UFPE Universidade Federal de Pernambuco DEESP Departamento de Engenharia Eltrica Alunos: Dilson Ricardo da Silva Filho Francisco Vasquez Delgado Professor: Jos Maurcio Barros Bezerra Disciplina: Equipamentos Eltricos

Bancos de capacitores

Recife, 21 de Junho de 2010

IntroduoCompensao reativaEm cargas indutivas, h necessidade de potncia reativa, para excitar os ramos de magnetizao. Na indstria, a maioria das cargas so indutivas. Em sistemas de potncia, tambm h necessidade da corrente de magnetizao. Para minimizar as perdas devido a essa energizao, podemos usar compensadores reativos, a fim de fornecer a potncia necessria para magnetizar o sistema. Bancos de capacitores so conjuntos de capacitores, que tm como principal funo a compensao reativa capacitiva, compensando o fator de potncia, e melhorando alguns aspectos no sistema, como aumentar a tenso nos terminais da carga, reduzir as perdas na transmisso, entre outros. Levam vantagem em relao a outros compensadores, como compensadores estticos e sncronos, devido a fatores como custo menor, maior facilidade de instalao e manuteno, etc.. Alm da compensao reativa, os bancos de capacitores tambm ser ligados em srie com o sistema a fim de melhorar o sistema. Seja o equivalente de um sistema abaixo:

Sabemos que, para duas barras conectadas por uma impedncia, a potncia dada por:

P=

V1 V2 sen X

Logo, para termos uma maior transferncia de potncia, devemos minizar a impedncia entre as linhas. Como essa constituda principalmente de indutncias, podemos fazer isso inserindo um banco de capacitores em srie.

ConstruoOs bancos de capacitores so formados por um conjunto de unidades capacitivas, chamadas de latas ou clulas.Cada clula formada por um conjunto de capacitores individuais. Estes, por sua vez, so formados por eletrodos de alumnio ou zinco, filme de polipropileno impregnado em leo. O filme mais usado na atualidade o polipropileno metalizado, devido sua capacidade de formar lminas bastante finas.

Lata ou clula

Modelo esquemtico de uma clula

A clula tambm composta por um resistor interno de descarga, que tem como papel absorver a energia armazenada pelos capacitores, quando esses so desligados e, dessa forma, reduzir a tenso nominal do sistema at 50V ou menos, por um tempo de normalmente 5 minutos. Possui resistncia elevada, da ordem de Megaohms. Para fins de proteo das clulas, unidades capacitivas podem possuir fusveis internos ou externos, com uma srie de vantagens e desvantagens. A tendncia nos dias atuais a utilizao de fusveis 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 til da clula. - Fusveis internos so usados de forma a limitar a potncia reativa numa unidade capacitiva em paralelo, a fim de evitar exploses. - Atenuao da instalao de latas com um kVAr menor. Fusveis externos apresentam como grande vantagem a fcil visualizao de defeito e fcil manuteno(troca dos fusveis). Os bancos de capacitores geralmente so ligados fazendo ligaes em srie e em paralelo das unidades(embora possa-se usar transformadores para abaixar a tenso, a prtica mais usada a primeira). Dispositivo de segurana Alm dos fusveis, alguns capacitores possuem um dispositivo interno que interrompe a corrente eltrica em caso de sobrecarga ou sobrepresses internas ao capacitor. Com o aumento de correntes, aumenta-se a temperatura e a presso no interior do capacitor, provocando sua expanso. Essa expanso interrompe a circulao de corrente no capacitor. O esquema est mostrado abaixo:

Ligao de BancosOs bancos podem ser ligados em estrela(simples ou dupla, aterrado ou no) ou em tringulo(simples ou dupla)

1) Estrela aterrada

2) Estrela Isolada

3) Tringulo

Dupla estrela aterrada

Duplo delta ou duplo tringulo Os bancos em tringulo so empregados, por razes econmicas, a tenses iguais ou inferiores a 2400V. Alm disso, funcionam como um filtro natural do terceiro harmnico(j que essas correntes harmnicas circulam entre o delta,anulando-se entre si), alm de um banco em delta funcionar normalmente caso uma das clulas seja eliminada. Para tenses maiores, deve ser usar ligao em estrela. Esta pode ser aterrada ou no, onde cada uma apresenta uma srie de vantagens e desvantagens

Ligao Vantagens

Desvantagens

Estrela-aterrada - Auto-protegidos contra surtos atmosfricos(no h necessidade de pra-raios adicionais) - Podem ser usados como filtro de harmnicos(caminho de escoamento de baixa impedncia para correntes de altas freqncias) - TTR nos disjuntores e fusveis relativamente baixa - Aumenta a interferncia em circuitos de comunicao, devido s correntes de alta freqncia para a terra. - Queima de fusveis, sistemas de proteo e danificao das latas devido s altas correntes harmnicas - Obrigatria a instalao de reatores em srie e/ou limitadores de tenso nos secundrios dos TCs, a fim de diminuir o produto mdulo x freqncia de descargas dos bancos para curto-circuitos

Estrela isolada -No provocam interferncias nos circuitos de comunicao - No h tanta preocupao com a proteo nos secundrios do TC

- Dificuldade para o isolamento do neutro em tenses acima de 15kV - Encarecimento do disjuntor ou seccionador devido TTR nos equipamentos de manobra do banco

Em sistemas de potncia, geralmente preferida a ligao em estrela-aterrada.

Fenmenos transitriosOs bancos de capacitores podem ter sua vida til e funcionalidade diminuda, quando submetidos a certos fenmenos transitrios.

A figura acima mostra a corrente quando ocorre a energizao de um banco de capacitores. Nesse fenmeno ilustrado, a corrente transitria de cerca de 18 vezes a corrente nominal.

A tenso de um banco de capacitores durante a energizao ilustrada na figura acima. Vemos uma sobretenso de, aproximadamente, 1,8pu.

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

Componentes harmnicasConstituem geradores de harmnicos num sistema de potncia: transformadores, retificadores, etc. Os harmnicos devem ser evitados, j que em altas freqncias a corrente que circula nos capacitores aumenta devido baixa impedncia . Para evitar os harmnicos, deve-se desligar os bancos de capacitores quando no forem necessrios(diminuindo, assim, as sobretenses no sistema), distribuir os bancos ao longo do sistema(evitando o acmulo de reativos num ponto s), alm de utilizar filtros. Devido aos efeitos dos harmnicos, comum para o clculo da corrente nominal dos equipamentos do vo do banco de capacitores usar o fator de 1,25 e 1,35 vezes a corrente nominal para os bancos no aterrados e aterrados, respectivamente.

Proteo de bancos de capacitoresSurtos de tenso: usam-se resistores de pr-insero e pra-raios de xido de zinco. Sobrecorrentes: fusveis, ordenao adequada dos capacitores em ligao srie/paralelo, utilizao de resistores de pr-insero do disjuntor de manobra do banco. Sobretenses permanentes nos capacitores: inspeo peridicas nos fusveis(em caso de fusveis externos), sensores de desbalano de neutro, rels diferenciais de tenso para bancos com estrela aterrada.

Alguns esquemas de proteo para bancos ligados em estrela aterrada

Anlise quantitativa de capacitores em Alta Tenso e Extra Alta TensoPotncia A potncia de um capacitor trifsico pode ser calculada pela seguinte equao: 2 Q = (Ca + Cb + Cc )2 f Vn2 103 3 Onde Ci so as capacitncias monofsicas medidas, f a freqncia, Vn a tenso nominal e Q a potncia em kvar. A potncia varia com a temperatura. Essa variao dada pela curva abaixo:

Perdas no dieltrico As perdas no dieltrico so funo da temperatura. Abaixo est mostrada uma figura de como se comportam as perdas do dieltrico.

Essa caracterstica tambm funo do leo isolante; leos mais modernos tendem a apresentar menos perdas Tendo esses dados, podemos elaborar um circuito equivalente de uma lata, mostrado abaixo:

Onde Rp a resistncia devido s perdas no dieltrico, e Rd o resistor de descarga.

Podemos representar o modelo de um banco de capacitores atravs de associaes srie/paralelo de latas(usando o circuito equivalente acima), mas levando em considerao a indutncia intrnseca do banco(decorrente principalmente dos cabos de conexes das clulas). Estes valores so assumidos como sendo 5uH para tenses inferiores a 46 kV e 10uH para tenses acima desta. Caso seja possvel, essa indutncia pode ser feita obtida atravs de ensaios. Este consiste em aplicar tenso em uma das fases, e fechando seus terminais. Feito isso, medimos a forma de onda da corrente transitria de descarga do banco. Os valores de Lo e Rp podem ser obtidos pela freqncia de amortecimento da curva.

Sobretenses e vida tilA vida til de um capacitor funo principalmente da tenso aplicada nele. Abaixo segue a curva vida til x tenso aplicada, para um capacitor tipo Polivar,200kvar, 4140/4360V.

Abaixo, temos uma tabela das tenses mximas permitidas, em funo do tempo aplicado, para garantir a durabilidade de um capacitor. Durao da sobretenso Tenso mxima permissvel(pu) 0,5 ciclo 3,00 1 ciclo 2,70 6 ciclos 2,20 15 ciclos 2,00 1s 1,70 15s 1,40 1min 1,30 5min 1,20 30min 1,15

No caso de transitrios, as tenses e correntes mximas aplicveis seguem as tabelas abaixo: Nmero provvel de transitrios/ano 4 40 400 4000 Nmero provvel de transitrios/ano 4 40 400 Valor do pico de tenso(pu) 5,0 4,0 3,4 2,9 Valor do pico de corrente(pu) 1500 1150 800

4000

400

Os capacitores podem sofrer uma sobrecarga de at 135% da potncia nominal (incluindo sobretenses entre 100 e 110%, correntes harmnicas e tolerncias de fabricao. Tambm devem operar na sua classe de temperatura(especificada no capacitor, as temperaturas mxima e mnima)

Especificao e Dimensionamento de Banco de CapacitoresUnidades Capacitivas - Tenso nominal e nveis de isolamento - Tenso mxima suportveis pelos capacitores sem perda acelerada de vida - Potncia reativa tenso nominal - Perdas dieltricas mximas Banco de capacitores - Tenso nominal e nveis de isolamento - Potncia reativa trifsica tenso nominal do sistema - Esquema de ligao - Nmero de Grupo de Capacitores em srie/fase - Nmero de capacitores em paralelo em cada grupo srie - Corrente de descarga do Banco de Capacitores para curto-circuito prximo a este( mdulo, freqncia e amortecimento) - Tenso e corrente transitria de Energizao mais Desfavorvel com o nmero provvel de Energizaes por dia(mdulo, freqncia e amortecimento); - Uso Interno ou Externo So usados os seguintes critrios para dimensionar bancos de capacitores: A capacidade nominal das unidades capacitivas dever ser, preferencialmente, a de maior potncia e tenso, objetivando, assim, um menor custo unitrio de kVAr. A potncia total deve ser de 95 a 105% do valor determinado nos estudos de planejamento A tenso do banco no deve ser a nominal do sistema, mas igual ou ligeiramente superior mxima tenso prevista. A sobretenso num grupo de capacitores, caso haja falha em uma clula, no dever ser superior a 10%.

Para se dimensionar o banco de capacitores a ser usado, preciso chegar a um consenso e buscar a forma mais econmica. Essa anlise pode ser um pouco tediosa, e muitas vezes se usa a tabela abaixo:

EnsaiosSegundo a ABNT, os ensaios feitos nos capacitores devero ser os seguintes: 1) Ensaios de rotina Medio da Capacitncia e Potncia a 20C Medio das perdas a 20C Ensaios de Tenso Aplicada Unidades Capacitoras - Entre terminais - Entre terminais e caixa Bancos de capacitores Ensaio de vazamento Ensaio do dispositivo de descarga 2) Ensaio de Tipo Ensaio de estabilidade trmica Ensaio de tenso aplicada Ensaio de Impulso

Ensaio de Descarga Ensaio de Tenso Residual Ensaio de Ionizao Ensaios de Rdio-Rudo Ensaio de regenerao(para capacitores auto-regenerativos) Ensaio de Rigidez Dieltrica

Manobra de Bancos de CapacitoresOs bancos de capacitores de alta tenso podem provocar no sistema fenmenos de sobrecorrente e sobretenso, que podem danificar tanto as prprias unidades quantro outros equipamentos ligados ao sistema. Os equipamentos mais indicados para a operao de bancos de capacitores so: Disjuntores a SF6 O gs no seu interior praticamente no permitem a reignio do arco. Caso isso eventualmente venha a ocorrer, o gs tem a capacidade de absorver a energia gerada pelo arco, no permitindo danos ao equipamento. Disjuntores a vcuo So capazes de interromper correntes capacitivas independente do seu valor Disjuntores a leo Deve ser inserido temporariamente um resistor srie em cada plo do disjuntor, a fim de restringir a reignio do arco Chaves a leo Tambm deve ser inserido junto a um resistor. No deve operar na condio de curto-circuito.

Concluso Bancos de capacitores so ferramentas eficientes e econmicas para compensao reativa, alm da possibilidade de insero em srie. So essenciais tanto na Indstria, para correo de fator de potncia, e tambm em grandes sistemas eltricos de potncias. A possibilidade de vrios tipos de ligao de bancos de capacitores torna-os versteis, dependendo da necessidade do sistema.

Bibliografia: DAJUZ, Ary. Equipamentos Eltricos: especificao e aplicao em subestaes de alta tenso. Rio de Janeiro, FURNAS. 1985 MAMEDE FILHO, Joo, Manual de Equipamentos Eltricos. LTC, 1994. Manual TLA Capacitores de Potncia http://www.tla.com.br Grupo Arteche http://www.arteche.com