Média Tensão Para Electricistas

Média Tensão Para Electricistas

(Parte 1 de 9)

ELECTRICIDADE – MÉDIA TENSÃO Página 1 - 95

consequênciasPAG 3
comando protecção e manobraPAG 3
Normas e procedimentos…..........................................................................PAG 4
CAPITULO 4 - MANOBRAS EM MÉDIA TENSÃO …PAG 62
(Constituição e manobras ) …PAG 6
CAPÍTULO 6 - COMUTAÇÃO REDE GERADOR DE EMERGÊNCIAPAG 80
CAPÍTULO 7 - HSST Equipamentos de protecção individual e colectivaPAG 82
CAPÍTULO 8 - ANEXOS…...........................PAG 93

CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO Conceitos de Sistemas de Medida, Electricidade, Energia e Potência, C e CA, Medidas Eléctricas em CA; Equipamentos de medida ; Qualidade da energia eléctrica – perturbações que afectam a qualidade da energia eléctrica ; o arco eléctrico; prevenção e extinção do arco; agentes extintores; perigos e CAPÍTULO 2 - FUNDAMENTOS DE MÉDIA TENSÃO Fundamentos de MT; Constituição de um de um PT ; equipamentos de CAPITULO 3 - RESPONSABILIDADES CAPITULO 5 - QUADRO GERAL DE BAIXA TENSÃO Formador: António Subida

CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO

No mundo actual, a grande maioria das aplicações que dependem de electricidade são alimentadas por corrente alternada. Existem fortes motivos para que isto aconteça: •a geração de grandes quantidades de energia é mais económica em CA do que em C; de facto todas as grandes centrais eléctricas produzem tensões CA, ficando as fontes de C para aplicações especiais ou que envolvam a necessidade de portabilidade; •pela mesma razão antes exposta, a alimentação por CA é encontrada em qualquer instalação eléctrica residencial, comercial ou industrial; •a transformação de CA em C (rectificação) é simples, barata e eficiente; a transformação inversa

(C em CA, chamada inversão) já é mais elaborada e tem maior custo; •os motores alimentados por CA são mais baratos e são usados em praticamente todas as aplicações de força-motriz; •a alimentação em CA permite o uso de transformadores, com os quais se podem alterar níveis de tensão ou corrente para quaisquer valores.

Via de regra, o uso de C está restrito a operações específicas (como a electrólise), à alimentação de motores de C ou a situações onde a portabilidade da fonte é exigida (como no caso de veículos auto-motrizes). Porém o uso de CA traz um problema inexistente em C: o surgimento dos fenómenos da indutância e da capacidade, os quais podem produzir perdas em algumas situações, como nas linhas de transmissão de energia.

As grandezas CA são funções cíclicas, isto é suas formas de onda se repetem periodicamente. Denomina-se período (T) ao tempo que a função demora para se repetir e frequência (f) ao número de ciclos repetidos ao longo de um período. Então T*f = 1 (eq.1)

O período é expresso em segundos (s), enquanto a frequência é medida em Hertz (Hz).

Como as sinusoides completam um ângulo igual a 2π radianos (360o) num período, a velocidade angular é dada por fTppw = 2 = 2 (eq.2)

Figura 5.1 – Geração de funções sinusoidais a partir de vetores: (a) função seno original; (b) função seno adiantada de θ graus em relação à original.

A Figura 5.1a mostra uma sinusoide gerada a partir da rotação de um vetor centrado na origem de um sistema de eixos coordenados. A cada ângulo descrito pelo vetor, relativamente ao eixo x, há uma correspondente projeção sobre o eixo y, de maneira que se tem, na curva a direita, pontos com coordenadas (x;y).

Na Figura 5.1b, o vetor “parte” com um ângulo inicial θ e a curva resultante assemelha-se à função seno original “puxada” para a esquerda. Na comparação entre a função gerada pelo vetor e a sinusoide original (trace- jada na figura) diz-se que a primeira está adiantada de θ em relação à segunda, eis que eventos semelhantes (por exemplo, o instante em que cada uma delas atinge o valor de pico) acontecem antes com ela.

Grandezas de CA, como as mostradas na Figura 5.1, são chamadas funções sinusoidais, pois têm formas de onda semelhantes a sinusoides; são perfeitamente descritas pela equação onde: A = amplitude, também chamado valor de pico, que corresponde ao maior valor alcançado pela função ao londo do período; sua unidade é a mesma da grandeza representada (V, A ou W); ω = velocidade angular, dada em radianos por segundo (rad/s), que expressa a velocidade com que os ciclos se repetem; θ = ângulo de fase (dado em graus decimais, o), o qual determina o deslocamento da forma de onda em relação à função seno "original". (a) (b) 30 Os instrumentos de medida de correntes e tensões CA usualmente trabalham com o chamado valor eficaz (ou rms) dessas funções, o qual é um valor fixo e igual a Valor eficaz = 2A (5.4) tendo as mesmas unidades da função original.

Exemplo 5.1 – O gráfico da Figura 5.2 mostra a tensão u e a corrente i associadas a uma carga. Determinar: (a) a frequência de cada uma das grandezas; (b) o valor eficaz de cada uma delas; (b) o ângulo de defasagem da corrente em relação à tensão.

Figura 5.2 – Exemplo 5.1

Solução (a) Na escala de tempo (eixo horizontal) da Figura 5.2, cada quadrícula corresponde a 0,5 µs. Não se pode ver o período completo de qualquer das funções, porém ½ período (de qualquer delas) equivale a 6 quadrículas, logo T = 2 × 6 × 0,5 =

6 µs e a frequência ( Equação 5.1) é 166,67 kHz 6 10 f 1 6 =

(b) No eixo vertical, cada quadrícula equivale a 5 unidades (V ou A), logo a tensão de pico é upico = 20 V e a corrente de pico é ipico = 12,5 A. Os valores eficazes são dados pela Equação 5.4: 14,14 V 2

U 20 ef = = e 8,84 A 2

I 12,5 ef = = .

(c) Os ângulos podem ser contados no eixo horizontal. Lembrando um ciclo completo da sinusoide vale 360o, vê-se que ½ ciclo (180o) corresponde a 6 quadrículas horizontais, portanto cada uma delas vale 180o/6 = 30o. Se forem tomados dois eventos semelhantes - por exemplo, o instante correspondente ao 31 valor de pico - vê-se na Figura 5.2 que a corrente atinge seu pico 2 quadrículas após a tensão; portanto, a corrente está atrasada de 60o em relação à tensão.

É importante entender o que acontece com os elementos básicos quando submetidos à excitações CA. Resistências não sofrem outra influência que não a de sua própria resistência, isto é, a oposição à passagem de corrente. Nos Resistências, a corrente e a tensão sempre estão em fase (Figura 5.2a) Porém indutores e condensadores “sentem” a variação temporal da corrente e a defasam em relação à tensão: condensadores adiantam a corrente em 90o, enquanto que indutores a atrasam pelo mesmo ângulo (Figuras 5.2b e c). Este comportamento deve-se à própria natureza desses elementos, cujo funcionamento exige o fornecimento de energia para formação de campos elétricos ou magnéticos, sem a realização de trabalho útil .

Figura 5.3 – Formas de onda de tensão U e corrente I, em CA, para os elementos básicos dos circuitos: (a) Resistências; (b) condensadores; (c) indutores.

Devido a esta “reação” de condensadores e indutores à passagem de CA, estes elementos são ditos reativos e caracterizados por uma reatância, medida em ohms (Ω): • reatância capacitiva:

C fC

• reatância indutiva: X L fL L = ω = 2pi (eq.5.6)

Conforme visto anteriormente, os equipamentos e dispositivos práticos podem ser analisados a partir de modelos que incorporam resistências, indutores e condensadores. Quando excitados por CA esses equipamentos produzem dois efeitos: a) causam oposição à passagem das correntes, por causa de sua resistência; b) produzem defasagem da corrente em relação à tensão, em razão de sua reatância. Como não existem indutores ou condensadores ideais, na prática o ângulo de defasagem da corrente em relação à tensão (chamado j) sempre será menor que 90o, em atraso (cargas indutivas) ou em avanço(cargas capacitivas). A impedância de um dispositivo é uma grandeza que agrega esses dois aspectos, incorporando a resistência R e a reatância X. Diz-se que esses "ingredientes" da impedância estão "em quadratura", isto é dispostos em ângulo reto, de modo que a impedância pode ser representada por um triângulo retângulo desenhado para baixo (cargas indutivas) ou para cima (cargas capacitivas), conforme se mostra Figura 5.4.

Figura 5.4 – Representação de impedância: (a) carga com característica indutiva; (b) carga com característica capacitiva.

A impedância de uma carga é caracterizada por dois parâmetros: · módulo, dado por Z = R2 + X2 (eq. 5.7) independente da característica (indutiva ou capacitiva) desta carga e é expresso em ohms (W). Este módulo representa a relação entre os valores eficazes da tensão (Uef) e da corrente (Ief), isto é ef ef

· ângulo, calculado pela expressão R ϕ = tan−1 X (5.9) sendo dado em graus decimais (o). Este ângulo representa a defasagem entre a tensão u e a corrente i no elemento, ou seja ϕ= âng u – âng i (5.10) e será positivo no caso de carga com característica indutiva; se a carga tiver característica capacitiva o ângulo será negativo. Nas situações práticas, a maioria das cargas tem característica indutiva: é o caso de motores de indução, aparelhos de solda eléctrica, lâmpadas fluorescentes e muitas outras. As cargas com característica capacitiva são mais raras, como o caso de motores síncronos sobre-excitados, mas o uso de condensadores em instalações industriais é muito comum, já que compensam o atraso das outras cargas (indutivas) promovendo o avanço da corrente em relação à tensão.

POTÊNCIA EM CA Quando uma tensão alternada u U sen t pico = ω onde Upico é sua amplitude, é aplicada a uma carga, a corrente que circula será dada por I = I sen(ωt −ϕ) p sendo Ip a corrente de pico. A potência instantânea p, calculada através da Equação 1.4 é sen(2 t ) 2 U I cos

p U I = × = p p ϕ + p p ω + ϕ (eq.5.1) e resulta numa curva semelhante à mostrada na Figura 5.5

Figura 5.5 – Curvas de tensão (U), corrente (I) e potência instantânea (Pinst) em uma impedância Z = | Z|∠φ.

O significado desta curva é importante: ela mostra que a carga absorve a potência fornecida pela fonte de alimentação (a potência positiva, indicada pelo sinal + 34 na Figura 5.3) durante certo intervalo de tempo; a seguir, parte dessa potência é fornecida pela carga, ou seja, é devolvida a fonte (potência negativa). A potência fornecida pela fonte é “usada” pela carga de 2 formas distintas: · uma parte é transformada em trabalho útil (como o aquecimento de um resistor ou a rotação de um motor) · outra parte é utilizada para a formação de campos elétricos e/ou magnéticos relacionados aos elementos reativos da carga; como não é transformada em trabalho útil e é devolvida a fonte (intervalo – na Figura 5.3). A potência média P é dada pela integral da Equação 5.1 e resulta em

P =UI cosϕ (5.12) onde U e I são valores eficazes de tensão e de corrente, respectivamente. Esta é a potência ativa (também chamada real), capaz de realizar trabalho útil; sua unidade é o Watt (W). A energia relativa a esta potência é registrada nos medidores de energia (em kWh) existentes nas instalações e constitui-se na base para o cálculo da “conta de luz” paga mensalmente. A potência reativa (Q) – aquela usada apenas para a formação de campos elétricos ou magnéticos nos elementos reativos – é dada por e sua unidade é o Volt-Ampère reativo (VAr). A energia relativa a esta potência não é computada nos medidores de kWh, de forma que não pode se cobrada (pelo menos diretamente) pela concessionária. Denomina-se potência aparente (S) àquela que engloba as duas anteriores, sendo dada por

S = P2 + Q2 (eq. 5.14) e tendo por unidade o Volt-Ampère (VA).

Então S = (UIcosϕ)2 + (UIsenϕ)2 = (UI)2 (cos2 ϕ + sen2ϕ) ∴S = UI (eq.5.15)

A potência aparente é usada para especificações de fontes (transformadores e geradores), pois permite determinar a corrente máxima para determinada tensão de fornecimento. As expressões 5.12 até 5.14 lembram relações trigonométricas de triângulo retângulo. De fato, se P e Q forem tomados como catetos, S será a hipotenusa. A Figura 5.6 mostra como seriam os triângulos de potências de uma carga com característica, respectivamente, indutiva, capacitiva e puramente resistiva.

Figura 5.6 – Triângulo de potências de carga: (a) indutiva; (b) capacitiva; (c) resistiva.

Pode-se entender melhor o significado de cada potência examinando o esquema mostrado na Figura 5.7. A fonte fornece às cargas a potência aparente S; uma parte desta é transformada em potência ativa P (como o calor gerado por um aquecedor elétrico ou o conjugado desenvolvido por um motor assíncrono) e a outra, correspondente à potência reativa Q, é utilizada na formação de campos magnéticos (cargas indutivas) ou elétricos (cargas capacitivas). Como não é transformada em energia consumida, esta potência reativa é devolvida à fonte durante o restante do ciclo1. A potência aparente S corresponde a soma “vetorial” de P e Q (Equação 5.14). Vê-se que uma parcela de potência (P) é efetivamente utilizada e a outra (Q) fica “viajando” da fonte (transformador) para a carga (motor) e vice-versa. A energia reativa não é registrada nos medidores comuns de kWh, de modo que não aparece nas “contas de luz” – a menos que as concessionária de energia eléctrica utilizem um medidor específico para tal.

Figura 5.7 – Fluxo de potência entre fonte e cargas. Numa instalação eléctrica podem-se encontrar todos os tipos de carga. As potências ativa e reativa totais são dadas por =∑ T i P P (5.16) e =∑ −∑ T i ind i cap Q Q (eq.5.17) onde Pi , Qi ind e Qi cap significam, respectivamente, os KW, kVAr indutivos e kVAr capacitivos de cada uma das cargas que compõe a instalação.

É importante notar que a potência aparente total não pode ser obtida pela soma das potências aparentes individuais. Ela deve ser calculada usando-se a Equação 5.15. 1 Transporte este raciocínio para a curva de potência da Figura 6.5.

O factor de potência (FP) de uma carga é igual ao cosseno do ângulo de defasagem (ϕ) entre a tensão e a corrente associadas a esta carga. Assim FP = cosϕ (eq.5.18) sendo uma grandeza adimensional com valor 0 £ FP £ 1. Considerando as Equações 5.12 e 5.15 acha-se S FP = P (5.19) e pode-se interpretar o FP como sendo um rendimento: o percentual de potência aparente S que é transformado em potência ativa P. Então, quanto menor for o FP, maior será a quantidade de energia reativa Q que fica circulando entre a carga e a fonte sem produzir trabalho útil. Por este motivo, a legislação estabelece que uma instalação com FP inferior ao de referência 2 deve ser sobre taxada. Cargas com características indutivas têm FP em atraso (porque a corrente está atrasada em relação à tensão) e compreendem a maior parte dos equipamentos usados em instalações, como motores assíncronos, reatores de lâmpadas de descarga e aparelhos de solda eléctrica; cargas capacitivas, como motores síncronos sobre-excitados e bancos de condensadores, têm FP em avanço, porém não são encontradas com a mesma frequência que as indutivas. Por fim, as cargas puramente resistivas (como aquecedores resistivos, lâmpadas incandescentes e chuveiros eléctricos) têm FP unitário. Alguns factores que causam baixo factor de potência em instalações eléctricas são: • motores de indução operando a vazio (sem carga acoplada ao eixo);

• motores com potência nominal muito superior à necessária para o accionamento da carga;

• transformadores operando a vazio ou com pouca carga;

• fornos a arco ou de indução magnética;

• máquinas de solda eléctrica;

• reactores de lâmpadas de descarga (fluorescentes, vapor de sódio, etc.) com baixo FP;

• níveis de tensão superior à nominal, provocando um aumento da potência reativa. Entre as consequências de baixos valores de FP das instalações podem-se citar: • acréscimo nas contas de energia eléctrica;

• correntes mais elevadas, já que, para uma potência nominal P e tensão de alimentação U fixadas, a corrente é inversamente proporcional ao FP (Equação 5.12); • necessidade de condutores com bitolas maiores;

(Parte 1 de 9)

Comentários