1. Introduo ao Estudo de Equipamentos Eltricos Os estudos bsicos visando especificao das caractersticas dos equipamentos,

realizados na etapa de detalhamento, consistem no estudo de fluxo de potncia, para determinao das correntes nominais, no estudo de curto-circuito, para determinao da suportabilidade ao curto-circuito e da capacidade de interrupo dos disjuntores e, finalmente, no estudo de sobretenses, para determinao dos nveis de isolamento.

Na figura 1 mostrado um diagrama que relaciona os estudos de engenharia com as especificaes dos diversos equipamentos que compem um sistema de potncia.

2. Corrente Nominal O roteiro para a especificao das correntes nominais de disjuntores, chaves,

secionadores, transformadores de corrente, capacitores serie e filtros de onda resumido nos seguintes passos:

I - Determinar os fluxos mximos nas linhas de transmisso, a partir de estudos de fluxo de potncia em condies de operao normal e de emergncia, para configuraes futuras (horizonte de 30 anos, aproximadamente);

II - Especificar os requisitos de corrente nominal no mnimo iguais aos valores dos fluxos.

III - Adequar aos valores recomendados pelas normas vigentes. IV - Adotar, sempre que possvel, a padronizao dos valores de corrente nominal,

visando reduo do nmero de unidades reservas e a simplificao da especificao. V - Investigar o fluxo de potncia nos barramentos das subestaes, para condies

de sada de linha e de disjuntores em manuteno, e no caso de se detectar sobrecargas indesejveis, especificar valores maiores de corrente nominal ou aplicar restries operativas para limitao do fluxo de potncia.

A seguir ser apresentado um exemplo de caso real para ilustrar o roteiro proposto.

Exemplo: Especificar as correntes nominais dos disjuntores, secionadores, transformadores de

corrente e filtros de onda da subestao de 345 kV, da figura 2. Os valores das correntes que chegam e que saem da subestao esto indicados na figura 3. O arranjo da subestao do tipo barra dupla com disjuntor simples, conforme mostrado na figura 4.

Figura 4

Soluo

I - Fluxos Mximos Da observao da figura 3, conclui-se que os fluxos mximos correspondem a corrente

de 1.244 A nas linhas para o subsistema 1 (condio de emergncia I) e a corrente de 1.280 A nas linhas para o subsistema 2 (condio de emergncia II).

II - Requisitos de Corrente Nominal Equipamentos das linhas para o subsistema 1: 1.244 A. Equipamentos das linhas para o subsistema 2: 1.280 A.

III - Adequao s Normas Equipamentos das linhas para o subsistema 1: 1.250 A. Equipamentos das linhas para o subsistema 1: 1.600 A.

IV - Padronizao Adotar 1.600 A para os equipamentos de todas as linhas.

V - Fluxo nos Barramentos Na figura 4 est representado o arranjo da SE onde so indicados os valores mximos

das correntes que podem passar em cada circuito. Como o valor de corrente nominal especificado em IV foi de 1.600 A para todos os

equipamentos, aps o exame do fluxo nos barramentos, conclui-se que no h possibilidade de ocorrncias de sobrecargas indesejveis.

3. Corrente de Curto-Circuito Durante a ocorrncia de um curto-circuito num sistema de potncia, os equipamentos

devem suportar, sem prejuzo, no seu desempenho, todas as solicitaes de corrente

que, porventura, surgirem at o instante em que os disjuntores atuem no sentido de isolar o trecho defeituoso do sistema.

Alm disso, os disjuntores devem ser capazes de interromper as correntes de curto-circuito e, tambm, suportar as correntes que surgirem quando, em manobra de fechamento, estabelecerem o curto-circuito.

Um dado importante para a especificao da corrente de curto-circuito a assimetria que a mesma pode apresentar, dependendo do valor da tenso no ponto de aplicao do curto-circuito, no instante da sua ocorrncia. Em primeira aproximao, se essa tenso for nula, a assimetria ser mxima e vice-versa.

A componente contnua da corrente de curto-circuito, responsvel por essa assimetria, decai exponencialmente, sendo a constante de tempo funo de relao X/ R da rede.

O valor do pico mximo da corrente de curto-circuito assimtrica define a caracterstica dinmica dos equipamentos enquanto que, o valor eficaz da corrente simtrica define a caracterstica trmica e devem, portanto, ser especificados.

A durao da corrente de curto-circuito tambm deve ser especificada e corresponde ao tempo mximo que o equipamento pode ficar submetido corrente de curto-circuito. Seu valor, normalmente especificado, e de 1s a 3s.

O roteiro para a especificao das correntes de curto-circuito de disjuntores, chaves secionadores, transformadores de corrente, capacitores serie e filtros de onda resumido nos seguintes passos:

I - Determinar as correntes atravs dos equipamentos para configuraes futuras, previstas para um horizonte da ordem de 30 anos, aproximadamente. Adequar aos valores das normas vigentes e adotar, quando possvel, a padronizao.

II - Determinar a relao X/R da rede e a constante de tempo da componente contnua da corrente de curto-circuito.

III - Determinar o valor do pico mximo da corrente de curto-circuito assimtrica. Esse valor tambm define a capacidade de estabelecimento em curto-circuito para os disjuntores.

IV - Determinar o valor da componente contnua (para os disjuntores) no instante da separao dos contatos do disjuntor;

O Exemplo apresentado a seguir ilustra o roteiro proposto.

Exemplo: Especificar os requisitos de corrente de curto-circuito para os disjuntores,

secionadores, transformadores de corrente e filtros de onda da subestao da figura 5, conhecendo-se os valores das correntes para curtos-circuitos aplicados, no simultaneamente, nos pontos assinalados com um X e sabendo-se estar aberta a extremidade oposta da linha onde o curto-circuito esta aplicado. Os curtos-circuitos aplicados so trifsicos.

Figura 5

Soluo I - Correntes de curto-circuito, valores de norma e padronizao. Conforme a figura 5, a hiptese de estar aberta a extremidade oposta da linha onde o

curto-circuito esta aplicado, tambm conhecida como condio de line-out, corresponde a pior condio de curto-circuito possvel.

II - Relao X/R e a Constante de Tempo da Componente Contnua Como se sabe, a relao X/R define o decaimento exponencial da componente

contnua que, por sua vez, determina a assimetria da corrente de curto-circuito. A forma de onda da corrente de curto-circuito em funo do tempo, pode ser obtida

diretamente da utilizao de programas convencionais de clculo de transitrios eletromagnticos, onde pode ser adotada a representao trifsica da rede em estudo, por meio de suas resistncias e reatncias a 60 Hz.

No sendo possvel adotar tal procedimento, a relao X/R pode ser obtida pela reduo da rede de impedncias atravs de programas convencionais de clculo de curto-circuito ou, como recomendado no guia ANSI C37.0101972 - "Application Guide for AC High Voltage Circuit Breakers Rated on a Symmetrical Current Basis", pela reduo das redes de resistncias e reatncias, separadamente, ou ainda, utilizando valores tpicos recomendados nesse mesmo guia.

Embora diferentes valores de relao X/R possam ser calculados numa mesma subestao, conveniente especificar um mesmo valor para efeito de padronizao.

Esse valor ser o maior encontrado na subestao e, de acordo com as normas vigentes, no deve ser inferior a 17.

Na figura 6 mostrada a curva de decaimento exponencial da componente continua da corrente de curto-circuito em funo do tempo, para X/R = 17.

Neste exemplo, ser apresentado o clculo de X/R para um curto-circuito na barra da subestao da figura 5, aplicando as recomendaes do guia ANSI.

Figura 6

Para curtos trifsicos: X / R = X1 / R1e para curtos monofsicos: X / R = (2X1+ XO) / (2R1 + RO), onde, R1 = resistncia equivalente de sequncia positiva X1 = reatncia equivalente de sequncia positiva RO = resistncia equivalente de sequncia zero XO = reatncia equivalente de sequncia zero

Supondo no serem conhecidas as resistncias da rede, sero adotados valores

tpicos, conforme segue: Para mquinas:

puRRX

mm

m 0075,080600,080 ===

Para linhas:

puRRX

LL

L 0282,05141,05 ===

Posseguindo na reduo da rede:

puXeq 114,0141,01

600,01

1

. =

+=

puReq 006,00282,01

0075,01

1

. =

+=

19006,0

0114.

. ==eq

eq

RX

A tabela 1 apresenta diversos valores da rtelao X/R. Como o valor calculado 19, ser adotado o valor da tabela imediatamente superior, ou seja, 20.

A constante de tempo de um circuito RL definida como sendo a relao L/R.

RX

RL

RL ===

1 Onde:

Hzfparaf 603772 ===

Considerando 20=RX

, tem-se:

ciclosmsRX

f2,35020

3771

21 ====

O percentual de componente contnua da corrente de curto-circuito em funo do tempo ser, portanto:

2,3100%t

cc eI

= Para t em ciclos. III Pico Mximo da Corrente Assimtrica Na figura 7 est mostrada a curva de corrente de curto-circuito em funo do tempo.

Figura 7

Observa-se que o pico mximo da corrente assimtrica ocorre para t = 0,5 ciclos (8,33 ms em 60 Hz ou 10 ms em 50 Hz).

Portanto, para t = 0,5 ciclos esse valor pode ser calculado por: IASS = ICA (eficaz) x F Sendo

+= teF 12

Fazendo-se t = 8,33 ms (60 Hz) ou t = 10 ms (50 Hz), o pico mximo ser ento de:

kAeIASS 1054012 5333,8

. =

+=

Este mesmo valor corresponder tambm capacidade de estabelecimento em curto-circuito dos disjuntores.

A tabela 1 tambm apresenta alguns valores do fator F em funo de valores da relao X/R e da constante de tempo de circuitos a 60 Hz.

So indicados tambm, em percentagem, os valores da componente CC no instante de separao dos contatos, indicando-se o tempo em ciclos a que esses valores se referem. Os valores de t e CC foram arredondados para nmeros inteiros.

IV - Valor da Componente Contnua no Instante da Separao dos contatos do Disjuntor

Supondo que o tempo para a separao dos contatos do disjuntor, contado a partir do incio do curto-circuito, seja de 1,5 ciclos. Tem-se:

% Icc = 100 x e-1,5/3,2 = 100 x 0,624 = 62 % Para t = 2,5 Temos % Icc = 100 x e-2,5/3,2 = 100 x 0,458 = 46 % Na tabela 2 so resumidos os resultados obtidos, compondo os requisitos de

corrente de curto-circuito dos equipamentos. A terminologia utilizada no quadro para definir as grandezas, foi extrada da ABNT

para cada equipamento especfico. Pode-se observar que o nome de uma grandeza pode mudar, dependendo do equipamento em questo.

4. Nveis de Isolamento dos Equipamentos O nvel de isolamento de um equipamento o conjunto de tenses suportveis

nominais, aplicadas ao equipamento durante os ensaios e definidas em norma especfica para esta finalidade, que define sua caracterstica de isolamento. A NBR-6939 - Coordenao de Isolamento - Procedimento, define 3 faixas de tenses mximas para os equipamentos: faixa A, com tenses entre 1 kV e 52 kV, faixa B, com tenses iguais ou superiores a 52 kV e inferiores a 300 kV e faixa C, com tenses superiores a 300 kV. Os limites das faixas acima so os mesmos adotados pela IEC-71.1.

As tenses definidas em norma a serem aplicadas nos ensaios para comprovar o nvel de isolamento de um equipamento, so as seguintes: tenso suportvel estatstica (ou convencional) de impulso de manobra (ou atmosfrica); tenso suportvel nominal a frequncia industrial de curta durao; e tenso suportvel nominal de impulso de manobra (ou atmosfrico).

A tenso suportvel estatstica de impulso de manobra (ou atmosfrico) o valor de crista de uma tenso de ensaio de impulso de manobra (ou atmosfrico), para o qual a probabilidade de no ocorrerem descargas disruptivas na isolao, em condies especificadas, igual a uma probabilidade de referencia especificada.

A norma NBR-6939, de Coordenao de Isolamento, adota a probabilidade de referncia igual a 90%, ou seja, a probabilidade de ocorrerem descargas disruptivas nesta tenso de 10%, e este conceito aplicvel somente ao isolamento auto-regenerativo.

A tenso suportvel convencional de impulso de manobra (ou atmosfrico) o valor de crista especificado de uma tenso de impulso para o qual no deve ocorrer descarga disruptiva num isolamento submetido a um nmero especificado de aplicaes, em condies especificadas. Este conceito aplica-se somente a isolamentos no-regenerativos.

A tenso suportvel nominal a frequncia industrial de curta durao o valor eficaz especificado da tenso, a frequncia industrial, que um equipamento deve suportar em condies de ensaio especificadas e durante um perodo de tempo, geralmente, no superior a 1 minuto.

A tenso suportvel nominal de impulso de manobra (ou atmosfrica) o valor de crista especificado de uma tenso suportvel de impulso de manobra (ou atmosfrico), que caracteriza o isolamento de um equipamento no que concerne aos ensaios de tenses suportveis.

A NBR-6939 estabelece que para os equipamentos classificados nas faixas A e B (tenso mxima inferior a 300 kV) consideram-se, para o estabelecimento do nvel de isolamento, somente as tenses suportveis nominais de impulso atmosfrico e a frequncia industrial de curta durao. Para a faixa C (tenso mxima igual ou superior a 300 kV) consideram-se as tenses suportveis nominais de impulso de manobra e atmosfrico.

As tabelas 1 e 2 da NBR-6939, que apresentam os nveis de isolamento normalizados para os equipamentos classificados nas faixas A e B so reproduzidas nas tabelas 3 e 4 deste captulo.

Formas de Onda Padronizadas para Ensaios de Impulsos

superior a 6 saturao no equipamento ensaiado.

1. Ensaio de Frequncia Industrial utilizada uma fonte senoidal com frequncia de 60 Hz. O nvel de tenso ajustado

pelos transformadores de cascata. Em alguns equipamentos, como transformadores de potncia e reatores derivao, necessrio realizar-se o ensaio com frequncia

0 Hz, a fim de se evitar problemas de

2. Ensaio de Impulso Atmosf6rico utilizado um gerador de impulsos com forma de onda ajustvel ao impulso

atmosfrico padronizado para ensaios: impulso 1,2 x 50 s, conhecido como onda plena (figura 2a) e impulso 1,2 x 50 s cortado, conhecido como onda cortada (figura 2b).

3. Ensaio de Impulso de Manobra utilizado um gerador de impulsos com forma de onda ajustvel ao impulso de

manobra, padronizado para ensaios: impulso 250x 2500 s (figura 3).

s alizados

plicado ente auto-

reg as de buchas. ortvel a Impulso de Manobra

ribuio normal (Gaussiana) esta tenso situa-se

ntor etc.), verificada por meio do chamado ensaio 15 x 2 da

Figura 3 - Impulso de Manobra 250 x 2500 Nveis de Isolamento e Ensaios Norm1. Tenso Critica de Descarga (V50) Tenso de ensaio para a qual um isolamento (auto-regenerativo) tem 50% de

probabilidade de suportar esta tenso sem ocorrer descarga ou, consequentemente, 50% de probabilidade de provocar descarga no isolamento (figura 4). O ensaio realizado com a aplicao de 30 a 40 impulsos no equipamento e s pode ser aem equipamentos cujos isolamentos podem ser considerados puram

enerativos: chaves, postes isoladores e porcelan2. Tenso Supa. Estatstica Tenso de impulso de manobra de ensaio para a qual um isolamento auto-

regenerativo tem uma probabilidade de suportar esta tenso igual a 90% (10% de probabilidade de descarga). Em uma dist

a menos 1,3 do valor V50 (figura 4). A tenso suportvel a impulso de manobra estatstica especificada para os

equipamentos com isolamentos auto-regenerativos (poste isolador, chave etc.) e equipamentos com isolamento auto-regenerativo em paralelo com isolamento no-regenerativo (TP, TC, disju

s normas IEC e ABNT.

Neste ensaio, o equipamento submetido a 15 impulsos de manobra, para cada polaridade, com magnitude V igual tenso suportvel especificada. Se houver at, no mximo, duas descargas no isolamento externo, o equipamento passa no ensaio. Havendo mais de duas descargas, o equipamento rejeitado. No poder haver nenhuma descarga interna nos isolamentos no-regenerativos do equipamento. Este en te saio apresenta um aceitvel limite de confiana, com o nmero relativamenpequeno de quinze impulsos aplicados.

Outro tipo de ensaio equivalente ao ensaio 15 x 2, para isolamentos auto-regenerativos, o ensaio 5 x 10 da ANSI. Este ensaio consiste na aplicao inicial de 5 impulsos de manobra. Se no houver descarga, o equipamento passa no ensaio. Havendo mais de uma descarga, o equipamento rejeitado. Se houver apenas uma descarga, o equipamento submetido a mais 10 impulsos e no dever sofrer nenhuma de eito.

5 x perfeito menor no ensaio 15

x 2 a

to no-regenerativo ca arga.

os cujos isolamentos no-regenerativos so as partes principais do equipamento (transformadores e reatores) so ensaiados com um nmero reduzido de im

a de impulsos durante os ensaios.

atmosfrico de ensaio para a qual um isolamento auto-regenerativo tem probabilidade de suportar esta tenso igual a 90% (10% de pro

entos com isolamentos auto-reg

s ensaios a impulso atmosfrico, nos isolamentos no-regenerativos, so realizados co a seguinte sequncia de aplicao dos impulsos: 1 impulso pleno, de amplitude reduzida; 1 impulso pleno; 1 ou 2 impulsos cortados, de amplitude reduzida; 2 impulsos cortados; 2 impulsos plenos.

tabela abaixo apresenta um resumo dos ensaios dieltricos para os equipamentos em funo da classificao do seu tipo de isolamento principal.

scarga para ser acEstatisticamente, demonstrado que o ensaio 15 x 2 mais seletivo que o ensaio

10, j que a probabilidade de se rejeitar um equipamento e a probabilidade de se aceitar um equipamento defeituoso praticamente a mesm

nos dois tipos de ensaios. b. Convencional Tenso de impulso de manobra de ensaio que um isolamenpaz de suportar sem apresentar nenhuma descOs equipament

pulsos: 1 pleno de amplitude reduzida e 3 plenos, para cada polaridade, deamplitudes iguais tenso suportvel, a fim de evitar danos ao isolamento pelaplicao de grande nmero

Tenso Suportvel a Impulso Atmosfrico a. Estatstica Tenso de impulso

babilidade de descarga). Os ensaios a impulsos atmosfricos para os equipamenerativos so semelhantes aos ensaios para impulsos de manobra: ensaios 15 x 2

(ABNT/ IEC) e 5 x 10 (ANSI). b. Convencional Tenso de impulso atmosfrico de ensaio que um isolamento no-regenerativo

capaz de suportar sem apresentar nenhuma descarga. Om

A