Banco de Capacitores

Banco de Capacitores

(Parte 1 de 2)

UFPE – Universidade Federal de Pernambuco

DEESP – Departamento de Engenharia Elétrica

Alunos: Dilson Ricardo da Silva Filho

Francisco Vasquez Delgado

Professor: José Maurício Barros Bezerra

Disciplina: Equipamentos Elétricos

Bancos de capacitores

Recife, 21 de Junho de 2010

Introdução

Compensação reativa

Em cargas indutivas, há necessidade de potência reativa, para excitar os ramos de magnetização. Na indústria, a maioria das cargas são indutivas. Em sistemas de potência, também há necessidade da corrente de magnetização. Para minimizar as perdas devido a essa energização, podemos usar compensadores reativos, a fim de fornecer a potência necessária para magnetizar o sistema.

Bancos de capacitores são conjuntos de capacitores, que têm como principal função a compensação reativa capacitiva, compensando o fator de potência, e melhorando alguns aspectos no sistema, como aumentar a tensão nos terminais da carga, reduzir as perdas na transmissão, entre outros.

Levam vantagem em relação a outros compensadores, como compensadores estáticos e síncronos, devido a fatores como custo menor, maior facilidade de instalação e manutenção, etc..

Além da compensação reativa, os bancos de capacitores também ser ligados em série com o sistema a fim de melhorar o sistema. Seja o equivalente de um sistema abaixo:

Sabemos que, para duas barras conectadas por uma impedância, a potência é dada por:

Logo, para termos uma maior transferência de potência, devemos minizar a impedância entre as linhas. Como essa é constituída principalmente de indutâncias, podemos fazer isso inserindo um banco de capacitores em série.

Construção

Os bancos de capacitores são formados por um conjunto de unidades capacitivas, chamadas de latas ou células.Cada célula é formada por um conjunto de capacitores individuais. Estes, por sua vez, são formados por eletrodos de alumínio ou zinco, filme de polipropileno impregnado em óleo. O filme mais usado na atualidade é o polipropileno metalizado, devido à sua capacidade de formar lâminas bastante finas.

Lata ou célula

Modelo esquemático de uma célula

A célula também é composta por um resistor interno de descarga, que tem como papel absorver a energia armazenada pelos capacitores, quando esses são desligados e, dessa forma, reduzir a tensão nominal do sistema até 50V ou menos, por um tempo de normalmente 5 minutos. Possui resistência elevada, da ordem de Megaohms.

Para fins de proteção das células, unidades capacitivas podem possuir fusíveis internos ou externos, com uma série de vantagens e desvantagens. A tendência nos dias atuais é a utilização de fusíveis internos, devido a fatores como:

- A unidade continua operando mesmo se um capacitor individual for danificado(embora os demais sejam sobrecarregados, o que pode diminuir a vida útil da célula.

- Fusíveis internos são usados de forma a limitar a potência reativa numa unidade capacitiva em paralelo, a fim de evitar explosões.

- Atenuação da instalação de latas com um kVAr menor.

Fusíveis externos apresentam como grande vantagem a fácil visualização de defeito e fácil manutenção(troca dos fusíveis).

Os bancos de capacitores geralmente são ligados fazendo ligações em série e em paralelo das unidades(embora possa-se usar transformadores para abaixar a tensão, a prática mais usada é a primeira).

Dispositivo de segurança

Além dos fusíveis, alguns capacitores possuem um dispositivo interno que interrompe a corrente elétrica em caso de sobrecarga ou sobrepressões internas ao capacitor. Com o aumento de correntes, aumenta-se a temperatura e a pressão no interior do capacitor, provocando sua expansão. Essa expansão interrompe a circulação de corrente no capacitor. O esquema está mostrado abaixo:

Ligação de Bancos

Os bancos podem ser ligados em estrela(simples ou dupla, aterrado ou não) ou em triângulo(simples ou dupla)

1) Estrela aterrada 2) Estrela Isolada 3) Triângulo

Dupla estrela aterrada

Duplo delta ou duplo triângulo

Os bancos em triângulo são empregados, por razões econômicas, a tensões iguais ou inferiores a 2400V. Além disso, funcionam como um filtro natural do terceiro harmônico(já que essas correntes harmônicas circulam entre o delta,anulando-se entre si), além de um banco em delta funcionar normalmente caso uma das células seja eliminada. Para tensões maiores, deve ser usar ligação em estrela. Esta pode ser aterrada ou não, onde cada uma apresenta uma série de vantagens e desvantagens

Ligação

Estrela-aterrada

Estrela isolada

Vantagens

- Auto-protegidos contra surtos atmosféricos(não há necessidade de pára-raios adicionais)

- Podem ser usados como filtro de harmônicos(caminho de escoamento de baixa impedância para correntes de altas freqüências)

- TTR nos disjuntores e fusíveis relativamente baixa

-Não provocam interferências nos circuitos de comunicação

- Não há tanta preocupação com a proteção nos secundários do TC

Desvantagens

- Aumenta a interferência em circuitos de comunicação, devido às correntes de alta freqüência para a terra.

- Queima de fusíveis, sistemas de proteção e danificação das latas devido às altas correntes harmônicas

- Obrigatória a instalação de reatores em série e/ou limitadores de tensão nos secundários dos TCs, a fim de diminuir o produto módulo x freqüência de descargas dos bancos para curto-circuitos

- Dificuldade para o isolamento do neutro em tensões acima de 15kV

- Encarecimento do disjuntor ou seccionador devido à TTR nos equipamentos de manobra do banco

Em sistemas de potência, geralmente é preferida a ligação em estrela-aterrada.

Fenômenos transitórios

Os bancos de capacitores podem ter sua vida útil e funcionalidade diminuída, quando submetidos a certos fenômenos transitórios.

A figura acima mostra a corrente quando ocorre a energização de um banco de capacitores. Nesse fenômeno ilustrado, a corrente transitória é de cerca de 18 vezes a corrente nominal.

A tensão de um banco de capacitores durante a energização é ilustrada na figura acima. Vemos uma sobretensão de, aproximadamente, 1,8pu.

A figura acima mostra a corrente num banco de capacitores de 162,5 Mvar,345kV, quando ocorre um curto-circuito próximo a ele.

Componentes harmônicas

Constituem geradores de harmônicos num sistema de potência: transformadores, retificadores, etc. Os harmônicos devem ser evitados, já que em altas freqüências a corrente que circula nos capacitores aumenta devido à baixa impedância . Para evitar os harmônicos, deve-se desligar os bancos de capacitores quando não forem necessários(diminuindo, assim, as sobretensões no sistema), distribuir os bancos ao longo do sistema(evitando o acúmulo de reativos num ponto só), além de utilizar filtros.

Devido aos efeitos dos harmônicos, é comum para o cálculo da corrente nominal dos equipamentos do vão do banco de capacitores usar o fator de 1,25 e 1,35 vezes a corrente nominal para os bancos não aterrados e aterrados, respectivamente.

Proteção de bancos de capacitores

Surtos de tensão: usam-se resistores de pré-inserção e pára-raios de óxido de zinco.

Sobrecorrentes: fusíveis, ordenação adequada dos capacitores em ligação série/paralelo, utilização de resistores de pré-inserção do disjuntor de manobra do banco.

Sobretensões permanentes nos capacitores: inspeção periódicas nos fusíveis(em caso de fusíveis externos), sensores de desbalanço de neutro, relés diferenciais de tensão para bancos com estrela aterrada.

Alguns esquemas de proteção para bancos ligados em estrela aterrada

Análise quantitativa de capacitores em Alta Tensão e Extra Alta Tensão

Potência

A potência de um capacitor trifásico pode ser calculada pela seguinte equação:

Onde são as capacitâncias monofásicas medidas, f é a freqüência, é a tensão nominal e Q a potência em kvar.

A potência varia com a temperatura. Essa variação é dada pela curva abaixo:

Perdas no dielétrico

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