UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA Centro Tecnolgico
Ps-graduao em Metrologia Cientfica e Industrial RONNY COSTA Automao
e Garantia da Confiabilidade Metrolgica em Ensaio de Curto-Circuito
em Baixa Tenso Dissertao submetida Universidade Federal de Santa
Catarina para obteno do Grau de Mestre em Metrologia Orientador:
Prof. Carlos Alberto Flesch, Dr. Eng. Florianpolis, Outubro de
2005. Automao e Garantia da Confiabilidade Metrolgica em Ensaio de
Curto-Circuito em Baixa Tenso RONNY COSTA Esta dissertao foi
julgada adequada para obteno do ttulo de Mestre em Metrologia e
aprovada na sua forma final pelo Programa de Ps-graduao em
Metrologia Cientfica e Industrial.
__________________________________________ Prof. Carlos Alberto
Flesch, Dr. Eng. - Orientador
________________________________________________________ Prof.
Marco Antnio Martins Cavaco, Ph. D. - Coordenador do Curso BANCA
EXAMINADORA __________________________________ Prof. Carlos Alberto
Martin, Dr. -Ing. ___________________________________ Prof. Armando
Albertazzi G. Jr, Dr. Eng. ___________________________________
Prof. Hari Bruno Mohr, Dr. Eng. Sbio aquele que conhece os limites
da prpria ignorncia. Scrates Agradecimentos Em primeiro lugar a
Deus. Vriassoaspessoaseentidadesaquemagradeopelomuitoqueme
ajudaramnodesenvolvimentodeminhadissertao.AoprofessoreamigoCarlos
AlbertoFlesch,portodoseuempenho,pelainestimvelorientao,apoioe
confiana demonstrados durante a realizao do trabalho. Aos
professores que por vrias vezes no pouparam esforos em atender s
demandas do grupo de alunos procedente da WEG Acionamentos,
adequando seus horrios e at ementas das matrias s necessidades
desse grupo. Em especial, ao
ProfessorCarlosAlbertoMartinqueincentivouessegrupoparaqueiniciasseas
disciplinas para obteno do curso de mestrado.
AosmeuscolegasalunosdaPsMECedaPsMCI,quediretaou indiretamente
participaram na elaborao da minha dissertao de mestrado.
AWEGAcionamentospelaconcessodaoportunidadedeenriquecimento
profissional e pessoal.
AosmeuscolegasdetrabalhodaWEG,emespecialaosdasSeesde
EngenhariadoProdutoedoLaboratriodeP&DdaWEGAcionamentoseaos
colegas da Seo de Metrologia da WEG.
Estendomeusagradecimentosaminhame,meusirmosedemais
familiares,quemesmodistantes,sempremeapoiarameacreditaramemmim.Em
especialagradeoaspessoasqueestiveramaomeulado,quesepreocuparame
torceram por mim, e a Hrica, minha esposa, pelo amor e pela
pacincia. 5 Sumrio ndice de
figuras..............................................................................................
8 ndice de
tabelas............................................................................................
10 Lista de abreviaturas
....................................................................................
12 Resumo
..........................................................................................................
14 Abstract
..........................................................................................................
15
1Introduo..............................................................................................
16 1.1Os tipos de curtos-circuitos e seus
efeitos..................................................16
1.1.1Efeitos
mecnicos................................................................................18
1.1.2Efeitos
eletromagnticos......................................................................19
1.1.3Efeitos trmicos
...................................................................................19
1.2Necessidade e importncia do ensaio de
curto-circuito..............................22 1.3Proposta de
trabalho...................................................................................24
1.4Estrutura do
trabalho...................................................................................25
2Caracterizao do ensaio de curto-circuito em baixas tenses.......
28 2.1Normas de ensaio de curto-circuito para disjuntores
..................................28 2.2Circuitos de ensaio
conforme as normas de disjuntores.............................30
2.3Ensaio de
curto-circuito...............................................................................32
2.3.1Configurao do ensaio -
Setup...........................................................33
2.3.2Execuo do ensaio O open eCO close-open
..............................34 2.4Tolerncias das grandezas
eltricas na execuo do ensaio .....................35
2.5Rastreabilidade em ensaio de curto-circuito
...............................................36 3Anlise das
formas usuais de medio detenso, corrente efator de potncia e de
controle do sincronismo e disparo do ensaio de
curto-circuito............................................................................................................
42 3.1Medio de
tenso......................................................................................43
3.1.1Divisor de tenso
.................................................................................46
3.1.2Divisor de tenso resistivo e resistivo
compensado.............................47 3.2Medio de corrente
...................................................................................52
3.2.1Transformador de medio de
corrente...............................................52
3.2.1.1Anlise terica do transformador de
corrente...................................56 3.2.1.2Ensaios
experimentais
IEE-USP......................................................63 6
3.2.2Derivadores resistivos -
shunts............................................................64
3.2.3Bobina de Rogowski
............................................................................72
3.2.4Transdutores de corrente por efeito
Hall..............................................77 3.2.4.1Sensor
efeito Hall sem
realimentao...........................................79
3.2.4.2Sensor efeito Hall com
realimentao...........................................80
3.2.5Comparativo entre os sistemas de medio de
corrente.....................83 3.3Medio do fator de
potncia......................................................................86
3.3.1Fator de potncia conforme a norma NBR 5361/98
[9]........................87 3.3.2Fator de potncia conforme as
normas IEC 60947-1/01 [6] e IEC 60898-1/03 [11]
..................................................................................................90
3.3.3Fator de potncia conforme a norma UL 48902
[14]..........................90 3.4Sistema sincronismo-disparo
(seqenciador) .............................................92
4Desenvolvimento de um sistema de ensaio de
curto-circuito.......... 96 4.1Sistema de ensaio de curto-circuito
WEG................................................96 4.2Sistema de
medio de corrente e tenso no ensaio de curto-circuito.....100
4.2.1Transdutores de corrente e
tenso....................................................101
4.2.1.1Transdutor de
corrente...................................................................102
4.2.1.2Transdutor de tenso
.....................................................................103
4.2.2Sistema de aquisio de dados
.........................................................104
4.2.3Software.............................................................................................107
4.2.3.1Software para obteno da configurao do ensaio (setup)
..........109 4.2.3.2Software para obteno dos valores medidos no
ensaio de curto-circuito para avaliao do desempenho do disjuntor
....................................110 4.3Sistema de controle do
ensaio de curto-circuito e o seqenciador ...........111
4.3.1Sistema de aquisio de dados
.........................................................116
4.3.2Medio da referncia da tenso da rede eltrica
.............................116
4.3.3Software.............................................................................................117
5Avaliao do comportamento metrolgico do sistema de ensaio de
curto-circuito desenvolvido
.......................................................................
120 5.1Incerteza de medio do
sistema..............................................................120
5.2Avaliao metrolgica dos sistemas de medio de corrente e
tenso....122 5.2.1Avaliao da incerteza de medio a priori da placa
DAQ ................126 5.2.2Avaliao da incerteza de medio a priori
da medio de tenso ...127 7 5.2.3Avaliao da incerteza de medio a
priori da medio de corrente.129 5.3Avaliao metrolgica do sistema
sincronismo-disparo............................132 5.3.1Avaliao da
incerteza de medio na deteco do zero. .................135
5.3.2Avaliao da incerteza de medio na contagem - disparo a
90......139 5.3.3Aplicao da incerteza da medio na avaliao do
resultado do ensaio de
curto-circuito................................................................................................143
6Concluses e sugestes para trabalhos futuros
............................. 144 6.1Concluses
...............................................................................................144
6.1.1Estado-da-arte em ensaios de
curto-circuito......................................144 6.1.2Seleo
de instrumentos para medio de tenso e corrente...........145
6.1.3Sistema
sincronismo-disparo.............................................................146
6.1.4Automao do ensaio
........................................................................147
6.1.5Comportamento metrolgico do sistema
proposto.............................148 6.1.6Alcance dos objetivos
propostos........................................................148
6.2Sugestes para trabalhos futuros
.............................................................149
Referncias
..................................................................................................
151 8 ndice de figuras Figura 1.1 Tipos de
curto-circuito...........................................................................17
Figura 1.2 Fora entre dois
condutores..................................................................18
Figura 1.3 Fora entre dois
condutores..................................................................19
Figura 1.4 Comportamento da corrente de curto-circuito [5]
..................................20 Figura 1.5 Ciclo de melhoria
contnua....................................................................23
Figura 2.1 Circuito para ensaio de curto-circuito em disjuntores
tetra-polar...........31 Figura 2.2 Ensaio de curto-circuito -
configurao .................................................33
Figura 2.3 Ensaio de curto-circuito O -
open.....................................................34 Figura
2.4 Ensaio de curto-circuito CO close
open.....................................35 Figura 2.5 Hierarquia
de rastreabilidade [19]
.........................................................38 Figura
3.1 Tenso e corrente em um disjuntor durante um curto-circuito.
.............44 Figura 3.2 Visualizao do disjuntor MBW -
componentes internos.......................44 Figura 3.3 Divisor de
tenso incluindo as impedncias do cabo de ligao [26] ....46 Figura
3.4 Divisor resistivo [26]
..............................................................................47
Figura 3.5 Divisor de tenso resistivo compensado [26]
........................................49 Figura 3.6 Comportamento
da resposta do divisor resistivo compensado .............51 Figura
3.7 Transformador de
corrente....................................................................53
Figura 3.8 Modelo do transformador de corrente [34]
............................................56 Figura 3.9 Ensaio
real de
curto-circuito..................................................................58
Figura 3.10 Circuito equivalente (situao curto-circuito) para
ensaio de
curto-circuito................................................................................................................59
Figura 3.11 Influncia do modo de passagem dos cabos
......................................63 Figura 3.12 Tipos de
derivadores resistivos (shunt) [45]
........................................65 Figura 3.13 Fluxo no
derivador resistivo
[50]..........................................................67
Figura 3.14 Derivador resistivo coaxial
[50]............................................................69
Figura 3.15 Corte transversal do derivador resistivo coaxial
..................................70 Figura 3.16 Forma de onda
tpica de resposta ao degrau do derivador coaxial.....71 Figura 3.17
Princpio de funcionamento da bobina de Rogowski
...........................72 Figura 3.18 Bobina de Rogowski rgida
e flexvel...................................................75
Figura 3.19 Exemplo de linearidade de uma bobina de Rogowski
.........................76 Figura 3.20 Efeito Hall [26]
.....................................................................................77
Figura 3.21 Dispositivo de corrente por efeito Hall [26]
..........................................78 Figura 3.22 Sada do
transdutor de efeito Hall
.......................................................80 9 Figura
3.23 Construo de um sensor de corrente por efeito Hall com
realimentao
[58]..............................................................................................81
Figura 3.24 Diagrama de blocos mostrando a realimentao [58]
.........................82 Figura 3.25 Clculo do fator de potncia
pela componente assimtrica ................89 Figura 3.26 Grficos
para o clculo do fator de potncia pela extrapolao da tenso
................................................................................................................91
Figura 3.27 Seqenciadores analgico e digital
.....................................................95 Figura 4.1
Esquema eltrico de sistema de
curto-circuito......................................99 Figura 4.2
Diagrama esquemtico do sistema de
medio..................................100 Figura 4.3 Caracterizao
da operao dinmica
................................................102 Figura 4.4
Divisor resistivo
compensado..............................................................104
Figura 4.5 PXI e seu diagrama esquemtico
[72].................................................105 Figura 4.6
Grficos do ensaio de curto-circuito configurao em 0
.................110 Figura 4.7 Grficos do ensaio de curto-circuito
ensaio Open no disjuntor em teste
.................................................................................................................111
Figura 4.8 Diagrama esquemtico de um seqenciador
......................................112 Figura 4.9 Componentes de
placa de aquisio de dados...................................114
Figura 4.10 Diagrama de blocos do sistema sincronismo-disparo
.......................115 Figura 4.11 Circuito
limitador................................................................................117
Figura 4.12 Tela de interface do usurio com o sistema de disparo
....................118 Figura 4.13 Disparo em
90..................................................................................119
Figura 5.1 Diagrama em blocos geral para as duas cadeias de medio e
mapeamento das possveis incertezas associadas
[34]...................................122 Figura 5.2 Diagrama de
blocos da avaliao da incerteza de medio de corrente e tenso
..............................................................................................................124
Figura 5.3 Diagrama em blocos da avaliao da incerteza de medio do
sincronismo-disparo
.........................................................................................133
Figura 5.4 Diagrama de blocos da calibrao do sistema
sincronismo-disparo...134 Figura 5.5 Calibrao da base de tempo do
osciloscpio (VVC = 5,00 s)..........136 Figura 5.6 Calibrao para
avaliao da incerteza de medio da deteco do
zero.........................................................................................................................138
Figura 5.7 Calibrao para avaliao da incerteza de medio da deteco em
90.........................................................................................................................141
10 ndice de tabelas Tabela 1.1 Ocorrncia dos curtos-circuitos [2]
.......................................................17 Tabela
2.1 Valores do fator de potncia e da constante de tempo
correspondente ao ensaio de corrente e a proporo n entre o valor de
pico e rms do valor da corrente de
ensaio..............................................................................................31
Tabela 2.2 Tolerncias das grandezas eltricas no ensaio de
curto-circuito .........36 Tabela 2.3 Laboratrios participantes da
intercomparao....................................39 Tabela 3.1
Caractersticas das tecnologias dos transdutores de tenso LEM [25]
45 Tabela 3.2 Aplicao dos TC quanto
exatido....................................................54
Tabela 3.3 Caracterstica de um sensor de efeito Hall tpico
.................................80 Tabela 3.4 Comparao efeito Hall
com e sem realimentao ...........................83 Tabela 3.5
Comparao entre os transdutores de correntes mais comumente
utilizados no ensaio de curto-circuito
.................................................................84
Tabela 3.6 Seqenciadores utilizados nos laboratrios de ensaio de
curto-circuito...........................................................................................................................94
Tabela 4.1 Caractersticas tcnicas desejveis x NI PCI-6133 [72]
.....................106 Tabela 5.1 Especificao das caractersticas
metrolgicas da placa NI PXI 6133 [72]
...................................................................................................................127
Tabela 5.2 Erros mximos (Emx) do transdutor de tenso (percentual e
absoluta).........................................................................................................................128
Tabela 5.3 Balano de incertezas a priori do sistema de medio de
tenso......128 Tabela 5.4 Resultados da IM a priori para as faixas
de medio de tenso ........128 Tabela 5.5 Erros mximos (Emx) do
transdutor de corrente (percentual e
absoluta).........................................................................................................................130
Tabela 5.6 Balano de incertezas a priori do sistema de medio de
corrente....130 Tabela 5.7 Resultados da IM a priori para as faixas
de medio de corrente......130 Tabela 5.8 Resultado da
medio........................................................................137
Tabela 5.9 Balano de incertezas calibrao osciloscpio 10 s/div
(0,22/div)..137 Tabela 5.10 Resultado da
medio......................................................................139
Tabela 5.11 Balano deincertezas da deteco do
zero....................................139 Tabela 5.12 Resultado
da
medio......................................................................140
Tabela 5.13 Balano de incertezas calibrao osciloscpio 1 ms/div
(21,6/div) .140 Tabela 5.14 Resultado da
medio......................................................................142
Tabela 5.15 Balano de incertezas calibrao do disparo a 90
..........................142 11 Tabela 5.16 Resultados da
determinao da IM da contagem............................142 Tabela
5.17 Resultados da determinao da IM do sistema
sincronismo-disparo.........................................................................................................................143
12 Lista de abreviaturas A/D Analgico para digital ABNT Associao
Brasileira de Normas Tcnicas BIPM Bureal International ds Poids et
Mesures BNC Bayone-Neill-Concelman BSTS British Short-Circuit
Testing Station CA Corrente alternada CC Corrente contnua CEPEL
Centro de Pesquisas de Energia Eltrica CESI Centro Elettrotecnico
Sperimentale Italiano Giacinto MottoCMRR common mode rejection
ratio (razo de rejeio em modo comum) CO Close-open (estabelecimento
seguido de interrupo) COBEI Comit Brasileiro de Eletricidade cos
Fator de potncia D/A Digital para analgico DAQ Data Aquisition
(aquisio de dados) DP Desvio padro E/S Entrada e sada EdF
Electricit de France, Direction des Etudes et Recherches EUA
Estados Unidos da Amrica FEM Fora eletromotriz FGH
Forschungsgemeinschaft fr Hoch-spannungs und Hochstromtechnik e.V.
FP Fator de potncia I Corrente IEC - International Electrotechnical
Commission IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers
IM Incerteza de medio INMETRO Instituto Nacional de Metrologia,
Normalizao e Qualidade Industrial IPH Institut Prffeld fr
Elektrische Hochleitungstechnik GMBH ISO International Organization
for StandardizationKEMA KEMA Nederland BV LABEIN Laboratrios de
Investigacin y Ensayos Elctricos LEME Laboratorios de Ensayos y
Mediciones Elctricas 13 MM Mdia das medidas MUX Multiplexador O
Open (estabelecimento) OIML International Organization of Legal
MetrologyPC MicrocomputadorPCI Peripheral component interconnect
PXI PCI eXtensions for Instrumentation RBC Rede Brasileira de
Calibrao rms Root mean square RTSI Real-Time System Integration SI
Sistema Internacional de UnidadesSM Sistema de medio SMC Sistema de
medio a calibrar SMP Sistema de medio padro STL Short-Circuit Test
LiaisonTC Transformador de corrente Td TendnciaTP Transformador de
potencial UL Underwriters Laboratories Inc. USP IEE Universidade de
So Paulo Instituto de Eletrotcnica e Energia V Tenso VIM Vocabulrio
internacional de termos fundamentais e gerais de metrologia VVC
Valor verdadeiro convencional 14 Resumo
Osistemadefornecimentodeenergiaeltricaincluiasetapasdegerao,
transmisso,distribuioeconsumo.Emcadaumadessasetapassoprevistos
equipamentos de proteo para garantir a integridade do sistema em
caso de falha. Uma falha tpica o curto-circuito. Em baixa tenso, os
equipamentos que executam a funo de proteo, objetivando minimizar
os efeitos da falha de curto-circuito, so os disjuntores e os
fusveis.Portanto,degrandeimportnciaodesempenhodessesequipamentosem
umasituaodecurto-circuito.Agarantiadaconfiabilidadeoperacionaldetais
sistemas baseada em ensaios. Nos ensaios de curto-circuito, a
exemplo do que acontece com a maioria dos
ensaioseltricos,observa-se,historicamente,pequenapreocupaocomas
questesmetrolgicas.Mesmoquandoexisteapreocupaocomaconfiabilidade
metrolgica, raro que os procedimentos aplicados para avaliao de
incertezas e anlise de confiabilidade sejam feitos de acordo com
estado-da-arte em metrologia.
Apropostadotrabalhofazerumaanlisedetalhadadoensaiodecurto-circuitoembaixastenses.Soanalisados,dopontodevistametrolgico,osequipamentos
usuais de medio e controle. feita uma proposta de estruturao
deumsistemaautomatizadodeensaio.feitoodesenvolvimentoparcialdo
sistemaeumaavaliaodasincertezasdemediodasgrandezasmaiscrticas,
paraavaliaodocomportamentometrolgicodossistemasdemedioede controle
do ensaio.15 Abstract
TheElectricalEnergySystemgoesthroughthestagesofgeneration,
transmission,distributionandconsumption.Ineachoneofthesestages,protection
equipmentareforeseentoguaranteetheintegrityofthesystemincaseoffault.A
typicalfaultistheshortcircuit.Inlowvoltage,theequipmentsthatexecutethe
protectionfunction,minimizingthefailureeffectsofshortcircuit,aretheci
rcuit breaker and fuse.Therefore, it is of great importance the
performance of these equipment before
ashortcircuitevent.Theguaranteeoftheoperationalreliabilityofsuchsystemsis
based on verification tests. In the short circuit tests,
historically, similar to examples that happens with the
majorityoftheelectricaltests,smallconcernwiththemetrologicalquestionsis
observed. Even when the concern with the metrological reliability
exists, seldom the applied procedures for evaluation of
uncertainties and analysis of reliability are made in accordance
with state of art in metrology. The proposal of this work is to
make a detailed analysis of the short circuit test at low voltage.
From metrological point of view the usual equipment of measurement
and control is analyzed. It is made a proposal for a structured
automatic test system
arrangement.Thepartialdevelopmentofthesystemandanevaluationofthe
measurement uncertainties of the most critical readings are made,
for the evaluation of the metrological behavior of the systems of
measurement and control of the short circuit tests. 16 1Introduo
1.1Os tipos de curtos-circuitos e seus efeitos Um curto-circuito
pode ser definido como uma ligao intencional ou acidental
entredoisoumaispontosdeumcircuitoatravsdeumaimpednciadesprezvel.
[1]. Assim,ocurto-circuitoumaligaodebaixaimpednciaentredoispontos
com potenciais eltricos diferentes [2] [3]. Essa ligao pode ser
metlica, quando se diz que h um curto-circuito franco, oupode
serpor arco eltrico, que a situao mais comum. Uma outra situao pode
ser exemplificada por curto-circuito causadoporbaixa impedncia,
porm no desprezvel. Galhos de rvores ou outros objetos que caem
sobre as linhas de distribuio de energia eltrica ou presena de
animais em painis ou cubculos eltricos so alguns dos exemplos [1]
[2].Conforme exposto na figura 1.1, existem, basicamente, quatro
tipos de curto-circuito possveis de ocorrer em uma rede eltrica
trifsica: trifsico; dupla fase ou bifsico;dupla fase terra; uma
fase terra, ou monofsico [2]. Conforme exposto na referncia
Curto-Circuito [2], pela prpria natureza fsica dos tipos de
curtos-circuitos, o trifsico o mais raro. Em contra-partida, o
curto-circuitomonofsicoterraomaiscorriqueiro.Asporcentagensmdiasdecada
ocorrncia encontram-se na tabela 1.1 [2]. 17
Figura 1.1 Tipos de curto-circuito Tabela 1.1 Ocorrncia dos
curtos-circuitos [2] Tipos de Curtos-CircuitosOcorrncias em % 3
(trifsico)06 2 (bifsico)15 2 - terra (bifsico terra)16 1 - terra
(monofsico terra)63 A elevao da corrente pode atingir valores, em
geral, superiores a 10 vezes a corrente nominal do circuito. Com
essas correntes elevadas surgem trs efeitos, os
quaissodenominados:efeitosmecnicos,efeitoseletromagnticoseefeitos
trmicos. 18 1.1.1Efeitos
mecnicosEssesefeitosaparecemquandosurgemesforosmecnicosentreos
condutores ou entre componentes dos equipamentos;
Doiscondutoresparalelospercorridosporcorrentesficamsubmetidosa
foras que so diretamente proporcionais ao produto das correntes e
inversamente
proporcionaisdistnciaentreeles.Seforamesmacorrenteacircularpelos
condutoresnaidaenoretorno,aforaserdiretamenteproporcionalaoquadrado
da corrente (Figura 1.2) [3] [4]. dik F2= (1.1) Onde: F fora entre
os condutores k constante i corrente circulando nos cabos d
distncia Figura 1.2 Fora entre dois condutores Exemplo: Para um par
de condutores percorridos por uma corrente de 80 kA,
comafastamentode30cmentresi,pode-seobterumaforade2150Nemum
comprimento de 50 cm. [3]
Existeumoutroprincpioqueregeosefeitosmecnicos,presentenos
equipamentosdecontroleeproteo.Nopontodecontatoentredoiscondutores
emquehajamudanadedireodopercursodacorrente,surgeumaforade
repulsoquetendeaafastarosdoiscondutores.Essaforaproporcional + ++ d
i ii i FF FF Legenda: d distncia entre os condutores F fora i
corrente corrente saindo + corrente entrando19 intensidade da
corrente e inversamente proporcional distncia entre eles, conforme
mostrados na figura 1.3. Figura 1.3 Fora entre dois condutores
1.1.2Efeitos eletromagnticos
Essesefeitosaparecemnaformadeperturbaesemequipamentos,
especialmente eletrnicos, que estiveremprximos da instalao pela
qual circula a corrente de curto-circuito. 1.1.3Efeitos trmicos
Esses efeitos aparecem na forma de aquecimento dos elementos
percorridos
pelacorrente[3][4].Ascorrentesdecurto-circuitoprovocamumintenso
aquecimento dos condutores.
Quandoessascorrentessodecurtadurao(1a5)s,admite-sequeo
aquecimentoadiabtico,isto,quetodocalorutilizadonoaumentode
temperatura dos condutores [4].
Exemplo:Oaquecimentodeumcondutordecobredeseo100mm2(com capacidade
de conduo para uma corrente em torno de 200 A) quando percorrido
por uma corrente de 10 kA com durao de 1 s, sofrer aquecimento em
torno de 57
Cepara3semtornode254C.Jocondutordealumniopercorridoporesta corrente
por 3 s, teria um aquecimento em torno de 890 C [4]. i F i Legenda:
F fora i - corrente 20
Essesefeitosmecnicosetrmicospodemgerarfadiga,comoreduoda
resistnciamecnicaedestruiodosmateriaisisolantesdoscondutores.Podem
danificarosequipamentosdevidoaoselevadosesforosmecnicose,como
conseqncia,podem gerar paradas em todo o sistema eltrico.
Portanto,aoseprojetarumsistemaeltricodeseja-sequeomesmoseja
confivel e robusto o suficiente para que esteja protegido em caso
de ocorrncia de
qualquerfalha.Noinstantedocurto-circuitodistantedogerador(a),acorrentesobe
rapidamenteatingindoovalordecristaevaiemseguidadiminuindo
exponencialmente, passando pelos valorestransitrios para atingir
depois de alguns ciclos, o valor permanente de curto-circuito
(Figura 1.4) [4]. Figura 1.4 Comportamento da corrente de
curto-circuito [5] As amplitudes de correntes dependero da fora
eletromotriz dos geradores e
dasimpednciasnocaminhoentreo(s)gerador(es)eopontodecurto,taiscomo
cabos, barramentos, impedncia interna dos transformadores, dos
equipamentos de
manobras,dentreoutros.Noinstantedocurto,motorespodemfuncionarcomo
(a)
-Naocorrnciadeumcurto-circuitopertodogeradortemosainflunciadasimpedncias
subtransitrias e transitrias do gerador e o comportamento da
corrente eltrica difere da apresentada na figura 1.2. 21
geradores,contribuindoparaaumentaracorrente;ostransformadores,reatorese
condutores, para reduzi-la [4].
Asconseqnciasdocurto-circuitosovariveisdependendodotipo,da durao da
falha, do ponto da instalao onde a falha ocorre e da potncia de
curto-circuito no ponto da falha [4].
Aspossveiscorrentesgeradasdevidofalhaporcurto-circuitodevemser
conhecidas em todo sistema eltrico, visando dimensionar protees que
minimizem
osefeitosdessafalha.Osdispositivosutilizadosparareduzirosefeitosdoscurtos
circuitos sobre os equipamentos e as instalaes de baixa tenso so:
Fusvel:dispositivos, inseridoemsrienocircuito,que,porfusodeumou
mais elementos so designados para interromper a correnteem um
circuito eltrico.
Essainterrupoocorrecomatraso,apsumtempodeterminado,seacorrente
ultrapassar um valor especificado [6].
Disjuntor:dispositivodemanobra(mecnico)edeproteocapazde
estabelecer,conduzir,einterrompercorrentesemcondiesnormaisdocircuito,
assimcomoestabelecer,conduzirportempoespecificadoeinterrompercorrentes
em condies anormais especificadas do circuito, tais como as de
curto-circuito [1].
Aconfiabilidadedosistemaeltricodepende,principalmente,do
comportamentoeficientedesseselementosquecompemainstalaodiantedas
maisdiversasexignciasnormaiseanormaisquedeveroessesequipamentos
enfrentaraolongodesuavidatil.Portanto,asempresasfabricantesantesde
comercializaremtaisequipamentosdeproteo,devemproverosdiversostestes
normatizadosparaassegurarqueodispositivotenhaseudesempenhogarantido
anteumasituaoadversaquenecessitesuaatuao,comoporexemplocurto-circuito.
22 AWEGIndstriasS.A.DivisoAcionamentosfabricantededispositivos
deproteodesistemaseltricos,entreeles,disjuntoresefusveis.Coma
assessoria da Universidad Nacional de La Plata (Argentina), a WEG
est projetando e construindo um laboratrio de medies em
curtos-circuitos. Numa primeira etapa, prev-se a gerao e o controle
de situaes de curto-circuito, com possibilidade de ensaio de
correntes at 10 kA em tenses deat 690 V. 1.2Necessidade e
importncia do ensaio de curto-circuito
Asinstalaeseltricasdebaixatensoquasesemprenecessitamde
proteocontracurto-circuito.Paraestetipodeproteosousadosfusveise
disjuntores.Estesdispositivosdeproteodevemsertestadosconformenormas
internacionalmentereconhecidasparaverificaodasuaeficinciaperanteauma
situao de curto-circuito. Para os disjuntores, por exemplo, devem
ser avaliadas as
capacidadesnominaisdeinterrupoeestabelecimentoemcurto-circuito.Esse
ensaio verifica o maior valor eficaz (presumido)da corrente
simtrica que o disjuntor
capazdemanobrarsemserdanificado.Essamanobrapodeocorrerdeduas
formas:umainterrupodiretadocircuitoouatravsdeumestabelecimento
seguindodeumaimediatainterrupo.Apsosensaiosdeinterrupo,os
disjuntores so submetidos a outros ensaios, como por exemplo:
rigidez dieltrica e disparo trmico, para assegurar que suas funes
no foram prejudicadas. Contudo outros ensaios, tais como: ensaios
em cubculos de baixa tenso, painis eltricos, barramentos, dentre
outros, devem ser executados para garantir a proteo em uma situao
extrema de curto-circuito [3] [7].
Vriosensaios,dentreeleselevaodetemperatura,avaliaododisparo trmico
e magntico em disjuntores e avaliao da rigidez dieltrica so
necessrios 23
paraverificaododesempenhodosequipamentosdeproteofabricados.
Contudo,osensaiosdecurtos-circuitosparaavaliaodacapacidadede
interrupodoselementosdeproteosoobrigatrios,visandoasseguraro
perfeitofuncionamentodosdispositivosdeproteoperanteapiorsituaonas
instalaes eltricas: o curto-circuito. O ensaio de curto-circuito
nas instalaes dos fabricantes, alm de assegurar
operfeitofuncionamentosdosdispositivosdeproteo,permitequesejam
realizados ensaios relativos pesquisa e desenvolvimento. Os
prottipos com novos
materiais,novosprojetosemodificaespermitiroumamelhoriacontnuana
qualidadedosprodutosdesenvolvidos,seguindoaseqnciainterativa:projeto,
prottipo, ensaio de validao, melhoria. (Figura 1.5) Figura 1.5
Ciclo de melhoria contnua
Asituaoatualdametrologianosensaiosemaltacorrentemotivaa
pesquisaeasistematizaodeaesconcernentesanlisemetrolgica.Pelos
procedimentos e normas atualmente empregados em tais ensaios
percebe-se que a confiabilidade metrolgica dos mesmos est muito
aqum do que seria desejvel em
seconsideradooestado-da-arteemmetrologia.Portanto,existeanecessidadede
um estudo e avaliaodas atividades relativas ao laboratrio de
ensaios emaltas correntes, em busca da confiabilidade necessria.
Projeto Prottipo ENSAIO Melhoria Pesquisa Problema Identificado
Soluo p/ problemas 24 A aplicao dos conhecimentos metrolgicos pode
implicar: conhecimento das incertezas inerentes aos ensaios;
confiana nos ensaios realizados; conhecimento do comportamento dos
produtos ensaiados; confiana na avaliao da conformidade.
1.3Proposta de trabalho
Oobjetivoprincipaldotrabalhodesenvolverumaavaliao,dopontode vista
metrolgico, do sistema de ensaio de curto-circuitoem baixas tenses.
Dentro dos objetivos secundrios, inseridos no objetivo principal,
listam-se: dominar a tecnologia envolvida no ensaio de
curto-circuito;
ligarastecnologiasdemediodisponveiscomoensaioespecficode
curto-circuito (altas correntes); alertar sobre as limitaes, do
ponto de vista metrolgico, concernentes s medies de altas correntes
nos ensaios de curto-circuito; desenvolvimento de um sistema de
ensaio de curto-circuito. Frente a esse cenrio fica clara a
importncia do aprofundamento do estudo
daaplicaodametrologianosensaiosdedispositivosdeproteodesistemas
eltricos.
Dentrodessecontextosoanalisados,dopontodevistametrolgico,todos
osequipamentosdemedioutilizadosnoensaiodecurto-circuito.Esseestudo
contemplaaanlisetericadecadaequipamentodemediopriorizandoos
sistemas em que a medio e o controle so crticos. No ensaio de
curto-circuito os
sistemasditoscrticossoamediodealtascorrenteseltricaseocontroledo
momento de estabelecimento do curto-circuito. 25 Aps esse estudo,
so propostos o projeto e a construo de um sistema de
ensaiodecurto-circuito,ondesoanalisadosedescritosemdetalhesosprincipais
componentes do sistema proposto para o referido ensaio. Nessa
abordagem, dado enfoque aos componentes de medio e controle crticos
do ensaio de curto-circuito. Para avaliao da confiabilidade do
sistema de medio e controle proposto feita uma avaliao do
comportamento metrolgico do sistema desenvolvido. 1.4Estrutura do
trabalho A diviso do trabalho foi feita atravs de captulos,
conforme segue: Captulo 1 Introduo
Descrio,baseadonarevisobibliogrfica,doconceitoedostiposde
curtos-circuitos e dos respectivos efeitos decorrentes da ocorrncia
do curto-circuito
nasinstalaeseltricas.Nessaetapa,soabordadasanecessidadeea
importncia do ensaio de curto-circuito. Captulo 2 Caracterizao do
ensaio de curto-circuito embaixas tenses.
Sodescritosossistemasdeensaiosdecurto-circuitoconformeabordado nas
normas nacionais e internacionais. realizada uma anlise dos tipos
de ensaios de curto-circuito em disjuntores, a fim de estudar, com
profundidade, o procedimento
derealizaodoensaiodecurto-circuitonessesdispositivosdeproteo.Nessa
etapa so ainda avaliados os erros mximos admissveis previstos
nessas normas e,
finalizando,dadaatenoespecialrastreabilidadedosistemademedionos
ensaios de curto-circuito.26 Captulo 3 Anlise de formas usuais de
medio de tenso, corrente e fator de potncia e controle de
sincronismo e disparo do ensaio de curto-circuito.
Baseadasemumaamplarevisobibliogrfica,soavaliadasasmelhores
prticasdemedio(tenso,corrente,fatordepotncia)econtroledosistemade
estabelecimentodoensaiodecurto-circuito,analisandoosequipamentosde
mediomaisadequadosdopontodevistatcnico-econmico.Sopriorizadosos
sistemasemqueamedioeocontrolesocrticos.Nosistemademediode corrente
so analisadas e comparadas as quatro principais prticas de medio de
altascorrentes(transformadordecorrente,derivadoresresistivos,bobinasde
Rogowski e sensor de corrente por efeito Hall).
Captulo4Desenvolvimentodeumsistemadeensaiodecurto-circuito
(hardware e software). Nesta etapasodescritos, em linhas gerais,
oprojeto e a construo deum sistema de ensaio de curto-circuito,
incluindo diagrama, equipamentos principais de manobra e sistemas
de medio. So detalhados os componentes dos sistemas de medio de
corrente ede tenso incluindo os respectivos transdutores e o
sistema
deaquisiodedados.apresentadoodesenvolvimentodaprimeiraversodo
software de medio e controle do ensaio, implementado em ambiente
Labview. Captulo5Avaliaodocomportamentometrolgicodosistema
desenvolvido. Baseado nos equipamentos utilizados para o ensaio,
obtida a incerteza de
medioparaasgrandezasmaiscrticasdoensaiodecurto-circuito(mediode
alta corrente eltrica econtrole do estabelecimento do ensaio de
curto-circuito). So 27
avaliadastodasascontribuiesdosequipamentosdosistema,taiscomo,
transdutores,amplificadores,sistemasdeaquisio.feitaumacomparaocom
osrequisitosdeespecificao(errosmximosadmissveis)obtidose
descritosno captulo 2. Captulo 6 Concluses e sugestes de trabalhos
futuros Nessa etapa, so apresentadas as concluses do trabalho.
Adicionalmente, so sugeridas possveis oportunidades de
desenvolvimentos futuros. 28
2Caracterizaodoensaiodecurto-circuitoembaixas tenses 2.1Normas de
ensaio de curto-circuito para disjuntores
Nosorarasasocasiesemqueoscurtos-circuitosseapresentamnas instalaes
eltricas. Porm, graas aos avanos tecnolgicos ocorridos nos ltimos
anos, equipamentos tais como disjuntores e fusveis tm garantido com
eficincia a proteo das pessoas e das instalaes eltricas.
NoBrasil,oCOBEIComitBrasileirodeEletricidadeadotou,para disjuntores
de baixa tenso para uso industrial, a norma IEC 60947-2 Low-voltage
switchgear and controlgear Part 2: Circuit-breakers [8]
complementada pela norma IEC 60947-1 Low-voltage switchgear and
controlgear Part 1: General Rules [6].
Essasnormasditamasregrasgeraisparadispositivosdecomandoemanobrade
baixatenso.Porm,paradisjuntoresdebaixatensoparausoresidencial(ou
melhor,parausoporpessoasnohabilitadas)nohouveumconsensona reviso
danormaNBR5361Disjuntordebaixatenso[9].Somentefoiadotada,parao
Mercosul,aNBRNM60898Disjuntoresparaproteodesobrecorrentespara
instalaesdomsticasesimilares[10],versoemportuguseespanhol,que
substitui a NBR IEC 60898(correspondente internacional IEC 60898-1
Electrical
accessoriesCircuitbreakersforovercurrentprotectionforhouseholdandsimilar
installations Part-1: Circuit breakers for a.c. operation [11]).
Osdisjuntoresparausoporpessoasnohabilitadassodecertificao
compulsria,ouseja,paraseremcomercializadoseinstalados,devemterum
certificado emitido por um rgo credenciado pelo INMETRO.29
Acertificaodeumprodutoconsiste,entreoutrascoisas,narealizaode
umabateriadeensaiosdetipo,ensaiosparademonstrarqueumcertoprojeto
satisfazcertascondiesespecificadas[12].Dentreestes,existemosensaiosde
suportabilidade,ensaiosparaverificarseoequipamentocapazdesuportara
solicitaoquelheimposta,incluindocondiesespecialmenteseverascomo
curto-circuito. Esses ensaios devem ser executados para verificar o
desempenho do disjuntor em relao ao que foi projetado. H vrias
normas, no mbito internacional, que regulamentam os ensaios de
disjuntores em baixa tenso: IEC 60947-1 Low-voltage switchgear and
controlgear Part 1: General Rules [6];IEC 60947-2 Low-voltage
switchgear and controlgear Part 2: Circuit-breakers [8]; NBR5361
Disjuntor de baixa tenso. Rio de janeiro, RJ, set. 1998 [9];
IEC60898-1ElectricalaccessoriesCircuitbreakersforovercurrent
protectionforhouseholdandsimilarinstallationsPart-1:Circuit
breakers for a.c. operation [11];
IEC60947-4-1Low-voltageswitchgearandcontrolgearPart4-1:
Contactorsandmotor-staters-electromechanicalcontactorsandmotor-staters
[13]; UL489MoldedCaseCircuitBreaker,MoldedCaseSwitchesand Circuit
Breakers Enclosures [14]; UL 508 Industrial Control Equipment [15];
OprocessodeglobalizaoimpeousodasnormasIEC,pormagrande polmica est
na definio de que norma utilizar. Diferentes mercados consumidores
exigem diferentes normas. 30 2.2Circuitos de ensaio conforme as
normas de disjuntores
Soprevistosdoistiposdeensaios:diretoesinttico.Oensaiodefinido como
direto quando a tenso e a corrente provm da mesma fonte. O ensaio
dito sintticoquandoatensoeacorrenteprovmdefontesseparadas[7].Asduas
concepes de ensaios, direto e sinttico tm seus prs e seus contras
[7] que no sero abordados neste trabalho. abordado neste trabalho
somente o ensaio direto.
ConformedescritonanormaIEC60947-1-Low-voltageswitchgearand
controlgearPart1:GeneralRules,[6],estoprevistoscircuitosparaensaiosem
equipamentosmono,bi,trietreta-polar.Afigura2.1mostraumexemplodeum
ensaio de verificao da capacidade de estabelecimento e interrupo de
disjuntores tetra-polares na condio de curto-circuito
[6].Avaliandoasoutrasnormasqueprescrevemoensaiodecurto-circuito
percebe-sequehpequenasvariaesnocircuitodeensaios.Alocalizaodos
elementosdoscircuitosumexemplodessasvariaes.Cita-sealgumasdessas
variaes:alocalizaodachavesncronanamdiaounabaixatenso,o
posicionamento das cargas de ajuste a jusante ou a montante do
objeto em teste e os posicionamentos dos elementos de
medio.Analisandoascaractersticasinseridasnasnormasdeensaiopercebe-se
que,dependendodonveldecorrenteaserutilizadoparaavaliaode
equipamento,humainterdependnciadascaractersticasaseremcontroladas
durante o ensaio. Essa interdependnciaentre as grandezas tenso,
corrente, fator de
potnciaeconstantedetempovisaavaliaradequadamenteodesempenhodos
equipamentos sob o ensaio de curto-circuito.
Exemplificandoaobservaoacimaapresentadonatabela2.1relao entre a
corrente de teste, fator de potncia e a constante de tempo [6].31
Tabela 2.1 Valores do fator de potncia e da constante de tempo
correspondente ao ensaio de corrente e a proporo n entre o valor de
pico e rms do valor da corrente de ensaio Corrente de Ensaio (A)
Fator de Potncia Constante de Tempo (ms)n I 1500 1500