artigo_dimensionamento_barramentos_2004

8/7/2019 artigo_dimensionamento_barramentos_2004

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SOFTWARE PARA VERIFICAO DO DIMENSIONAMENTO DE

BARRAMENTOS QUANTO A ESFOROS TRMICOS EMECNICOS DEVIDO A CORRENTE DE CURTO CIRCUITO

BACIUK, Fabiano Luiz, Graduando em Engenharia Eltrica, CEFET-PRCentro Federal de Educao Tecnolgica do Paran Av. Sete de Setembro, 3165, Curitiba/PR

mail: [email protected]

CORRA, Diego Augusto, Graduando em Engenharia Eltrica, CEFET-PRCentro Federal de Educao Tecnolgica do Paran Av. Sete de Setembro, 3165, Curitiba/PR


LEITE, Anderson Oliveira, Graduando em Engenharia Eltrica, CEFET-PRCentro Federal de Educao Tecnolgica do Paran Av. Sete de Setembro, 3165, Curitiba/PR


LORENON, Fbio, Graduando em Engenharia Eltrica, CEFET-PRCentro Federal de Educao Tecnolgica do Paran Av. Sete de Setembro, 3165, Curitiba/PR


WALENIA, Paulo Srgio, Engenheiro Eletricista, CEFET-PR, 1993

Centro Federal de Educao Tecnolgica do Paran Av. Sete de Setembro, 3165, Curitiba/PRTel. (41) 310-4626 - mail: [email protected]

1 RESUMOO presente trabalho tem por objetivo oferecer uma metodologia de clculo para verificao do

dimensionamento dos barramentos condutores que compe os conjuntos de manobra e controle, com relao aosesforos trmicos e dinmicos devido corrente de curto-circuito. Tal mtodo baseia-se nas informaes danorma IEC 865-1 (1993) e IEC 865-2 (1994). Devido complexidade e ao elevado nmero de clculos a seremrealizados, propomos uma soluo rpida e confivel atravs da elaborao de um software, a ser denominadoBusBarCalc, que apresenta, atravs de algoritmos concisos e detalhados, uma interface amigvel e atual paraas necessidades de vrios usurios potenciais. Finalmente visando validar tal software foram feitas comparaes

com ensaios realizados e clculos manuais executados conforme as normas tcnicas.

2 INTRODUOOs conjuntos de manobra e controle destinam-se a realizar a distribuio e medio de energia eltrica e

controlar uma srie de equipamentos eltricos entre outras funes. Para tanto, o mesmo provido de uma sriede dispositivos e acessrios os quais so alimentados e conectados por barramentos condutores de alumnio,ligas especiais e, mais comumente, cobre.

Estes barramentos quando percorridos por elevadas correntes de curto-circuito so solicitados por forasde origem eletromagnticas capazes de, caso o barramento no esteja corretamente dimensionado, oferecer riscosno s com relao instalao fsica dos conjuntos de manobra bem como oferecer riscos aos operadores quepor ventura estejam prximos ao equipamento. Em virtude destas possibilidades indesejveis necessrioconhecer no somente as propriedades fsicas e mecnicas dos materiais que so compostos os condutores, mas

tambm compreender os efeitos dinmicos e trmicos provocados pelas correntes de curto-circuito.Devido importncia de se conhecer estes efeitos, as normas estabelecem uma srie de ensaios quedevem ser aplicados aos conjuntos de manobra e controle para se verificar se estes atendem as mais severascondies de trabalho inclusive no que tange os fenmenos de curto-circuito. Estas normas estabelecem nosomente o valor e a durao da corrente de falta como tambm prev a anlise do comportamento dosequipamentos durante os ensaios e a verificao se houve ou no degradao dos barramentos condutores, seusapoios, isoladores e peas de conexo.

Alm dos efeitos trmicos e dinmicos j mencionados, existem outras caractersticas relacionadas aocomportamento ondulatrio das correntes de curto-circuito que podem determinar o valor de pico que as mesmaspodem atingir e que exigiro, conseqentemente, condies adequadas de suportabilidade no momento dodimensionamento das barras que sero responsveis pela conduo de corrente, pois interferem diretamente novalor da fora magntica entre os condutores principais e/ou subcondutores. Relacionados tambm com os tipos


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de barramentos, se compostos por uma ou mais barras por fase, existem ainda consideraes mecnicas quedevem ser levadas em conta para o dimensionamento, como, por exemplo, forma geomtrica do perfil das barras,tipo de vnculos de fixao dos condutores alm do comprimento e nmero de vos que compem o arranjo.

Por tais motivos, os esforos previstos nos barramentos condutores e seus apoios, na eventualidade deestarem sujeitos a um curto-circuito, devem ser calculados previamente.

Tendo em vista a falta no mercado de um aplicativo de interface amigvel e ao mesmo tempo gil comrelao a tais dimensionamentos, foi desenvolvido um software para verificao do dimensionamento debarramentos rgidos e isoladores quanto a esforos trmicos e mecnicos devido a corrente de curto circuito emcubculos e invlucros metlicos at 36,2kVac.

Para os fabricantes de cubculos, o software proposto pode servir como ferramenta para elaborao dememorial de clculo e tambm para o pr-dimensionamento de prottipos a serem ensaiados em simulaes decurto-circuito.

Dentro do segmento de fabricantes de componentes (isoladores, chapas isolantes, etc.) para painiseltricos, pode-se ainda desenvolver um trabalho de parceria junto aos mesmos para a utilizao deste software,j que este poder informar os esforos a que estariam sujeitos no s os barramentos condutores bem como seussuportes isoladores.

3 MTODODEPESQUISAEste trabalho possui um mtodo de abordagem dedutivo visto que se inicia atravs de conceitos j

estabelecidos e baseados nas normas IEC 865-1(1993) e IEC 865-2(1994) alm de bibliografias referentes aosaspectos eltricos e mecnicos condizentes ao objeto de estudo, procurando criar um elemento facilitador(software) para o processo de clculos e posterior verificao de dimensionamentos previamente realizados.

Como mtodos de procedimento, foram utilizados o monogrfico e o comparativo. O mtodo deprocedimento monogrfico est presente no desenvolvimento terico, pois se utilizando das tcnicas dedocumentao indireta, documental e bibliogrfica, iniciou-se o levantamento de dados atravs de literaturastcnicas, livros, internet, acervo tcnico de empresas, normas tcnicas brasileiras e internacionais, com o intuitode adquirir informaes para compreender o local de atuao dos fenmenos envolvidos e suas caractersticas,alm de definir os procedimentos e o seqencial de clculos necessrios para a estruturao do objeto final dopresente trabalho.

Nesta etapa, foram verificadas as definies dos conjuntos de manobra e controle conforme as normasNBR 6808 (1993) e NBR 6979 (1998), caractersticas eltricas e mecnicas dos barramentos condutores e osensaios aplicados aos mesmos. Para a melhor compreenso do trabalho, foram realizadas consideraes sobre osefeitos de origem eltrica, tratando-se especificamente do curto-circuito, alm de consideraes mecnicasdevido a forma de montagem dos barramentos nos conjuntos de manobra e controle. No trmino desta etapa,demonstra-se todo o embasamento para o dimensionamento de instalaes sujeitas a correntes elevadas,estabelecendo-se, aps o levantamento dos dados necessrios para a verificao dos dimensionamentos, toda a

seqncia para se desenvolver os clculos de fora entre fases condutoras devido corrente de curto-circuito,tenso mecnica nas fases condutoras, fora entre condutores de uma mesma fase devida corrente de curto-circuito, tenso mecnica em condutor de uma fase, tenses mecnicas mximas admissveis e fora nos suportesisoladores. Esta seqncia foi baseada nos mtodos conforme interpretao da norma IEC 865-1 (1993).

Na etapa de desenvolvimento e estruturao do software, o mtodo de procedimento comparativo tevemelhor adaptao, visto que houve a necessidade de exemplificar clculos conforme IEC 865-2 (1994), alm deanalisar quais dados devem ser pr-definidos pelo usurio e tratar, para a forma computacional, os dadoscaractersticos e empricos citados nas normas utilizadas como fontes de pesquisa.

Uma vez determinada a forma e seqncia de desenvolvimento dos clculos, determinou-se a estruturado programa atravs de algoritmos computacionais, representados em fluxogramas de blocos, para cada tipo declculo previsto. Desta forma foi possvel definir qual linguagem de programao melhor se adaptaria complexidade do algoritmo e a interface grfica.

Como existe uma grande tendncia em se utilizar linguagens de programao que possibilitemdesenvolvimentos orientados a objeto e proporcionem aplicaes em ambiente WEB, optou-se utilizar neste

projeto o programa Visual Studio.NET da Microsoft. Em funo disto chegou-se linguagem de programaoC#. Concluindo-se os procedimentos supra citados foi possvel ento implementar o software e finalmente otutorial deste.

Para a verificao do cumprimento do trabalho proposto, procurou-se basear as consideraes emfuno dos resultados obtidos por clculos manuais, os processados pelo software e os obtidos por ensaio.


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4 RESULTADOS

Como em todo software, para se obter um resultado esperado, necessrio primeiramente aliment-locom uma srie de dados em funo do objetivo a que se pretende chegar. Com relao ao software propostoneste trabalho, necessrio dividir esta alimentao de dados com relao a trs clculos distintos, sendo quedois deles calculam os esforos provenientes de origem dinmica e o terceiro apresenta a verificao de origemtrmica quanto ao curto-circuito especificado.

Os resultados relacionados aos clculos dinmicos podem ser obtidos de duas maneiras, atravs doclculo dinmico simplificado ou do clculo dinmico detalhado.

Para o clculo dinmico simplificado, o usurio deve inserir os seguintes parmetros de entrada: existncia ou no de religamentos; corrente inicial de curto-circuito simtrica trifsica (kA); fator de assimetria; nmero de barras por fase; direo de carregamento conforme disposio das barras; dimenses da barra (largura e espessura) (mm); distncia entre suportes isoladores (mm); distncia entre centros de condutores principais centrais (mm); distncia entre centros de subcondutores adjacentes (mm); nmero de vos; tipos de vnculos; tenso mecnica de ruptura mnima e mxima (estes dados podem ser inseridos

manualmente ou obtidos atravs da seleo do material do barramento conforme banco de

dados do prprio software) (N/mm2).

Para o clculo dinmico detalhado, o usurio deve inserir, alm dos mesmos dados para o clculosimplificado, os seguintes parmetros de entrada:

nmero de distanciadores por vo; caracterizar a funo dos distanciadores como elementos de apoio ou espaadores; distncia mxima entre os distanciadores (mm); comprimento do distanciador (mm); freqncia do sistema (Hz); mdulo de Young (N/mm2) e densidade do material das barras (kg/m3) (estes dados podem

ser inseridos manualmente ou obtidos atravs da seleo do material do barramentoconforme banco de dados do prprio software);

Os resultados ou dados de sada para ambos os clculos dinmicos so os seguintes: fora mxima nos condutores principais (N); fora mxima nos subcondutores (N); fora nos suportes isoladores extremos reao em A (N); fora nos suportes isoladores centrais reao em B (N); tenso mecnica total nos condutores (N/mm2); tenso mecnica nos subcondutores (N/mm2); anlise final da verificao.

Com relao s verificaes de resistncia trmica ao curto-circuito, o usurio deve inserir os seguintesparmetros de entrada:

corrente inicial de curto-circuito simtrica trifsica(kA); corrente eficaz de curto-circuito: nmero de barra por fase; fator de assimetria; freqncia do sistema (Hz); durao da corrente de curto-circuito (s); tempo admissvel do curto-circuito; dimenses da barra, largura e espessura (mm); temperatura do condutor no incio do curto-circuito (C); temperatura do condutor no trmino do curto-circuito (C); tipo de material do condutor


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Os resultados ou dados de sada para o clculo trmico so os seguintes:

corrente trmica de curta durao (kA); densidade de corrente trmica de curta durao (A/mm2); densidade de corrente trmica instantnea admissvel (A/mm2); anlise da verificao.

Na Figura 1 apresentado como exemplo, conforme tela do programa BusBarCalc, os dados deentrada necessrios para o procedimento da verificao do dimensionamento de acordo com o mtodo para oclculo dinmico detalhado.

Alguns dos dados visualizados podem ser obtidos atravs de um banco de dados contido no prpriosoftware atravs da seleo do material que composto o barramento, como os dados de Mdulo de Elasticidade(Young), tenso de ruptura mnima e mxima e densidade, por exemplo.

Aps a insero dos dados de entrada, realiza-se o clculo da verificao com um simples toque noboto Calcular, tendo como resultados os mesmos mostrados na tela do software conforme Figura 2.

Pode-se observar que o software tambm processa a anlise de verificao comprovando se obarramento suportar ou no os efeitos dinmicos do curto-circuito especificado.

Figura 1 - Tela dos dados de entrada para o clculo dinmico detalhado.


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Figura 2 Resultados do clculo dinmico detalhado.

So apresentados na Figura 3 os dados de entrada necessrios para o procedimento da verificao dodimensionamento de acordo com o clculo trmico.

Aps a insero dos dados de entrada, realiza-se o clculo da verificao com um simples toque noboto Calcular, obtendo-se a tela de resultados do software conforme Figura 4.

Pode-se observar que o software, para este caso, tambm processa a anlise de verificaocomprovando se o barramento suportar ou no os efeitos trmicos para o curto-circuito especificado.


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Figura 3 - Tela dos dados de entrada para o clculo trmico

Figura 4 - Resultados do clculo trmico


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A seguir esto apresentados, em tabelas comparativas, os valores provenientes dos resultados dasverificaes calculadas manualmente e atravs do software para os clculos dinmico simplificado na Tabela 1,dinmico detalhado na Tabela 2 e trmico na Tabela 3, sendo que estes podem ser comparados atravs dascondies finais do equipamento aps o ensaio na Tabela 4.

Mtodo Dinmico Simplificado Clculo Manual BusBarCalcFora mxima nos condutores principais - (N) 1.575,57 1.592,85Fora mxima nos subcondutores - (N) 1.033,59 1.009,57

Fora nos suportes isoladores - Reao em A - (N) 1.468,43 1.501,67Fora nos suportes isoladores - Reao em B - (N) 4.038,19 4.129,59Tenso mecnica total nos condutores (N/mm2) 122,78 122,19Tenso mecnica nos subcondutores (N/mm2) 58,02 56,79

Tabela 1 - Comparao entre resultados do clculo dinmico simplificado.

Mtodo Dinmico Detalhado Clculo Manual BusBarCalcFora mxima nos condutores principais - (N) 1.575,57 1.592,85Fora mxima nos subcondutores - (N) 1.033,59 1.009,57Fora nos suportes isoladores - Reao em A - (N) 630,23 637,14Fora nos suportes isoladores - Reao em B - (N) 1.733,13 1.752,13Tenso mecnica total nos condutores (N/mm2) 122,78 122,19Tenso mecnica nos subcondutores (N/mm2) 58,02 56,79

Tabela 2 - Comparao entre resultados do clculo dinmico detalhado.

Clculo Trmico Clculo Manual BusBarCalcCorrente trmica de curta durao - kA 24,10 25,32Densidade de corrente trmica de curta durao - (A/mm2) 60,25 63,29Densidade de corrente trmica instantnea admissvel - (A/mm2) 120,00 122,05

Tabela 3 - Comparao entre resultados do clculo trmico.

Anlise das Verificaes

Clculo ManualAs barras suportaro as foras e possuem suficiente resistncia trmica devidoao curto-circuito.

BusBarCalc

As barras suportaro aos efeitos dinmico e trmico do curto-circuito

especificado.Ensaio Condies do equipamento aps o ensaio: equipamento sem anormalidades.

Tabela 4 - Comparao entre as anlises de verificaes.

Para este caso exemplificado de fase com barras mltiplas do barramento ensaiado, verifica-se que nautilizao do mtodo simplificado existe uma variao para maior no valor das foras dinmicas sobre ossuportes. Conseqentemente, a utilizao do mtodo simplificado para este tipo de clculo fornece uma margemde segurana, sobredimensionamento, na verificao dos esforos.

5 CONCLUSESAnalisando os clculos efetuados manualmente, seguindo os critrios estabelecidos pela IEC 865-1

(1993) e IEC 865-2 (1994), e fazendo uma comparao com os dados de sada obtidos atravs dos clculos

efetuados pelo software verificou-se que os resultados fornecidos pelo programa foram satisfatrios.A validao do software foi feita comparando-se os resultados obtidos pelos clculos manuais,

conforme citado anteriormente e, visando uma maior eficcia no procedimento de validao e consistncia dosdados, com ensaio realizado pelo Centro de Pesquisas de Energia Eltrica (CEPEL) para a empresa INEPARS.A. INDSTRIA E CONSTRUES, Relatrio de Ensaio UNIAP 448/98-R, e cedidos gentilmente pelaempresa EDC EQUIPAMENTOS E SISTEMAS S/A.

Com isso, conclui-se que foi obtido uma ferramenta que torna possvel efetuar de uma maneira rpida econfivel a verificao do dimensionamento dos barramentos condutores que compe os conjuntos de manobra econtrole, com relao aos esforos trmicos e dinmicos devido corrente de curto-circuito.

Como se trata de uma primeira verso de software, este trabalho vlido somente para os casosprevistos na IEC 865-1 (1993), destinando-se, portanto, para verificar dimensionamentos relacionados s


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solicitaes provocadas por curto-circuito trifsicos em barramentos coplanares de fases mltiplas (compostas demais de uma barra por fase) de perfis retangulares e de fases simples (compostas por uma nica barra por fase).

Outra limitao a que est condicionada este trabalho referente ao nvel de tenso, sendo que o mesmo determinado segundo a NBR 6979 (1998), para conjuntos de manobra e controle de mdia tenso em invlucrometlico, em tenses at 36,2kV. Convm ressaltar que o valor de tenso de trabalho limitar outra varivel quecorresponde distncia mnima de isolao entre partes vivas.

6 REFERNCIASBEER, Ferdinand Pierre, JONHSTON, E. Russel, Mecnica Vetorial para Engenheiros. So Paulo: McGraw-Hill, 1989,1982.

BEER, Ferdinand Pierre, JONHSTON, E. Russel, Resistncia dos Materiais. So Paulo: McGraw-Hill,1989,1982.

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