

para que se possa trabalhar adequadamente com os dados do sistema.

Para facilitar o entendimento, basta compreender que o conhecido sistema percentual

um sistema onde os valores considerados so tomados da base 100.

Da mesma forma se poderia estabelecer um sistema de base 1.000. Costuma-se

expressar a impedncia do transformador em Z% (base 100) de sua potncia nominal em

kVA.

2.1.2. VALORES POR UNIDADE

um dos vrios mtodos de clculo conhecido na prtica que procuram simplificar a

resoluo das questes relativas determinao das correntes de curto circuito.

O valor de uma determinada grandeza por unidade definido como relao entre esta

grandeza e o valor adotado arbitrariamente como sua base, sendo expresso em decimal. O

10

valor em pu pode ser tambm expresso em percentagem que corresponde a 100 vezes o valor

encontrado.

Uma das vantagens mais significativas para se adotar a prtica do sistema por unidade

est relacionada presena de transformadores no circuito. Onde a impedncia do primrio e

secundrio do transformador tem o mesmo valor em pu.

Algumas vantagens podem ser apresentadas quando se usa o sistema por unidade, ou

seja:

-Todos os transformadores do circuito so considerados com a relao de transformao

1:1, sendo, portanto, dispensada a representao no diagrama de impedncia;

- necessrio conhecer apenas o valor da impedncia do transformador expressa em pu

ou em %, sem identificar a que lado se refere;

- Todos os valores expressos em pu esto referidos ao mesmo valor percentual;

- Toda impedncia expressa em pu tem o mesmo valor, independentemente do nvel de

tenso a que se est referido o valor da impedncia em pu;

- Para cada nvel de tenso, o valor da impedncia hmica varia ao mesmo tempo em

que varia a impedncia base, resultando sempre a mesma relao;

- A potncia base selecionada para todo o sistema;

- A tenso base selecionada para um determinado nvel de tenso do sistema;

-Adotando-se a tenso para um lado de tenso do transformador, deve-se calcular a

tenso base para o outro lado de tenso do transformador;

Normalmente tomada como base a tenso nominal do transformador. Comumente,

arbitram-se como valores de base a potncia e a tenso. As outras grandezas variam em

funo destas. Tomando-se como base a potncia Pb em Kva e a tenso Vb em kV, tem-se:

a) Corrente base

Ib = Pb / ( 3 X Vb ) (A)

b) Impedncia base

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Zb = ( 1.000 X Vb2 ) / Pb ()

c) Impedncia por unidade ou pu

Zpu = Zc / Zb (pu)

Quando o valor de uma grandeza dado numa determinada base (1) e se deseja

conhecer o seu valor numa outra base (2), podem-se aplicar as seguintes expresses:

a) Tenso

Vu2 = Vu1 X ( V1 / V2 ) (pu)

Vu2 - tenso em pu na base V2

Vu1 tenso em pu na base V1

b) Corrente

Iu2 = Iu1 X ( V2 / V1 ) X ( P1 / P2 ) (pu)

Iu2 corrente em pu nas bases V2 e P2

Iu1 corrente em pu nas bases V1 e P1

c) Potncia

Pu2 = Pu1 X (P1/P2) (pu)

d) Impedncias

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Zu2 = Zu1 X (P2 / P1) X (V1 / V2)2 (pu)

Zu2 - impedncia em pu nas bases V2 e P2;

Zu impedncia em pu nas bases V1 e P1..

2.2. DETERMINAO DAS CORRENTES DE CURTO CIRCUITO

As correntes de curto circuito devem ser determinadas em todos os pontos onde se

requer a instalao de equipamentos ou dispositivos de proteo.

No clculo das correntes de defeito devem ser representados os principais elementos do

circuito atravs de suas impedncias. No entanto, as impedncias de alguns desses elementos

podem ser desprezadas, dependendo de algumas consideraes.

importante lembrar que, quanto menor a tenso do sistema, mais necessrio se faz

considerar um maior nmero de impedncias, dada a influncia que poderia exercer no valor

final da corrente. Como orientao, podem-se mencionar os elementos do circuito que devem

ser considerados atravs de suas impedncias no clculo das correntes de curto circuito.

a) Impedncia reduzida do sistema

aquela que representa todas as impedncias desde a fonte de gerao at o ponto de

entrega de energia unidade consumidora, isto , compreendendo as impedncias da gerao,

do sistema de transmisso, do sistema de subtransmisso e do sistema de distribuio.

2.2.1. METODOLOGIA DE CLCULO

Os processos de clculo utilizados neste trabalho so de fcil aplicao no

desenvolvimento de um projeto industrial, a sequncia de clculo ser apresentada a seguir.

Os resultados so valores aproximados dos mtodos mais sofisticados, porm a preciso

obtida satisfaz plenamente aos propsitos a que se destinam. As figuras 1.a e 1.b apresentam

os blocos de impedncias geralmente de uma instalao industrial.

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Figura 1.a- Diagrama unifilar simplificado Figura 1.b- Diagrama em bloco de

impedncia

Onde,

P ponto de entrega de energia indstria;

ME posto de medio da concessionria;

D posto de proteo e comando, onde so instalados o disjuntor geral de proteo e a chave

seccionadora e em alguns casos um transformador de potencial e proteo;

TR posto de transformao;

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QGF Quadro Geral de Fora, onde so instalados os principais equipamentos de proteo,

manobra e medio indicativa em baixa tenso;

CCM Centro de Controle de Motores, onde esto instalados, geralmente, os elementos de

proteo e manobra dos motores;

M- mquinas industriais, caracterizadas, principalmente, pelos valores de placa dos motores

que as acionam, ou outros componentes eltricos de trabalho, tais como resistncia, reatores,

etc.

O diagrama de bloco sintetiza a representao das impedncias de valor significativo

que compem o sistema eltrico, desde a gerao at os terminais do motor.

2.2.2. SEQUNCIA DE CLCULO

2.2.3. Impedncia reduzida do sistema (Zus)

a) Resistncia (Rus)

Como resistncia do sistema de suprimento muito pequena relativamente ao valor da

reatncia na prtica comum desprezar-se o seu efeito, isto :

Rus 0

b) Reatncia (Xus)

Considerando-se que a concessionria fornea a corrente de curto circuito (Icp) no ponto

de entrega, tem-se:

Pcc= 3 X Vnp X 1cp (kVA)

Pcc potncia de curto circuito no ponto de entrega em kVA;

Vnp tenso nominal primria no ponto de entrega em kV;

Icp corrente de curto circuito simtrica em A.

O valor da reatncia em pu, dado pela Equao :

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Xus = Pb / Pcc (pu)

Zut = Rut + jXus (pu)

2.2.4. Impedncia do(s) transformador(es) da subestao (Zt)

necessrio conhecer:

Potncia nominal Pnp dada em kVA;

Impedncia percentual Zpt ;

Perdas hmicas no cobre Pcu em W fabricante;

Tenso nominal Vnt em kV.

a) Resistncia (Rut)

Inicialmente determina-se a queda de tenso reativa percentual, ou seja:

Rpt = Pnt

Pcu10

(%)

Ento, Rut ser determinada pela Equao :

Rut = Rpt PntPb

VbVnt 2 (pu)

b) Reatncia (Xut)

A impedncia unitria tem valor de:

Zut = Zpt PntPb

VbVnt 2 (pu)

A reatncia unitria ser:

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Xut =sqr( Z2ut - R2ut)

Zut = Rut + jXut (pu)

Considera-se a impedncia de sequncia zero do transformador como valor igual ao da

sequncia positiva por serem valores muito prximos.

2.2.5. Impedncia do circuito que conecta o transformador ao QGF

a) Resistncia (Ruc1)

Rcu1 = (Ru X Lc1)/ (1000 X Nc1) ()

Ru - resistncia do condutor de sequncia positiva em m/m (Tabela de cabos)

Lc1 comprimento do circuito, medido entre os terminais do transformador e o ponto de

conexo com o barramento dado em m;

Nc1 nmero de condutores por fase do circuito mencionado.

b) Reatncia (Xuc1)

A reatncia do cabo :

Xuc1 = (Xu X Lc1) / (1000 X Nc1) ()

Xu - reatncia de sequncia positiva do condutor fase em m/m (tabela de cabos)

Zuc1 = Ruc1 + jXuc1 (pu)

Quando h dois ou mais transformadores ligados em paralelo, deve-se calcular a

impedncia srie de cada transformador com o circuito que o liga ao QGF, determinando-se,

Rb1 =( Ru X Lb) / (1000 X Nb1) ()

Ru - resistncia hmica da barra, em m/m (tabela de barramento)

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Nbl nmero de barras em paralelo;

Lb comprimento da barra, em m.

A resistncia em pu, dada por:

Rub1 = Rb1 X [Pb /(1000 X V2b) ] (pu)

b) Reatncia (Xubl)

Xb1 = (Xu X Lb) / (1000 X Nb1) ()

A reatncia em, pu, dada por:

Xub1 = Xb1 X [Pb /(1000 X Vb2) (pu)

Zub1 = Rub1 + jXub1 (pu)

2.2.6. Impedncia do circuito que conecta o QGF ao CCM

Os valores da resistncia e reatncia, em pu, respectivamente iguais a Ruc2 e Xuc2, so

calculados semelhana de Rucl e Xucl.

2.2.7. Corrente simtrica de curto circuito trifsico

Para a determinao das correntes de curto circuito em qualquer ponto o sistema,

procede-se soma vetorial de todas as impedncias calculadas at o ponto desejado e aplica-

se a Equao a seguir, ou seja:

Zutot = i=1 i=n (Rut + jXut) (pu)

Rul e Xul so, genericamente a resistncia e a reatncia unitrias de cada impedncia do

sistema at o ponto onde se pretende determinar os valores de curto circuito.

A corrente base vale:

Ib = Pb / (3 X Vb) (A)

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A corrente de curto circuito simtrica, valor eficaz, ento, dada por:

Ics = Ib / (1000 X Zutot) (KA)

Quando se pretende obter simplificadamente a corrente de curto circuito simtrica nos

terminais do transformador, basta aplicar a Equao a seguir:

Icst = (In / Zpz%) X 100 (A)

In- corrente nominal do transformador, em A;

Zpt% - impedncia percentual do transformador.

Este valor aproximado, pois ele no est computado a impedncia reduzida do sistema de suprimento.

2.2.8. Corrente assimtrica de curto circuito trifsico

Ica = Fa X Ics (kA)

Fa fator de assimetria determinado segundo a relao.

2.2.9. Corrente bifsica de curto circuito

Icb = ( 3 / 2) X Ics (kA)

2.2.10. Corrente fase-terra de curto circuito

A determinao da correte de curto circuito fase-terra requer o conhecimento das

impedncias de sequncia zero do sistema, alm das impedncias de sequncia positiva. Se o

transformador da instalao for ligado em tringulo primrio e estrela no secundrio com o

ponto neutro aterrado, no se deve levar em conta as impedncias de sequncia zero do

sistema de fornecimento de energia, pois estas ficam confinadas no delta do transformador em

questo.

19

No clculo das correntes de curto circuito fase-terra, deve-se considerar a existncia de

trs impedncias que so de fundamental importncia para a grandeza dos valores calculados.

So elas:

2.2.10.1. Impedncia de contato (Rct)

caracterizada normalmente pela resistncia (Rct) que a superfcie de contato do cabo e

a resistncia do solo no ponto de contato oferecem a passagem da corrente para a terra. Tem-

se atribudo geralmente o valor conservativo de 3

40 .

2.2.10.2. Impedncia da malha de terra (Rmt)

O valor mximo admitido por norma de diversas concessionrias de energia eltrica

de 10, nos sistemas de 15 a 25 kV, e caracterizado pelo seu componente resistivo.

2.2.10.3. Impedncia de aterramento (Rat)

No considerado no clculo, sistema analisado no possui a impedncia de aterramento.

2.2.10.4. Corrente de curto circuito fase-terra mxima

determinada quando so levadas em considerao somente as impedncias dos

condutores e as do transformador. calculada segundo a Equao:

Icfma = ( 3 X Ib) / ( 2 X Zutot + Zu0t + Zu0c ) (A)

Zu0t impedncia de sequncia zero do transformador que igual sua impedncia de

sequncia positiva.

O valor Zu0c determinado considerando-se as resistncias e reatncia de sequncia zero

dos condutores. Na prtica, pode-se desprezar a impedncia de sequncia zero dos

barramentos, pois o seu efeito no se faz sentir os valores calculados. A impedncia do cabo

de sequncia zero segue o mesmo procedimento que a sequncia positiva, observando os

valores corretos para a sequncia zero, valores tabelados.

20

2.2.10.5. Corrente de curto circuito fase-terra mnima

determinada quando se leva em considerao, alm das impedncias dos condutores e

transformadores, as impedncias de contato, a do resistor de aterramento, caso haja, e da

malha de terra. calculada segundo a Equao:

Icftmin = ( 3 X Ib) / ( 2 X Zu0t + Zu0c + Zu0t + 3 X ( Ruct + Rumt + Ruat) (A)

Ruct = Rct X [ Pb / (1000 X V2b)] (pu)

Rumt = Rmt X [ Pb / (1000 X V2b )] (pu)

Ruat = Rat X [ Pb / (1000 X V2b )] (pu)

Rmct resistncia de contato, em pu;

Rumt resistncia da malha de terra, em pu;

Ruat resistncia do resistor de aterramento, em pu.

2.3. Proteo e seletividade

2.3.1. Componentes para proteo

Nos sistemas eltricos industriais os componentes usualmente protegidos so os cabos,

motores, transformadores. Todos de acordo com as normas internacionais estabelecidas (IEEE

Std 242,2001) [2].

2.3.2. Componentes de proteo

So utilizados componentes de proteo como fusveis, disjuntores, seccionadoras, rels

de sobrecarga, tambm regulamentados por normas estabelecidas. (IEEE Std 242, 2001)

21

3. Apresentao do sistema

O anexo 1 apresenta o diagrama unifiliar do circuito analisado, o transformador de

2000 KVA. Antes ser apresentado o estudo de coordenao de entrada de todo o complexo.

3.1. Anlise de coordenao do sistema

Algumas premissas foram consideradas:

Curvas de dano dos transformadores conforme IEEE Std C57.109 [3]

Para modelamento das curvas dos fusveis foram utilizadas informaes de catlogo da

Cooper Busmann MV155 (fusvel tipo HH).

Para intervalos de coordenao entre dispositivos salvo qualquer orientao em

contrrio, so considerados os seguintes tempos mnimos, conforme IEEE 242:

Intervalos Mnimos de Coordenao entre Dispositivo [s] Jusante Montante

Fusvel Disjuntor de BT Rel Eletromecnico Rel Digital Fusvel Espao Espao 0,220 0,120 Disjuntor de BT Espao Espao 0,220 0,120 Eletromecnico 0,170 0,170 0,350 0,250 Rel Digital 0,170 0,170 0,350 0,250

3.1.1. Proteo de Transformadores

3.1.2. Magnetizao dos Transformadores

A magnetizao de um transformador no deve sensibilizar a sua proteo primria.

Para essa verificao, considerou-se que a magnitude das correntes nesse instante de

aproximadamente:

8 (oito) vezes a nominal, durante 100 ms, para transformadores com potncia

acima 2 MVA;

12 (doze) vezes a nominal, durante 100 ms, para transformadores com potncia

abaixo 2 MVA.

3.1.3. Ponto ANSI

A curva do dispositivo de proteo deve atender aos requisitos da norma IEEE C57.109

para proteo quanto s altas correntes passantes pelo transformador. A referida norma define

22

o tempo que um transformador deve suportar tenso plena em um dos enrolamentos com um

determinado valor de corrente passante, sem danificao trmica ou mecnica do mesmo.

Nos coordenogramas desse estudo so apresentadas as curvas limites dos

transformadores, em comparao com as curvas de operao dos dispositivos de proteo

associados ao transformador. Para uma adequada proteo, a curva do dispositivo responsvel

pela proteo deve operar sempre em um tempo inferior ao limite do transformador.

3.1.4. Proteo 51 - Primrio

De acordo com os limites estabelecidos pelo NEC (450.3), os ajustes da funo de

sobrecorrente temporizada (51), devem ser de, no mximo, 300% da corrente nominal do

mesmo. Assim sendo, neste estudo os transformadores tiveram suas funes de sobrecorrente

de fase ajustadas em aproximadamente 150% do valor da corrente nominal.

3.1.5. Proteo 50 - Primrio

Como critrio para ajuste da funo de sobrecorrente instantnea (50) do enrolamento

primrio foi considerado que esta proteo dever:

Ser insensvel s correntes de magnetizao dos transformadores;

Atuar para ponto ANSI;

Recomenda-se que a proteo atue a 120 % da corrente de magnetizao e a 120 % da

corrente de curto circuito simtrico trifsico do secundrio do transformador.

3.1.6. Proteo dos Alimentadores - Sobrecorrentes de Fase (ANSI 50/51)

De acordo com os limites informados pela ANSI, o ajuste de pick-up da funo de

sobrecorrente de fase temporizada (51) deve estar, no mximo, em 300% da corrente nominal

de sistema. Empregou-se neste estudo o ajuste em 110% da corrente nominal. Esse ajuste

garante uma boa sensibilidade para a proteo, sem que haja riscos de operao indesejada.

Com base nas informaes recebidas (diagramas unifilar e trifilar), e nas consideraes

acima descritas o sistema eltrico foi modelado conforme a figura 2.

23

FIGURA 2 Diagrama unifilar de entrada

3.1.7. Determinao das correntes de curto-circuito

Foram analisadas correntes de curto-circuito trifsico e monofsico, cujos resultados

esto na figura 3.

SE-01

SE-02

SE-03 SE-04

BANDEIRANTESIsc 3P 350.0 MVAIsc SLG 100.0 MVA

SE-0113800 V

STR_1ANAN 1000.00 kVAANAF 1000.0 kVAZ 5.57 %






SE-0213800 V

CBL-0001

Cabo 1 x 150 mm210.0 Meters

CBL-0002Cabo 1 x 70 mm210.0 Meters


FUTURO


RP_1439

RP_7140_TR_6RP_1439_TR_5RP_1439_SE_02

FU_TR_6In 15.0 A

FU_TR_5In 125.0 A

FU_TR_1In 80.0 A

FU_TR_2In 80.0 A

FU_TR_3In 80.0 A

FU_TR_4In 80.0 A

DJ_ABB_VMAX_1In 0.0 A

DJ_BEGHIMIn 630.0 A

DJ_ABB_VMAX_TR_5In 0.0 A

DJ_ABB_VMAX_TR_6In 0.0 A

DJ_ABB_VMAX_SE_02In 0.0 A

24

FIGURA 3 - Modelo curto circuito trifsico e monofsico

3.2. ESTUDO DE COORDENAO E SELETIVIDADE FUNES DE FASE

Este item destina-se aos ajustes das funes de sobrecorrente de fase (50/51).

3.2.1. Subestao SE-02

O disjuntor de entrada um disjuntor BEGHIM, tripolar, modelo PL15C (PVO), Classe

15kV - 350MVA 630 A, com bobina de abertura, mnima e fechamento e cuja proteo

SE-01

SE-02

SE-03 SE-04

BANDEIRANTES

SE-0114602.915 Amps 3P12522 Amps SLG

STR_1

STR_2

STR_3

STR_4

STR_5

STR_6

SE-0214552.712 Amps 3P12485 Amps SLG

CBL-0001

CBL-0002

14552.712 Amps 3P12485 Amps SLG

CBL-0003

14524.774 Amps 3P12464 Amps SLG

FUTURO

CBL-0004

RP_1439

RP_7140_TR_6RP_1439_TR_5RP_1439_SE_02

FU_TR_6FU_TR_5

FU_TR_1 FU_TR_2 FU_TR_3 FU_TR_4

DJ_ABB_VMAX_1

DJ_BEGHIM

DJ_ABB_VMAX_TR_5 DJ_ABB_VMAX_TR_6DJ_ABB_VMAX_SE_02

25

feita atravs de rel de sobrecorrente primrio. O ajuste deste rel deve ser coordenado com

os fusveis instalados no primrio dos transformadores TR_1 TR_4.

A montante deste alimentador (SE-01) existe um rel Pextron URP-1439.

3.2.2. Ajuste do rel primrio DJ PL15C (BEGHIM)

Corrente de tempo longo (CTL) 2 (200 A);

Tempo de atraso (TL) - 0.25 s;

Na figura 4 apresentado o coordenograma com os ajustes necessrios coordenao

destes dispositivos. Como todos os transformadores esto protegidos por fusveis de mesma

capacidade (80 A) ser apresentada a coordenao com apenas um dos fusveis.

Figura 4 Grfico de coordenao do transformador TR1

TX Inrush

TR_1

0.5 1 10 100 1K 10K0.01

0.10

1

10

100

1000

CURRENT IN AMPERES

SE-02.tcc Ref. Voltage: 13800V Current in Amps x 10 SE-02.drw

TIME

IN S

EC

ON

DS

FU_TR_1

TR_1

DJ_BEGHIM

FU_TR_1

TR_1

DJ_BEGHIM

26

Com os ajustes propostos na figura 4, possvel verificar que:

No existe atuao para INRUSH;

No existe atuao para a corrente nominal do alimentador ( In dos trafos = 160

A);

A proteo atua adequadamente para o curto no primrio dos transformadores

(14,5 kA);

A proteo atua adequadamente para o ponto ANSI dos transformadores TR_1

TR_4;

O ajuste de proteo (rel primrio) seletivo em 250 ms com os fusveis

instalados nos primrios dos transformadores.

3.2.3. Ajustes rel RP_1439_SE_02

Corrente de partida de fase (51) 5 (300 A);

Tipo de curva de atuao para fase (51) EI;

dt de fase (51) 0.1;

Tempo definido de fase (51) 0.25;


destes dispositivos.

27

Figura 5 Grfico de coordenao do transformador TR 1.


A proteo atua adequadamente para o curto no primrio do transformador (14,5

kA);

O cabo alimentador tem sua curva de dano protegida para o curto em seu terminal;

O ajuste de proteo do rel Pextron URP-1439 est coordenado em 250 ms com

fusvel instalado no primrio dos transformadores a jusante;

Foi priorizada a proteo do cabo em detrimento de coordenao entre o DJ

BEGHIM PL15C e o Pextron URP-1439. Esta coordenao no se faz necessria

por se tratar de um trecho sem derivao de circuitos.

3.2.4. Proteo do transformador TR_5

CBL-0004RP_1439_SE_02

0.5 1 10 100 1K 10K0.01

0.10

1

10

100

1000

CURRENT IN AMPERES

FEEDER SE-02.tcc Ref. Voltage: 13800V Current in Amps x 10 FEEDER SE-02.dr

TIME

IN S

EC

ON

DS

CBL-0004

DJ_BEGHIM

FU_TR_4

RP_1439_SE_02

CBL-0004

DJ_BEGHIM

FU_TR_4

RP_1439_SE_02

28

O transformador TR_5 protegido atravs de um fusvel HH de 125 A. A montante

deste alimentador (SE-01) existe um rel Pextron URP-1439.



Figura 6 Grfico de coordenao do transformador TR 5.


No existe atuao para INRUSH;

No existe atuao para a corrente nominal do transformador (80 A);

A proteo atua adequadamente para o curto no primrio do transformador (14,5

kA);

As protees atuam adequadamente para o ponto ANSI do transformador TR_5;

RP_1439_TR_5

TX Inrush

TR_5

CBL-0003

0.5 1 10 100 1K 10K0.01

0.10

1

10

100

1000

CURRENT IN AMPERES

TR_5.tcc Ref. Voltage: 13800V Current in Amps x 10 TR_5.drw

TIME

IN S

EC

ON

DS

RP_1439_TR_5

TR_5

FU_TR_5

CBL-0003

RP_1439_TR_5

TR_5

FU_TR_5

CBL-0003

29

O ajuste de proteo do rel Pextron URP-1439 est coordenado em 250 ms com

o fusvel instalado no primrio do transformador.

Com os ajustes acima sugeridos, o cabo alimentador (1x3/C #25mm2) no tem sua

curva de dano protegida para o curto-circuito em seus terminais. A magnitude de curto-

circuito na extremidade prxima ao TR_5 aproximadamente 14,5 kA. Assumindo que este

cabos sejam com isolao EPR, o tempo mximo de suportabilidade do condutor seria

aproximadamente de 55 ms, tempo este que no possibilita a devida coordenao com os

demais equipamentos.

Para resoluo do problema necessria alterao da bitola deste alimentador ou

utilizao de funo instantnea no rel localizado na SE-01, porm com perda de

coordenao entre o rel Pextron e o fusvel instalado no transformador. Esta coordenao

no se faz necessria por se tratar de um trecho sem derivao de circuitos.

Na figura 7 apresentado o coordenograma j com a funo 50 do rel Pextron 1439

ajustada.

30

Figura 7 Grfico de coordenao do rel do TR 5.

3.2.5. Ajustes rel RP_1439_TR_5

Corrente de partida de fase (51) - 2 (120 A);

Tipo de curva de atuao para fase (51) NI;


Corrente de atuao instantnea (50) 10 (6000 A);


Este item apresenta a coordenao entre o cubculo da entrada da SE-01 com os trs

cubculos de sada.

- Entrada Rel Pextron 1439 / DJ ABB VMAX; - Alimentador SE-02 Rel Pextron 1439 / DJ ABB VMAX;

TX Inrush

TR_5

CBL-0003RP_1439_TR_5

0.5 1 10 100 1K 10K0.01

0.10

1

10

100

1000

CURRENT IN AMPERES


TIME

IN S

EC

ON

DS

TR_5

CBL-0003

FU_TR_5

RP_1439_TR_5

TR_5

CBL-0003

FU_TR_5

RP_1439_TR_5

31

- Alimentador SE-03 Rel Pextron 1439 / DJ ABB VMAX; - Alimentador SE-04 Rel Pextron 7140 / DJ ABB VMAX. Na figura 8 apresentado o coordenograma com os ajustes necessrios coordenao


Figura 8 Grfico da coordenao dos rels de proteo de entrada.

3.2.7. Ajustes rel RP_1439 SE-01

Corrente de partida de fase (51) 5 (300 A);

RP_1439_SE_02

RP_1439_TR_5RP_7140_TR_6

RP_1439

0.5 1 10 100 1K 10K0.01

0.10

1

10

100

1000

CURRENT IN AMPERES


TIME

IN S

EC

ON

DS

RP_1439_SE_02

RP_1439_TR_5

RP_7140_TR_6

RP_1439

RP_1439_SE_02

RP_1439_TR_5

RP_7140_TR_6

RP_1439

32

Tipo de curva de atuao para fase (51) EI;


Tempo definido de fase (51) 0.5;

3.3. ESTUDO DE COORDENAO E SELETIVIDADE FUNES DE NEUTRO

Este item destina-se aos ajustes das funes de sobrecorrente de neutro (50N/51N).


3.3.2. Ajuste do rel primrio DJ PL15C (BEGHIM)

Corrente de tempo longo (CTL) 2 (200 A);

Tempo de atraso (TL) - 0.25 s.

3.3.3. Ajustes rel RP_1439_SE_02


Tempo definido da funo (50) 0.5.



33

Figura 9 Grfico de coordenao do transformador TR 4 em relao ao neutro.







CBL-0004RP_1439_SE_02

0.5 1 10 100 1K 10K0.01

0.10

1

10

100

1000

CURRENT IN AMPERES

FEEDER SE-02.tcc Ref. Voltage: 13800V Current in Amps x 10 FEEDER SE-02.dr

TIME

IN S

EC

ON

DS

FU_TR_4

CBL-0004

RP_1439_SE_02

DJ_BEGHIM

FU_TR_4

CBL-0004

RP_1439_SE_02

DJ_BEGHIM

34

Figura 10- Grfico de coordenao do rel do TR 5 em relao ao neutro.







CBL-0003

TX Inrush

TR_5

RP_1439_TR_5

0.5 1 10 100 1K 10K0.01

0.10

1

10

100

1000

CURRENT IN AMPERES


TIME

IN S

EC

ON

DS

CBL-0003

FU_TR_5

TR_5

RP_1439_TR_5

CBL-0003

FU_TR_5

TR_5

RP_1439_TR_5

35

Figura 11 Grfico de coordenao do TR 6 em relao ao neutro.


3.3.9. Ajustes rel RP_1439





TX Inrush

RP_7140_TR_6CBL-0002

0.5 1 10 100 1K 10K0.01

0.10

1

10

100

1000

CURRENT IN AMPERES


TIME

IN S

EC

ON

DS

FU_TR_6

TR_6

RP_7140_TR_6

CBL-0002

FU_TR_6

TR_6

RP_7140_TR_6

CBL-0002

36

Figura 12 Grfico de coordenao dos rels de proteo em relao ao

Neutro.

4. Resultados Seguindo a metodologia de clculo da corrente de curto circuito expostas na introduo,

foram calculadas todas as impedncias desde o transformador at as cargas em sua maioria de

injetoras de plstico e determinado as correntes de curto circuito. No foram analisadas as

seletividades das protees dos equipamentos (injetoras) considerando que as mesmas seguem

os padres estabelecidos pela norma NR 5410 da ABNT.

RP_1439_TR_5RP_1439_SE_02

RP_7140_TR_6

RP_1439

0.5 1 10 100 1K 10K0.01

0.10

1

10

100

1000

CURRENT IN AMPERES


TIME

IN S

EC

ON

DS

RP_1439

RP_1439_TR_5

RP_1439_SE_02

RP_7140_TR_6

RP_1439

RP_1439_TR_5

RP_1439_SE_02

RP_7140_TR_6

37

Dados:

Concessionria Potncia de curto circuito: 350 MVA

Potncia do transformador: 2000 KVA

Tenso do secundrio: 0,38 KV

Corrente de base: 3038 A

Como pode ser observada na tabela 3.1 no anexo 2, a capacidade de interrupo do

curto circuito prxima ao barramento do QGF da maioria dos disjuntores aplicados, no

satisfaz ao valor de 37 KA, possibilitando um grave dano caso o curto circuito seja prximo

do barramento. Outra situao verificada, alguns disjuntores esto acima do nvel de

capacidade dos cabos, ou seja, os cabos esto sem a proteo devida.

A seletividade de dois circuitos apresentada no anexo 3. Observa-se que a

seletividade das mquinas est de acordo com as normas da IEEE STD 242, porm os cabos

de alimentao e os disjuntores do QGF para as mquinas esto subdimensionados

acarretando uma sobrecarga e por sua vez o aquecimento dos mesmos, devem ser

substitudos.

O mtodo prtico serve de base para todos os outros circuitos, que no sero

apresentados pela dificuldade de aquisio de dados no campo e falta de documentao.

No trabalho de campo constatou-se que alguns cabos apresentaram um aquecimento

acima do normal, ou seja, esto em sobrecarga como foi apresentado anteriormente na anlise

de dois circuitos. O dimensionamento das cargas no considerou o fator de agrupamento dos

cabos e como consequncia o condutor instalado est insuficiente para a finalidade, em alguns

casos no considerou a recomendao do fabricante [4] [5].

5. Consideraes finais

Neste trabalho foram suprimidas vrias anlises complementares como o clculo do

fator de potncia, demanda, queda de tenso dos cabos, contribuio dos motores na corrente

38

de curto circuito, a seletividade dos equipamentos (injetoras), etc. As quais demandariam

mais tempo para a realizao das avaliaes, mas devem ser observadas em um projeto

amplo eltrico, o que no o objetivo deste trabalho.

Infelizmente a empresa dever realizar muitas adequaes importantes para que a

segurana do sistema eltrico seja satisfatria, todas as observaes sero reportadas a

empresa para exemplificar a situao. A extenso do trabalho ser importante para determinar

todas as irregularidades e oportunidades de melhora do sistema com um todo.

O trabalho de campo demandou muito tempo, por no ser disponibilizado informaes

precisas das instalaes ou unifilar atualizado, a empresa no tem um departamento de

engenharia de planta, onde as informaes poderiam ser encontradas.

As informaes grficas de coordenao dos transformadores foram apresentadas no

trabalho para ilustrar didaticamente, como o processo de coordenao dos sistemas. O

material foi disponibilizado pela empresa.

O processo de coordenao e seletividade muito dinmico, cabe a empresa estar

sempre atualizando o documento a fim de evitar transtornos, como gastos extraordinrios, e

acidentes que causaram interrupes de energia em certos setores e alguns casos no somente

as perdas materiais como de pessoas.

Para futuros trabalhos de concluso de curso pode ser interessante o desenvolvimento

de um software gratuito para os clculos das correntes de curto circuito, procedimento que

demandou mais tempo neste trabalho.

39

6. Bibliografia

[1] Mamede Filho, J., Instalaes Eltricas Industriais, Edio 7, LTC Editora, Rio de Janeiro, 230.

[2] IEEE STD. 242, IEEE Recommended Practice for Protection and Coodination of Industrial and Comercial Power System, 2001.

[3] IEEE STD. C 57.109, IEEE Guide for Liquid Imersal Transformer Through Fault Current Duration 1993 (R 2008).

[4] Prysmian Cables & Systems. Baixa tenso uso geral: Dimensionamento. Disponvel em

[5] Siemens, Seminrios Tcnicos para Engenheiros e projetistas, 2003

40

ANEXO 1 Diagrama Unifilar Avaliado

41

ANEXO 2 Tabela 3.1- correntes de curto circuito aps o transformador de 2MVA

calculadas pelo mtodo apresentado.

Corrente curto

circuito trifsico

simtrico

calculado (kA)

Cabos (m m2) DISJUNTOR

(A) (ICS)

Corrente curto

circuito fase-terra

mximo calculado

(KA)

BARRAMENTO

QGF

37 2 (120 x10)

(3280 A)

3200 (80 KA) 31

ENAIVIV 3 18,5 240 (485 A) 400 (35KA) 3,8

HUSKY 21 240 (485 A) 400 (35 KA) 4,7

ROMI 4 21,5 120 (308 A) 200 (35 KA) 5,9

ROMI 3 20,8 150 (356 A) 350 (36 KA) 5,2

ROMI 1 16,4 95 (264 A) 200 (35 KA) 4,3

ENAIVI V6 19,7 240 (485 A) 800 (40 KA) 5

ROMI 2 8,9 95 (264 A) 200 (35 KA) 2

TC 1 8,1 70 (216 A) 100 (35 KA) 2,2

TC 2 10,7 120 (308 A) 160 (35 KA) 2,2

BATTENFELD 5,5 50 (167 A) 250 (80 KA) 4,9

ENGEL 4 6,6 150 (356 A) 350 (80 KA) 1,1

ENGEL 5 6,4 150 (356 A) 350 (80 KA) 1,1

SOPRADORA 28,2 150 (356 A) 800 (65 KA) 9,8

FERRAMENTA

RIA

13,8 95 (264 A) 400 (35 KA) 3,5

ECUS 5,8 150 (356 A) 400 (35 KA) 1

42

ANEXO 3

Seletividade do circuito da injetora Romi 4:

Especificaes:

Potncia instalada- 196 kvA Corrente/fase- 297 A

Motor 100 CV Corrente Nominal- 156 A

Anlise:

Corrente de curto circuito nos terminais do motor calculado: 0,9 kA

Corrente de partida do motor: 1045 A

Corrente de partida em estrela/tringulo: 348 A

Cabo especificado: 185 mm2

Cabo instalado: 120 mm2 (insatisfatrio)

Disjuntor especificado: 300 A

Disjuntor instalado: 200 A (insatisfatrio)

Rel trmico regulado em 93 A (LR9 F5369 Telemecanique) (satisfatrio)

Contatores estrela/tringulo: LC1 F150 (satisfatrio)

Seletividade do circuito da injetora Romi 2

Especificaes:

Potncia instalada: 164 kvA Corrente : 249 A

Motor: 100 CV Fator de servio: 1,15 Corrente Nominal: 167 A

Anlise:

43

Corrente de curto circuito nos terminais do motor: 879 A

Corrente de partida do motor: 1119 A

Corrente de partida estrela/tringulo: 373 A

Cabo especificado: 150 mm2

Cabo utilizado: 95 mm2 (insatisfatrio)

Disjuntor especificado: 300 A

Disjuntor instalado: 200 A (insatisfatrio)

Rel trmico regulado em 93 A (LR9 F5369 Telemecanique) (satisfatrio)

Contatores estrela/tringulo: LC1 F150 (satisfatrio)

1. Introduo1.1.1. Objetivo do trabalho1.1.2. Organizao do trabalho

2. ANLISE DAS CORRENTES DE CURTO CIRCUITO2.1. SISTEMA DE BASE E VALORES POR UNIDADE2.1.1. SISTEMA DE BASE2.1.2. VALORES POR UNIDADE

2.2. DETERMINAO DAS CORRENTES DE CURTO CIRCUITOAs correntes de curto circuito devem ser determinadas em todos os pontos onde se requer a instalao de equipamentos ou dispositivos de proteo. 2.2.1. METODOLOGIA DE CLCULO2.2.2. SEQUNCIA DE CLCULO2.2.3. Impedncia reduzida do sistema (Zus)2.2.4. Impedncia do(s) transformador(es) da subestao (Zt)2.2.5. Impedncia do circuito que conecta o transformador ao QGF2.2.6. Impedncia do circuito que conecta o QGF ao CCM2.2.7. Corrente simtrica de curto circuito trifsico2.2.8. Corrente assimtrica de curto circuito trifsico2.2.9. Corrente bifsica de curto circuito2.2.10. Corrente fase-terra de curto circuito2.2.10.1. Impedncia de contato (Rct)2.2.10.2. Impedncia da malha de terra (Rmt)2.2.10.3. Impedncia de aterramento (Rat)2.2.10.4. Corrente de curto circuito fase-terra mxima2.2.10.5. Corrente de curto circuito fase-terra mnima

2.3. Proteo e seletividade2.3.1. Componentes para proteo2.3.2. Componentes de proteo

3. Apresentao do sistema3.1. Anlise de coordenao do sistema3.1.1. Proteo de Transformadores3.1.2. Magnetizao dos Transformadores3.1.3. Ponto ANSI3.1.4. Proteo 51 - Primrio3.1.5. Proteo 50 - Primrio3.1.6. Proteo dos Alimentadores - Sobrecorrentes de Fase (ANSI 50/51) FIGURA 2 Diagrama unifilar de entrada3.1.7. Determinao das correntes de curto-circuito

3.2. ESTUDO DE COORDENAO E SELETIVIDADE FUNES DE FASE3.2.1. Subestao SE-023.2.2. Ajuste do rel primrio DJ PL15C (BEGHIM)3.2.3. Ajustes rel RP_1439_SE_023.2.4. Proteo do transformador TR_53.2.5. Ajustes rel RP_1439_TR_53.2.6. Subestao SE-013.2.7. Ajustes rel RP_1439 SE-01

3.3. ESTUDO DE COORDENAO E SELETIVIDADE FUNES DE NEUTRO3.3.1. Subestao SE-023.3.2. Ajuste do rel primrio DJ PL15C (BEGHIM)3.3.3. Ajustes rel RP_1439_SE_023.3.4. Proteo do transformador TR_53.3.5. Ajustes rel RP_1439_TR_53.3.6. Proteo do transformador TR_63.3.7. Ajustes rel RP_7140_TR_63.3.8. Subestao SE-013.3.9. Ajustes rel RP_1439

4. Resultados5. Consideraes finais6. Bibliografia

Documents

efefe