~UPORTE TÉCNICO BARRAMENTOS BLINDADOS

,..

Impedância de barramentosblindados - influência das

., . .caracterlstlcas construtivas eresultados práticos de medições

Elaboradopor EduardoBomeisel e RicardoSantos d'Avila

Barramentos blindados (ou linhas elétricas pré-fabricadas) são

utilizados freqüentemente em edifícios, nos quais a mediçao da

energia consumida pelos condôminos é feita ao longo do seu

percurso. Por conduzirem energia antes do medidor, as perdas

elétricas do barramento são um "custo" para as concessionárias

de distribuição, que elaboramnormasque limitam as perdas I

no barramento. A impedãncia dos barramentos passa a ser sua

característica determinante, na,escolha do modelo. A seção dobarramento, -comsua forma, material dos condutores e material

dos invólucros são os fatores que determinam a impedãnciade um barramento blindado.

Invólucrodechapa deaçoou alumínio

Isoladores

Condutoresdecobreou alumínio. } .

Seção típica de um barramento blindado comoito condutores, dois para cada fase e neutro.

Este artigo enfoca barramentos blindados, utilizados em ins-

talações prediais e industriais mais comuns comercialmente, e

se baseia em barramentos blindados para a seguinte aplicação:.

distribuição de energia elétrica; 'ambientes abrigados; baixa ten-são «1.000V); trifásicos 60Hz.

Considerando:se as perdas por aquecimento nas instalações,o Efeito Joule, estas são abordadas de modo indireto quando do

dimensionamento dos condutores pelos critérios da capacidade de

con~ução de corrente elétrica (nas temperaturas de operação doscondutores) e das quedas de tensão dos trechos da instalação.Isso, de algum modo, limita as quantidades de energia elétrica

despendidas no aquecimento dos condutores.

CRITÉRIOSDE PROJETODE BARRAMENJOSBLINDADOSA escolha de um determinado barramento blindado é deter-

minada pelo usuário por suas necessidades específicas. Deve-selevar em conta as característicasda instalação: tensão do sistema;

nível de curto-circuito; corrente demandada (A); perdas máximas

(W/m) (tiV) (Wh/mês); penetração de água ou objetos; resistênciaà corrosão e ao material dos condutores.

O-material do barramento será definido por critérios comerciais.

Um barramento de cobre deve ter o mesmo desempenho de um

barramento "de alumínio e as normas específicas aplicáveis são

as NBR-IEC-60439-1e NBR-IEC-60439-2.Desse modo, o projeto do barramento deve minimizar a impe-

dância sem aumentar seu custo de produção e sua impedância

definirá seu custo e, portanto, sua atratividade ao cliente.

A corrente nominal é determinada pelo equilíbrio entre a ca-

pacidade de dissipação térmica do barramento e a"geração decalor dos condutores. Isso é obtido com o dimensionamento

da seção dos condutores, sua área de dissipação térmica e ascaracterísticas de ventilação do invólucro.

Normalmente, para um mesmo grau de proteção do invólucro e

material dos condutores, a capacidade de corrente é diretamente

proporcional à seção dos condutores.

A isolação é projetada para a tensão de operação com adoção

de distâncias entre condutores entre si e a terra apropriadas,associadas aos materiais isolantes.

Acapacidade de curto-circuito é definida pela resistência térmi-

11dezembro2008

ca dos condutores à energia do curto-circuito e pela resistênciamecânica aos seus esforços dinâmicos.

FATORES QUE DETERMINAM A IMPWÂNCIA DO BARRAMENTO

BLINDADO

A impedância é influenciada pelas características menciona-

das, mas a forma do barramento é fundamental para um bom projeto

e seus condutores são barras chatas. Os fatores que determinam sua

impedância serão divididos em: forma da seção; distância entre barras;

arranjo das barras; material do invólucro; e qualidade das emendas.

MATERIAIS CONDUTORES

Os materiais comercialmente viáveis para a fabricação de bima-

mentos blindados são o cobre e o alumínio. As características mais

importantes desses materiais, por ocasião da escolha e do projeto,

são: preço (R$/kg); resistividade (Qmm'/m); calor específico O/kg<>C);

condutividade térmica (W/m°C); e densidade (gfcm3). São grandezas

e características físicas que pesam nas escolhas possíveis, além de

ressaltar que, quer a linha elétrica pré-fabricada tenha condutores

de cobre quer de alumínio, deve apresentar características elétricas

de impedância (Z=R+jXl) muito próximas.

FORMASDE BARRAMENTOSBLINDADOS

Para se avaliar as formas de barramentos blindados, é pos-

sível utilizar métodos de cálculos e simulações computacionais

para determinar as impedâncias médias de seqüência positiva.

A utilização de simulação computacional, utilizando-se o método

dos elementos finitos, permite uma razóável aproximação dos

valores das impedâncias.

Além dos valores de impedância, podem ser definidos dois

índices fins de comparação:

Seção eficaz SE = [resistência/m calculada] / [resistividade/mdo cobre a 70°C]

lembrando que [resistência/m] = [resistividade/m] / [seção]

dezembro200811I

Esta grandeza descreverá a perda de condutividade do barra-mento blindado em razão da indutância mútua entre condutores

e será um parâmetro.importante na determinação da impedância

e da capacidade de corrente.

Fatorde qualidade FQ= [dV]/[dV de um barramento-padrão]

Sendo dV a queda de tensão em V/A/100m do barramento.

Esta é a grandeza mais freqüentemente utilizada para se de-finir o barramento.

Quanto menor o fator de qualidade, melhor o barramento.

Como barramento-padrão, com fator de qualidade 1 e com cor-

rente nominal típica de 1.500A, adota-se a forma da Figura 2.

11111111- -

-Duas barras (cobre) por fase, cada uma com seção 65X5mm

-Invólucro de chapa de aço de 1,5mm de espessura

-Este barramento tem as seguintes características em mohm/m:

Seção de um barramento blindado utilizado com padrãopara análise das características elétncas por cálculo.

Calculado Medido

R Resistência a 70' 0,0343 0,035,.XL Indutãncia média por fase 0,0262 0,029

Z Impedância/m . 0,0432 0,045

dV Queda tensão cos(fi)=0,9 o,OOnV/A/100m

~UPORTE TÉCNICO BARRAMENTOS BLINDADOS

Valorescomparativos entre várias formas de barramentos coma mesma seção de cobre são mostrados na Tabela 1. a seguir.

MÉTODOSDEMEDIÇÃODAIMPEDÂNCIAAobtençãodos valoresde interessedas impedãnciaselétricas

dos barramentosblindadospodeser estudadasob váriasóticascorrespondentes às várias característicase situações de operação.levando em conta características das correntes elétricas passíveisde circularem (seus valores. seus tempos de circulação e suasfreqüências). bem como as possíveis solicitações das tensõeselétricas passíveis de ocorrerem nas instalàções.

Para tal. modelos elétricos dos barramentos são utilizados em

~

função do tipo de análise necessária.Emsituações nominais de corrente elétrica. modelos que com-

preendem as Resistências Óhmicas (Rac)e Reatâncias In'dutivas

(\) podem ser satisfatórios.Neste trabalho. enfocamos somente as medições feitas com

correntes nominais e tensões reduzidas. preconizadas pela normaNBR-IEC-60439-2e obtidaspor ocasiãoem ensaios de elevaçãode temperatura.

Outros métodos serão objetos de estudos e artigos futurosque proveriam uma possível vantagem inicial: economia consi.-derável de tempo nas medições que seriam feitas com sinais debaixa intensidade de corrente e de tensão e implicariam a não-

CARACTERíSTICASDE VÁRIOS BARRAMENTOSCOM A MESMA SEÇÃODE COBRE

/

11 dezembro 2008

TIPO ARRANJO CARACTERíSTICACONSTRUTIVAdV SE - FQ

- V/NlooM % de 650mm'

J 11111111[,

1 RSTNRSTN 0.0073 94.3 1

2J 11111111[ RSTRSTNN 0.0069 99.2 0,94

3 '11111111=2 sem invólucro de Fe 0.0067 101,1 0.91

.-

4] 1111111I[

RRSSTTNN 0,0138 72.0 1,88

5 J 11Ulllt[RRss TI NN 0.0150 83,6 2,4

6J 1111111 [ RS STTR N 0.0079 85,0 1,08

7 J 1111 [ lbarra/faseRST N 0.0120 . 101,2 1.64

8 ] 1111[ 6 com bar"ras próximas 0.0103 101.9 1.40, .-

I 9 JI[ barras coladasR S T N 0,0063 lÕ3.5 0,86

-10 ]-.--[ barrasdeitadas 9,0271 46.7 3,70

J....[ --12 barras redondas 0.0231 62.0 3,16

.13 ... barras redondas (sfinv) 0.0135 90.3 1.84

12 N12

Diagrama esquemático das conexões para mediçõesdas características elétricas em corrente nominal,pelas potências medidas por fase.

Diagrama esquemático das conexões para medições-das características elétricas em corrente nominal,

pelo "método dos dois watímetros".

.Terminalà compressãocom boca expandida

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~~"F"-~ ~Hastes de AterramentoBornes · Terminais \..~v..,.. !~ \~ ~ára-raios tipo "Franklin"

Conectores · Ferramentas . , Acessórios para Aterramento

utilização de conexões robustas e auxiliares(barras de entrada e de saída), necessáriasnos ensaios de elevação de tempera-tura, e o tempo de estabilizaçãodas temperaturas.

Durante as medições foram efetua das, adi-

cionalmente em alguns corpos de prova,

outras medições de potências (para o

mesmo corpo de prova, com a mes-

ma montagem, com as mesmas

o que pode tornar interessanteos estudos de outros métodos de

medição são possíveis situações futu-ras de utilização das linhas elétricas pré-fabricadas para condução de sinais de dados(medição,telefonia, etc.) e geração descentralizadaem corrente contínua (conversão química por célulasde combustível e fotovoltaica).

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correntes de ensaio). Foramefetuadas mediçõesde potências

elétricas ativas, porém monofásicas,tomando-se as mesmas três correntes

das fases, filas com tensões monofásicas

V'N' V2Ne V3N' sendo N o ponto de íechamen-

to de curto-circuitoda montagem de ensaio. Foipossível constatar que o uso do método dos dois

watímetros é compatível, pois a soma das três potên-cias monofásicas foi praticamente igual aos valores obtidos pelométodo dos dois watímetros.

Foipossível obter valores de impedância pelo método dos doiswatímetros (impedância média pelo método da norma) e três im-pedâncias monofásicas"bastantediferentes, mas com suas médiascorrespondentes à impedância média pelo método da norma.

Outra questão, que se revelou durante alguns cálculos dàsimpedâncias, se deveu ao fato de serem utilizadas, em algumasmontagens de ensaio de elevação de temperatura" barras nofechamento (lado do curto-circuito) e na alimentação (lado dafonte) de material distinto do material das barras do corpo de

. prova. Por exemplo: corpo de prova (barramento) com barrasde alumínio e fechamento e alimentação em cobre. Assim, foi

A MEDIÇÃO DA IMPEDÂNClA PELO MÉTODO DA NORMA NBR-

IEC-60439'2 .O método 'sugerido de medição e de cálculodas características

elétricas em corrente nominal basicamente sugere que em um cir-cuito trifásicode comprimento Lsejam medidas: as correntes nastrês fases (l ,I e I '. as tensões entre as três fases (V ,V e V '. a

12 -r 12 2313'

potência elétrica ativa total (P). Daí são calCulados o valor médio da

corrente 1=(1 ,+1 +1 '1 3 e o valor médio da tensão V=(V ,+V +V '131 2 3' 12 23 13'

para cálculo da impedância Z=R+jXL,sendo:

Z=VN3 x I x L); R=P/(3 x I' x L); XL=X=(Z2- R2)1/2.Que são

valores, também médios, das impedâncias.

As conexões, inicialmente, efetuadas para medição das potências elé-tricas ativas trifásicas foram as do "método dos dois watímetros".

dezembro2008 11

~UPORTE TÉCNICO BARRAMENTOS BLINDADOS

Exemplo: Barras de [obre =2oX6mm/Comprimento: 6,sm/1barra por fase

MEDiÇÕESTRIFAsICAS:

Corrente de ensaio 24SA (média)/ Tensão: O,72V(média)

Potência ativa trifiÍsica: 236,2W

P/ temperatura ref.:2o'C, temos:

Z=o,234mohm/m -R=o,16smohm/m -X=o,166mohm/m

MEDiÇÕESMDNOFAsICAS:

Na fase 1: P,N=102W/I,=247A/V,N=O,0496V

P/ temperatura ref.:2o'C, temos: -

Z'N=o,27smohm/m - R'N=o,216mohm/m - X'N=o,171mohm/m

Na fase 2: P'N=77,6W/I,=247A/V'N=O,374V

P/ tempera~ura ref.:2o'C, temos:

Z'N=o,206mohm/m - R'N=o,164mohm/m -X'N=o,124mohm/m

Na'fase 3': P'N=77,6W/I,=247A/V'N=O,372V

P/ temperatura ref.:2o'C, temos:

Z,N=o,229mohm/m -R'N=o,111mohm/m -X,N=o,201mohm/

Valores médios das medições monofiÍsicas (valores referidos a 20'C):

Z"'DID=o,237mohm/m - R..'DID=o,164m.ohm/m -X"'DID=o,16smohm/m

Diferenças %=100X (média monofiÍsica-trifiÍsica)/(médiamonofásica)

dZ%=+1,o/ ~R%=-1,O%/ dX%=-o,S%

Potência ativa trifiÍsica: 236,2W

Potência ativa trifiÍsica=P,N +P,N+P,.=232,9W ~ dif%=1,4%

Exemplo de medições de potências e cálculos de impedâncias.

1\ 'EY1e&j~tItro{e50 aGBT h

FORMA :>TTA 3'.5 kA

Testado tE.E. USP

."..-

...~. ..- -. ..;~;~- -. ..;~.~ .~..:-:-

OGBT.FOI111a3B

necessário, durante os cálculos das impedãncias, admitirmos umcomprimento equivalente do corpo de prova que expressasse areatância e a resistência, estudando as característicasdas ligaçõesde entrada e de saída, buscando atenuar seus efeitos.

CONCLUSÕES

As medições efetÚadas mostraram-se compatíveis com os valo-res simulados e as formas de barramentos foram mostradas paracompreensão e escolha das melhores condições e características,de modo que a metodologia por ora adotada se mostra razoável,mas requer estudos mais aprofundagos.

Algumas observações podem ser feitas relativas às condiçõesestabelecidas pela norma NBR-IEC-60439-2para a execução dasmedições, citando apenas duas a título de exemplo e colabo-ração: efeitos das conexões (barras) de entrada e de saída;uso da impedância média e seus efeitos para estimativas deincertezas de medição. .

É possível realizaras medições em qualquer temperatura (desdeque conhecida), não aguardando a estabilização, e depois corrigiros valores calculados para as temperaturas desejadas.

Está aberto espaço para estudos e elaboração de sistemáti-cas alternativas (ou adicionais) de medições para obtenção dasimpedâncias que não demandem, .necessariamente, montagensde grandes dimensões.

» Eduardo Bomeisel é engenheiro mecânico aeronáutico e membro

do Institute of Elecbical and Electronics Engineers OEEE)

» Ricardo Santos d'Avila é engenheiro eletricista, mestre em

energia e especialista de laboratório no Laboratório de Altas

Correntes (LAC)do Instituto de Eletrotécnica e Energia OEE)da

Universidade de 'São Paulo (USP)

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