Efeitos do curto-circuitos

Efeitos do curto-circuitos

(Parte 1 de 2)

Programa de Formação Técnica Continuada

Os Efeitos dos Curtos-Circuitos

1. Introdu‹o2
2.As causas dos curtos-circuitos2
3. Os efeitos mec‰nicos3
4.O dimensionamento dos barramentos3
5. Os contatos5
6. Os transformadores6
7. O efeito tŽrmico6
8. Dispositivos de prote‹o7
8.1 Generalidades7
8.2 Valores nominais7

Œndice

curtos-circuitos na baixa tens‹o8

9.C lculo das correntes de

do transformador8
9.1.1 Caso de um œnico transformador8

9.1 Corrente nos terminais secund rios

em paralelo em um barramento8

9.1.2 Caso de v rios transformadores

um ponto qualquer da instala‹o8
9.2.1 MŽtodo de c‡lculo de ZT8

9.2 Corrente de curto-circuito trif sico em

rede de alta tens‹o (AT)9
9.2.3 Imped‰ncia dos transformadores8
9.2.4 Disjuntores9
9.2.5 Barramentos9
9.2.6 Condutores dos circuitos9
9.2.7 Motores9

9.2.2 Determina o da imped ncia da 9.2.8 Curtos de alta resist ncia....................9

Um curto-circuito uma liga o de baixa imped ncia entre dois pontos a potenciais diferentes. Essa liga o pode ser met lica quando se diz que h um curto-circuito franco ou por um arco el trico, que a situa o mais comum; uma situa o intermedi ria a dos curtos causados por galhos de rvores ou outros objetos que caem sobre as linhas. H nesse instante uma r pida eleva o da corrente atingindo valores, em geral, superiores a 10 vezes a corrente nominal do circuito.

Em alguns casos, como em circuitos de distribui o longos, a corrente de curto-circuito pode ser da ordem da corrente de carga, o que exige t cnicas especiais para sua identifica o (s o os chamados curtos-circuitos de alta imped ncia).

Com a eleva o da corrente, surgem esfor os mec nicos entre os condutores ou entre componentes dos equipamentos (s o os chamados efeitos mec nicos) e aquecimentos dos condutores ou das partes condutoras dos equipamentos (s o os chamados efeitos t rmicos).

No caso dos curtos-circuitos atrav s de arcos el tricos podem ocorrer ainda explos es e inc ndios. Se n o houver uma pronta atua o da prote o, os outros curtoscircuitos tamb m podem dar origem a inc ndios e explos es (que s vezes s o denominados efeitos explosivos).

Vamos nos restringir aqui aos efeitos t rmicos e mec nicos.

Como regra geral de prote o nas m dias e altas tens es, considera-se que os efeitos mec nicos devem ser suportados pelos equipamentos e faz-se a prote o contra os efeitos t rmicos.

Para as baixas tens es (em alguns casos tamb m para as m dias tens es) foram desenvolvidos equipamentos de prote o limitadores (que cortam a corrente de curto antes de ela atingir o primeiro valor de crista) que conseguem proteger tamb m contra os efeitos mec nicos.

Os barramentos, condutores e equipamentos das instala es el tricas e seus sistemas de prote o precisam ser dimensionados levando-se em conta os maiores valores das correntes de curto circuito que podem ocorrer em cada parte do circuito.

Sempre que houver aumento da capacidade geradora, os c lculos precisam ser refeitos. Em alguns casos poss vel, economicamente, ao inv s de redimensionar os equipamentos e barramentos, introduzir reatores que limitam a corrente de curto-circuito deixando-a no valor anterior. Esse artif cio usado geralmente pelas concession rias que instalam reatores de n cleo de ar na sa da das subesta es (SE) sempre que h aumento da capacidade de gera o ou interliga o com outros sistemas de gera o.

No instante do curto-circuito a corrente sobe rapidamente atingindo o valor de crista e vai em seguida diminuindo exponencialmente, passando pelos valores sub-transit rio e transit rio para atingir, depois de v rios ciclos, o valor permanente de curto-circuito.

Neste instante come a a ser mais importante o efeito t rmico: os condutores ou partes condutoras dos equipamentos t m suas temperaturas aumentadas podendo sofrer altera es na sua estrutura ou deteriora o de sua isola o, conforme o caso. Os valores das correntes ser o determinados pela f.e.m. dos geradores e pelas imped ncias (principalmente as reat ncias dos condutores e equipamentos) entre os geradores e o ponto de curto. Os motores que passam a funcionar como geradores contribuem para aumentar a corrente e os transformadores, reatores e condutores para reduz -la.

Conv m frisar que o valor da corrente de curto-circuito n o depende das cargas de uma instala o mas somente da fonte, sendo poss vel que uma ind stria de pequeno porte instalada pr ximo a uma grande SE (subesta o) ou usina, necessite de disjuntores de maior capacidade de interrup o que uma ind stria de maior porte, situada a maior dist ncia da SE.

2.As causas dos curtos-circuitos

Os curtos-circuitos s o causados por uma falha da isola o s lida, l quida ou gasosa que sustenta a tens o entre condutores ou entre condutores e terra; pode ser tamb m causada por uma redu o da dist ncia entre os condutores (ou entre condutores e terra).

A falha da isola o, por sua vez, pode ser motivada por:

n danos mec nicos - quebra de isoladores, quebra de suportes, queda de poste, etc., n uso abusivo - exigindo de um equipamento pot ncia maior que a nominal provoca-se uma deteriora o mais ou menos r pida da isola o que trabalhar a uma temperatura mais alta que a de projeto,

n umidade - isolantes porosos (org nicos e inorg nicos) apresentam uma redu o r pida da sua rigidez quando absorvem umidade ( o caso do leo, do papel, da fenolite, da porcelana porosa usada em baixa tens o, do papel o, etc.)

n descargas parciais - as isola es s lidas sempre apresentam alguns vazios no seu interior. Sob a o do campo el trico surgem nesses vazios descargas que por v rios mecanismos (eros o, corros o, arvorejamento) v o mais ou menos lentamente reduzindo a rigidez diel trica at sua perfura o (o tempo pode ser de dias, semanas, meses ou anos), n sobretens es - dois tipos de sobretens es podem levar a uma perfura o da isola o: as de manobra (ou internas), que ocorrem quando se efetua um desligamento (volunt rio ou provocado) ou um ligamento de um circuito, e as atmosf ricas que surgem nos condutores de um circuito (em baixa, m dia ou alta tens o) quando cai um raio nas proximidades ou diretamente nas linhas do circuito.

3.Os efeitos mec nicos

S o dois os princ pios que regem os efeitos mec nicos que interessam ao dimensionamento de barramentos e equipamentos:

1. Condutores paralelos imersos em campo magn tico e percorridos por correntes ficam submetidos a for as diretamente proporcionais ao produto das correntes e inversamente proporcionais dist ncia entre eles.

Se for a mesma corrente que passa pelo condutores de ida e retorno da corrente a for a ser proporcional ao quadrado da corrente.

2. No ponto de contato entre dois condutores em que haja mudan a na dire o do percurso da corrente, surge uma for a de repuls o que tende a afastar as duas pe as e que proporcional intensidade da corrente e inversamente proporcional dist ncia entre eles.

4.O dimensionamento dos barramentos

Para o dimensionamento dos barramentos das subesta es e escolha dos isoladores que os suportem, os projetistas utilizam-se da rela o (1):

mkg d

Onde I o valor eficaz da componente alternada inicial; d a dist ncia entre os condutores em metros; k o fator de forma; kÕ uma constante vari vel com a rela o entre reat ncia e resist ncia do circuito.

Os valores usuais das constantes, neste c lculo, s o indicados a seguir:

Para k usa-se o valor k = 1, para cabos, dutos, barras redondas ou quadradas dispostos como condutores singelos, assim como para condutores retangulares com dist ncia grande em rela o s dimens es, tamb m como condutores singelos. Quando as dist ncias n o s o grandes, pode-se utilizar bacos que se aplicam tamb m para condutores m ltiplos.

Dois tipos de for a devem ser considerados nos c lculos para condutores m ltiplos: for as de atra o entre condutores de uma mesma fase, que s o elevadas pela pequena dist ncia e for as de repuls o entre os conjuntos de condutores de uma e outra fase.

No primeiro caso, os condutores mais solicitados s o os das fases externas porque a for a de atra o n o sofre compensa o como nas fases internas.

O valor da for a calculado considerando-se a corrente dividida pelo n mero de condutores e aplicando-se a rela o (1).

Os valores de kÕ s o: 8 - quando se requer o dimensionamento com valores folgados;

9,9 - (o m ximo valor poss vel) s se aplica a barramentos de geradores de pot ncia muito elevada;

6,5 - para circuitos alimentados por transformadores de grande pot ncia;

4 - para circuitos alimentados por transformadores de baixa e m dia pot ncia;

5,1 - para circuitos de baixa tens o.

Conhecida a for a, o dimensionamento da se o do condutor poder ser feito atrav s de dois crit rios.

No primeiro caso, o material dever trabalhar no regime el stico, em que n o h deforma o permanente; no segundo, o material poder trabalhar no regime pl stico, permitindo-se uma pequena deforma o permanente que, por raz es est ticas, n o deve ser percept vel a olho nu — essa deforma o dever ser de, no m ximo, 0,2%.

Existem bacos (vide anexo) que permitem um c lculo r pido da for a, do m dulo da se o da barra a ser utilizada e da dist ncia entre os suportes isolantes do barramento. Com o aux lio de uma tabela pode-se determinar a se o de condutor mais indicada para o caso em vista.

O m todo a ser seguido pode ser dividido em duas etapas.

Em primeiro lugar, unem-se os pontos que representam a corrente (reta I) e a dist ncia entre os barramento (reta d), determinando-se a for a m xima na reta W. Depois, girando-se a r gua em torno desse ponto determinam-se dois valores de S (m dulo da se o) e de L (dist ncia entre os suportes) que satisfazem s condi es.

S o muitas as solu es poss veis, pois, diminuindo a dist ncia entre os isoladores, pode-se diminuir a resist ncia mec nica da barra o que pode ser mais econ mico do que usar uma barra mais resistente.

importante frisar que, quando se fala em barra mais ou menos resistente estamos falando no m dulo de resist ncia e n o nas dimens es da barra.

Exemplificando: uma barra retangular com o lado maior na posi o horizontal ter muito mais resist ncia a esfor os horizontais do que a mesma barra instalada com o lado maior na posi o vertical.

poss vel, quando se tem circuitos m ltiplos em barramentos pr -fabricados, fazer uma distribui o das barras de modo a reduzir os esfor os, como feito, por exemplo, nos CANALIS.

Quando se tem tr s circuitos no mesmo inv lucro, instalando-os todos em paralelo, as for as ser o como mostradas a seguir.

que a mais solicitada (juntamente com a 3 ) ser , para um curto-circuito envolvendo as fases 1 e 2, a somat ria das for as de atra o (consideradas positivas) entre as barras Ò1Ó dos tr s circuitos e as de repuls o

(consideradas negativas) entre a barra 1 e as barras 2 dos tr s circuitos. Como as correntes s o as mesmas, as for as ser o determinadas pelas dist ncias entre as barras nos diversos casos.

Outra disposi o tamb m usadas em barramentos pr - montados indicada abaixo (para dois circuitos):

Neste caso, para um curto envolvendo as fases 1 e 2, teremos nas barras superiores for as de atra o entre as duas barras 1 e de repuls o entre a barra 2 e as outras duas barras 1. N o haver for as horizontais entre as barras superiores e as inferiores. uma disposi o favor vel ao dimensionamento mec nico mas apresenta dificuldades para deriva es.

At aqui, as for as foram consideradas constantes em rela o ao tempo, o que na realidade n o acontece, pois a for a, variando com o quadrado da corrente, ter uma freq ncia dupla da mesma. No Brasil, adota-se a freq ncia de 60 Hz. Tem-se, assim, atuando nos barramentos uma for a com freq ncia de 120 Hz, sendo que o valor da corrente instant nea de curto-circuito e o valor da for a dependem, com visto acima, do instante em que o curto ocorre. As for as s o sempre perpendiculares aos condutores e s linhas de fluxo, fator que deve ser levado em considera o quando o sistema de condutores tridimensional.

A norma alem VDE-0103 fornece uma curva que pode ser usada para verifica o do comportamento da barra com rela o freq ncia natural do barramento e a freq ncia da corrente. No eixo das abscissas temos a rela o entre a freq ncia natural do barramento e a freq ncia da corrente; nas ordenadas, o fator pelo qual a for a que atua sobre a barra precisa ser multiplicada para a obten o da for a no suporte, ou na pr pria barra.

Hoje existem programas muito r pidos que funcionam em PCÕs e que s o utilizados no projeto mec nico das subesta es de transmiss o e na verifica o de subesta es alimentadas por novos circuitos, cujo dimensionamento precisa ser revisto.

5.Os contatos

A constru o de contatos nos equipamentos de manobra — como secionadores e disjuntores — deve ser cuidadosamente estudada.

Um contato el trico deficiente pode ser destru do pelo arco el trico como conseq ncia imediata da soldagem dos contatos.

Os tipos de contato mais indicados pela sua resist ncia s o os adin micos — que se utilizam da for a para aumentar a press o — e os contatos de tulipa, que dividem a corrente em v rios percursos (os dedos dos contatos) dispostos simetricamente em torno da haste (veja cap tulo interrup es das correntes).

Nos secionadores unipolares, o dimensionamento em fun o da corrente instant nea faz com que unidades de mesma tens o e corrente nominais mostrem as partes condutoras e os isoladores suporte muito diferentes, em correspond ncia s diversas capacidades de suportar os curtos circuitos.

Os secionadores t m, ainda, um sistema de travamento que impede a abertura da faca — e, conseq entemente, a forma o de um arco el trico — quando o aparecimento da corrente for a-a no sentido da abertura.

Nos disjuntores de baixa tens o limitadores, (como os NS Compact) em que se deseja uma abertura r pida, podese usar um tipo de contato em que n o haja compensa o das for as e as pe as em contato fiquem livres para se mover pela a o da for a de repuls o que surge pela mudan a de dire o da corrente.

6. Os transformadores

Quanto aos transformadores, se o esfor o mec nico n o for suportado pela impregna o com resina e pela amarra o feita nas bobinas, haver condi es para um deslocamento das espiras, com prov vel rompimento da isola o. Poder surgir, ent o, novo curto-circuito, que destruir o transformador parcial ou totalmente.

Um curto-circuito externo — um arco provocado por um raio, por exemplo — que teria conseq ncias m nimas com a ado o de medidas preventivas como o uso de disjuntores r pidos e de prefer ncia limitadores, ganha propor es muito maiores. A interrup o de curta dura o (o tempo de desligamento + o de religamento) do fornecimento de energia transforma-se em dano de reparo mais demorado e custoso.

utilizada no c lculo mec nico dos transformadores a hip tese de que o equipamento alimentado por uma fonte de capacidade infinita (ou, o que o mesmo, imped ncia nula) no momento do curto-circuito, quando o valor de crista da corrente da corrente seria (2):

xExZ xxMVAx Icc

Onde:

Icc o valor de crista da corrente de curto-circuito em amp res; MVA a pot ncia aparente nominal; E a tens o nominal em kV; Z a imped ncia percentual.

7.O efeito t rmico

A corrente de curto-circuito provocar o aquecimento dos condutores percorridos, se n o for rapidamente suprimida por meio de equipamentos de atua o r pida de prote o.

Quando passam pelos condutores correntes de curta dura o (1 a 5 s), admite-se que o aquecimento adiab tico, isto , todo calor utilizado no aquecimento dos condutores.

O aquecimento dq de um condutor de resist ncia el trica R com massa M e capacidade t rmica C, percorrido por uma corrente de valor eficaz I durante um intervalo de tempo dt pode ser calculado pela express o:

MxC

Considerando um condutor de cobre de se o 100 m 2 e uma corrente de curto de 10.0 A passando por 1 s, o aquecimento ser de 57 °C e para 3 s ser 254 °C. J o condutor de alum nio com um tempo de 3 s teria um aquecimento de 890 °C.

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