capítulo vi serviços auxiliares - osetoreletrico.com.br · • bateria de acumuladores. veja o...

36O Setor Elétrico / Junho de 2010

Apoio

Prot

eção

e s

elet

ivid

ade

O objetivo deste capítulo é demonstrar a

importância de utilizar um sistema de alimentação

auxiliar confiável, bem como descrever os mais

utilizados. Também será mostrado um diagrama

funcional típico de uma proteção atuando sobre um

disjuntor.

Características das grandezas elétricas durante um curto

Quando ocorre um curto-circuito, observam-se

variaçõessignificativasemduasgrandezaselétricas:

•Corrente:cujovalortemumaumentoabrupto;

•Tensão:cujovalorapresentaumaquedaacentuada

(próximode0Vnopontodecurto).

Por Cláudio Mardegan*

Capítulo VI

Serviços auxiliares

Alimentação das cargas essenciais (relés, disjuntores, sinalizações, sinóticos, etc.)

O circuito de comando dos disjuntores deve ser

capazdefazerodisjuntormudardeestadodeligado

para desligado quando houver atuação de um relé

de proteção. Assim, se for utilizado um circuito em

correntealternadaderivadodiretamentedobarramento

pormeiodeumTP,naocorrênciadeumcurto-circuito

a tensão primária do TP cai e, consequentemente,

também a secundária, não havendo, desta forma,

tensãodecomandosuficienteparafazeratuarabobina

deaberturadodisjuntor.

Desse modo, é prática efetuar a alimentação do

circuito de comando de disjuntores por um nobreak

DCouAC.VidediagramafuncionaltípiconaFigura1.

Figura 1 – Diagrama funcional típico de um disjuntor.


Apoio

Nobreak DC (Carregador de baterias)

O carregador de baterias é composto de dois conjuntos

fundamentais:

•Retificador;

•Bateriadeacumuladores.

VejaoesquemaunifilardocarregadordebateriasnaFigura2.

Figura 2 – Esquema unifilar de um retificador (carregador de bateria).

Aentradadoretificadorvemnormalmentedeumtransformador

auxiliar ou de comando em corrente alternada. O retificador

transformaatensãodeentradaACemtensãodesaídaDC(ouseja,

retificaaondadeentrada).

O retificadoréprojetadoparamanteruma tensãomaiorque

adedescargadasbaterias,conhecidacomotensãodeflutuação,

de forma que, em condições normais, a bateria não descarrega,

apenasmantémsuacarga.

Na ocorrência de um curto-circuito na linha, a tensão no

sistemacaipróximodezeroe,consequentemente,caiatensãoAC

deentrada.Atensãonasaídadoretificadortambémcaieatensão

dabateriapassaasermaiorquenasaídadoretificador,passandoa

assumiracargadessesistemaauxiliarepermitindomanteratensão

para:

•Comandodedisjuntores/chavesetelecomandos;

•Alimentaçãodesistemasdesinalização;

•Alimentaçãoauxiliarderelés/sistemasdeproteção;

•Alimentaçãodepainéissinóticos;

•Iluminaçãodeemergência;

•Alimentaçãodesistemasdemedição/telemetria.

AoretornaratensãoAC,oretificadorreconheceepodecolocar

abateriaemrecarga.

A bateria de acumuladores deve permitir a alimentação das

cargas essenciais durante o período de tempo suficiente para

efetuartodasasatuaçõeseasmanobrasnecessárias.Esteintervalo

detempoemqueabateriamantématensãomínimapor


Apoio

Prot

eção

e s

elet

ivid

ade elemento(normalmente90%datensãonominal)necessáriaaobom

funcionamentodosistemaéconhecidocomoautonomiadabateria.

Osprincipaistiposdebateriautilizadosatualmentesão:

•Chumbo-ácido;

•Alcalinas(níquel/cádmio).

Acapacidadedasbateriaschumbo-ácidasé,geralmente,de10

horas,aopassoqueasalcalinaspodemserde3,5ou10horas.

Principais características elétricas das bateriasTensão nominal (Vn)

AstensõesDCnormalmenteutilizadassão12Vdc,24Vdc,48

Vdc,60Vdc,110Vdc,125Vdc,220Vdce250Vdc.

Tensão máxima do equipamento (Vmáx)

Este valor de tensão depende dos equipamentos que serão

ligadosna saídadabateriae,normalmente,éde10%acimada

tensão nominal (110%Vn). Entretanto, também são encontrados

valoresde5%(105%Vn)e20%(120%Vn).

Tensão mínima do equipamento (Vmin)

Este valor de tensão depende dos equipamentos que serão

ligadosnasaídadabateriaeéde10%abaixodatensãonominal

(90%Vn),porém, tambémsãoencontradosvaloresde5% (95%

Vn)e20%(80%Vn).

Tensão de flutuação por elemento

A bateria trabalha na maior parte do tempo em flutuação,

entrandoemdescargaapenasquandocessaatensãonaentradado

retificador.Assim,atensãonasaídadoretificadordeveficaracima

destevalor.

Parabateriaschumbo-ácidas,estevalorficanafaixade2.15V

a2.2V,masovalormaiscomuméde2.2V/elemento.Parabaterias

alcalinas,estevalorficanafaixade1.38Va1.42V,sendocomum

ovalorde1.4V/elemento.

Tensão final de descarga do elemento (Vfd)

Uma bateria de acumuladores após sair da flutuação vai

descarregando lentamente (e linearmente) e quando a tensão

atingeumpontode inflexãodenominado tensãofinalque, após

ultrapassado, a tensão cai abruptamente e não consegue mais

supriracargacomenergianecessária.

Osvaloresdetensãofinalporelementoparabateriaschumbo-

ácidas variam de 1.6 V a 1.85 V/elemento (valores usuais 1.6

V/1.65V/1.75V/1.8V/1.85V),sendode1.8V/elemento,umvalor

tipicamenteadotadoparaoscálculos.

Jáasbateriasalcalinaspossuemumvalordetensãofinaldentro

dafaixade0.95a1.15V/elemento(valoresusuais1V/1.05V/1.10

V/1.14V),sendoovalorde1.05V/elemento,umvalortipicamente

adotadoparaoscálculos.

Tensão de equalização (Veq)

A carga de equalização é aplicada nas baterias de forma

a restabelecer a capacidade máxima da bateria. A tensão de

equalização por elemento de baterias chumbo-ácidas é da

ordemde2.2Va2.5V/elemento, sendoovalormaiscomum

2.33V/elemento.

Atensãodeequalizaçãoporelementodebateriasalcalinasé

daordemde1.4Va1.7V/elemento,sendoovalormaiscomumde

1.55V/elemento.

Assim, a tensão total de equalização é o produto do

número de acumuladores (n) vezes o valor da tensão de

equalização(Veq).

Faixas de tensão utilizadas para bateria de acumuladores

ConstamnaTabela1,asfaixasdetensãocomumenteutilizadasno

dimensionamentodebateriadeacumuladores/carregadores.

Determinação do número de elementos de uma bateria

Nadeterminaçãodonúmerodeacumuladoresouelementos

que compõem uma bateria, utilizam-se como critério as

variaçõesmáximasdetensãopermitidaspelosequipamentos.

Dispõe-sedetrêscritérios.

1º critério

VistoqueatensãomáximadevesernxVeq,temos:

n≥Vmáx/Veq

2º critério

VistoqueatensãomínimadevesernxVfd,temos:

n≤Vmin/Vfd

3º critério

VistoqueatensãonominaldevesernxVfl,temos:

n=Vn/Vfl

Idealmente, o valor de n deveria ser o mesmo nos três

critérios.Comoissopraticamentenãoocorre,faz-senecessário

verificarqual

Tabela 1 – Faixas de Tensão para baTeria de acumuladores

Tipode bateria

-

-

-

Chumbo-ácidoAlcalina



Nomenclatura

Vn

Vmáx

Vmin

Vfl

Vfl

Vfd

Vfd

Veq

Veq

Faixaaceita

12V–24V–48V–60V–110V–

125V–220V–250VVn+(5%ou10%ou20%)Vn–(5%ou10%ou20%)2.15Va2.20V

1.38Va1.42V

1.6Va1.85V

0.95Va1.15V

2.20Va2.50V

1.40Va1.70V

Valormais comum

125V

Vn+10%

Vn–10%

2.2V

1.40V

1.80V

1.05V

2.33V

1.55V

Descrição

Tensãonominaldo

equipamentoTensãomáximado

equipamentoTensãomínimadoequipamentoTensãode

flutuação/elementoTensãode

flutuação/elementoTensãofinalde

descargaTensãofinalde

descargaTensãodeequalizaçãoTensãodeequalização


Apoio

Prot

eção

e s

elet

ivid

ade omelhorvalordenqueatendaaostrêscritérios,ouseja,situações

deflutuação,cargaedescarga.

É importante lembrar queonúmerode elementos que leve a

uma menor tensão final conduz ao cálculo de uma bateria de

menor capacidade devido ao melhor aproveitamento (solução

mais econômica).Onúmerodeelementosqueultrapasseovalor

datensãomáximaduranteacargaimpõesoluçõesmaisonerosase

menosconfiáveis, taiscomochavesde transferência,Unidadesde

DiodosdeQueda(UDQ),etc.

Exemplo

Umsistemade125Vdcdevetrabalharcomumabateriachumbo-

ácida.Sabendoqueatensãomáximadosistemanãodeveultrapassar

140Veamínimanãodeveserinferiora105V,determinaronúmero

de elementosdestabateria parauma tensãodeflutuação (Vfl) de

2.16V/elemento,tensãofinaldedescarga(Vfd)de1.75V/elemento

eparaumatensãodeequalizaçãode2.33V/elemento.

Solução

1ºcritérion=Vmáx/Veqn=140/2.33n=60elementos

2ºcritérion=Vmin/Vfdn=105/1.75n=60elementos

3ºcritério n=Vn/Vfln=125/2.16n=58elementos

Verificação

Adotandon=60

Tensãomáxima Vmáx =60x2.33=139.8V

Tensãomínima Vmin =60x1.75=105.0V

Tensãoflutuação Vflutação =60x2.16=129.6V

Cálculo da capacidade de uma bateriaAcapacidadedeumacumuladoréaquantidadedeeletricidadeem

ampère-hora,corrigidaparaa temperaturade referência fornecida

peloacumuladoremdeterminadoregimededescargaatéatingira

tensão final de descarga.A capacidade de umabateria é a soma

dascapacidadesindividuaisdecadaacumuladoreénormalmente

expressaemAh(Ampère-hora).

Assim, para o correto dimensionamento da bateria, se faz

necessárioatenderacadaetapaaseguir:

•Definiratensãonominaldosistemaauxiliar;

• Determinar o tipo de bateria a ser utilizado (chumbo-ácido/

alcalina,tipo,fabricante,etc.);

•Determinaratensãofinalporelemento;

•Determinaronúmerodeelementos;

•Definirascargasaseremsupridaspeloserviçoauxiliar;

•Determinaracaracterísticadedescarga(ciclodedescarga);

•ObterdofabricanteacurvadofatorK(K=C/I),emfunçãodotempo

para as tensões finais por elemento (Vfe) previstas para o tipo de

bateriaescolhido.AFigura3mostraumacurvatípica;

•A partir daVfe e dos respectivos tempos, obter a constante da

bateriaparaacurvadedescargadoselementos;

•Calcularacapacidadedabateria.

EmqueNéonúmerodetrechosdacurva.NocasodaFigura3,

N=12.

Correção do valor da capacidade

Ovalorcalculadodevesercorrigidoconsiderandoosfatoresaseguir:

Temperatura Fator=1.050

Envelhecimento(idade) Fator=1.100

Fatordecarga Fator=1.060

Fatordeprojeto Fator=1.050

Fatordecorreçãototal Fator=1.286

Exemplo

Dimensionarumsistemadecorrentecontínuaem125VCCdeforma

aatenderoperfildemínimatensãode90%(112.5VCC)emáxima

tensãode110%(137.5VCC).Asbateriasdevemseralcalinas,com

umatensãofinalporelementode1.14Veaautonomiadosistema

deveserdimensionadaeatenderaumciclodedescargaparacinco

horas.Ascargasaseremalimentadasporessesistemasão:

Disjuntores de MT

Consumobobinadeabertura:250W–1s

Consumomotordecarregamentodemola:140W

Ciclodeoperação:CO–15s–CO

Quantidade:18

Disjuntores de BT

Consumobobinadeabertura:180W–1.6A(Vmin=112.5V)

Consumobobinadefechamento:180W–1.6A(Vmin=112.5V)

Consumomotordecarregamentodemola:400W–3.5A(Vmin=

112.5V)

Ciclodeoperação:CO–15s–CO

Quantidades:

-Disjuntorcompleto(motor,bobinasaberturaefechamento):13

(50%dosmotoresdecarregamentodemolaoperamsimultaneamente

e30%dasbobinasdeabertura)

-Disjuntorsomentecombobinadeabertura:23

(30%dasbobinasdeaberturaoperamsimultaneamente)

Carga de sinalização

Consumodaslâmpadas:6W

Cargaconstante:83lâmpadas

Quantidadedelâmpadas:157

Iluminação de emergência

Locais:SEprincipal,casadecontroleesaladogeradordeemergência

Potênciadaslâmpadas:100W

Quantidadedelâmpadas:50

CTOTAL = K1 x I1 + K2 x (I2 – I1) + K3 x (I3 – I2) + ...... + KN x (IN – IN–1)


Apoio

Prot

eção

e s

elet

ivid

ade

A partir da característica de descarga apresentada na Figura 3

edacurvado fatorKdo fabricanteapresentadanaFigura4 (queé

umacurvatípica;ocorretoéconsultarsempreacurvadofabricante),

podemosconstruiraTabela2,quedivideacurvaacimaem12trechos,

lembrandoqueacapacidadedabateriaécalculadacomosegue:

Figura 4 – Fator K para a determinação da capacidade de baterias alcalinas.

Ao dimensionar a bateria, é preciso levar em conta uma

correçãoporidade(~10%)etambémumareservaparaexpansões

futuras(~15%).

Assim,ovalorcalculadodevesercorrigidopara:

C5h=281.0x1.10x1.15=355.5Ah

Abateriaadotadaseráde400Ah/cincohoras.

Dimensionamento da capacidade do retificador

A capacidade nominal de um carregador, em ampères, é

calculada,segundoanormaNema,pelaseguinteequação:

Emque:

IC=Capacidadedoretificador

ICP=Correntemáximadeconsumopermanente

IRB=Correntederecargamáximadabateria(0.25xCparachumbo-

ácidoe0.4xCparaalcalinas).

SegundoanormaIEC,acapacidadenominaldeumcarregador

debateria(retificador),emampères,écalculada,pelaequação:

Emque:

A=Correntenominaldesaídadoretificador.

L=Consumodecargapermanentementeconectadaaosterminais

dabateria.

Tabela 2 – dimensionamenTo da capacidade da baTeria

105:00:0084.35.2438.4

600:01:0087.90.518.8

404:59:2984.35.18-18.6

904:59:2984.35.18-18.6

204:59:4550.35.18-176.1

700:00:5984.30.5-1.8

504:59:1450.35.18-176.1

1000:00:2884.30.46-1.7

1100:00:1350.30.46-15.6

1200:00:0187.90.4617.3

304:59:3087.95.18194.8

800:00:4450.30.5-17.0

TrechoAutonomiarestante

Corrente(A)Kdabateria

CapacidadeportrechoCapacidadedabateria(AH)

Nota:OvalordoKdabateriadeveserretiradodacurvadofabricante.

281.0

Figura 3 – Característica de descarga da bateria de acumuladores.

Relés

Potênciamáximadecadarelé:8W

Quantidadederelés:20

Determinação do consumo das cargas

- Disjuntores de MT

Quantidadedemotoresaseremligadossimultaneamente:9

Consumodosmotores:

Consumodasbobinasdeabertura:

- Disjuntores de BT

Consumodosmotores:

Consumodasbobinasdeabertura:

Cargadesinalização:

Iluminaçãodeemergência:

Relés:

AcurvadedescargaadotadaéaapresentadanaFigura3.

CTOTAL = K1 x I1 + K2 x (I2 – I1) + K3 x (I3 – I2) + ...... + KN x (IN – IN–1)


Apoio

Unidade de Diodo de Queda (UDQ)

Em sistemas emqueos valores de tensãomínimanão são

atingidos, normalmente é necessário acrescentar um ou mais

elementos. Nessa nova situação o(s) valor(es) de tensão(ões)

máximapermissível(eis)nosequipamentospodeserultrapassada.

Paracontornarestasituação,éusualinstalarunidadesdediodo

dequedaemsériecomoretificador,deformaqueatensãofique

dentrodoslimitespermissíveispeloequipamento.

Valeapenalembrarqueosdiodostembaixasuportabilidade

térmica quanto ao curto-circuito e, dessa maneira, especial

atenção deve ser dada se a capacidade das baterias (ou dos

conjuntos de baterias, caso hajam retificadores em paralelo)

é elevada. Como estimativa de primeira aproximação para

ordemdegrandezadacorrentedecurto-circuitodeumsistema

debaterias,ovalordacorrentedecurto-circuitoéde10xC.

Assim,temosumconjuntodebateriasde2.000Aheacorrente

decurto-circuitodabateriaseráde20.000A.Éprecisosempre

efetuarocálculocorretodacorrentedecurto-circuito.

Ovalordequedade tensãoemcadaUDQéde0.8Vpor

diodo. É importante lembrar também que, como o diodo de

quedanãopossuiboasuportabilidadequantoao

curto-circuito, deve sempre ter junto dele um fusível ultra-

rápido.

AFigura5mostraumaaplicaçãodeumsistemade24Vcc

queutilizaUDQs.

C=CapacidadetotaldabateriaemAh(Ampères-hora).

H=Tempopararecarregarabateria.

K=Constantequeparabateriasalcalinasvale1.4eparabaterias

chumbo-ácidosvale1.25.

Ascapacidadesnominaispadronizadas (correntesde saída

do retificador) normalmente encontradas para os carregadores

são:5A,10A,15A,25A,35A,50A,75A,100A,150A,200A,

400A,600A,800A,1000Ae1200A.

Ventilação da sala de baterias

Quandoabaterianãoéseladasefaznecessáriaaexaustãoda

saladebaterias,vistoqueháliberaçãodehidrogênionoprocesso

deeletrólise.

Avazãodosistemadeexaustãoécalculadacomosegue:

Emque:

Q =Vazãodosistemadeexaustão(emlitros/hora=l/h)

N =Númerodeelementosdabateriadeacumuladores

I = Corrente de recarga da bateria (os valores normalmente

consideradossãoI=0.4xC–parabateriasalcalinaseI=0.25xC

parabateriaschumbo-ácido)


Apoio

Prot

eção

e s

elet

ivid

ade

*CLÁUDIO MARDEGAN é engenheiro eletricista formado pela Escola Federal de

Engenharia de Itajubá (atualmente Unifei). Trabalhou como engenheiro de estudos

e desenvolveu softwares de curto-circuito, load flow e seletividade na plataforma do

AutoCad®. Além disso, tem experiência na área de projetos, engenharia de campo,

montagem, manutenção, comissionamento e start up. Em 1995 fundou a empresa

EngePower® Engenharia e Comércio Ltda, especializada em engenharia elétrica,

benchmark e em estudos elétricos no Brasil, na qual atualmente é sócio diretor. O

material apresentado nestes fascículos colecionáveis é uma síntese de parte de um

livro que está para ser publicado pelo autor, resultado de 30 anos de trabalho.

CONTINUA NA PRÓXIMA EDIÇÃOConfira todos os artigos deste fascículo em www.osetoreletrico.com.br

Dúvidas, sugestões e comentários podem ser encaminhados para o e-mail [email protected]

A diferença, em relação ao carregador de bateria, é que a

saídaétransformadaemcorrentealternadaparaserutilizadapelos

equipamentosessenciais.

ÉapresentadonasFiguras7,8,9e10algumasconfigurações

dessasUPS(nobreaksAC).

Figura 7 – UPS singelo.

Figura 10 – UPS Paralelo Redundante.

Figura 8 – UPS singelo com dois retificadores.

Figura 9 – UPS Dual Redundante.

Confiabilidade entre o nobreak DC e o nobreak AC

O nobreakAC, por ter o inversor de saída, apresenta por si

só um componente a mais em série, e mesmo que tivesse um

MTTFigualaodoretificador,apresentariamenordisponibilidade.

Entretanto,oMTTFdonobreakACémuitomenorqueoMTTFdo

nobreakDC(retificador)e,assim,adisponibilidadediminuiainda

mais.Consequentemente,aconfiabilidadedonobreakACémenor,

vindodaíapreferênciapelosespecialistasdeproteçãoautilização

donobreakDCoucarregadordebateria.

Figura 5 – Sistema de corrente contínua com aplicação de UDQ.

Figura 6 – Esquema unifilar de um nobreak AC.

TENSAO DE ENTRADAAC

TENSAO DE SA DAAC

RETIFICADOR

BATERIA DE ACUMULADORES

NO-BREAK AC - DIAGRAMA UNIFILAR

Nobreak AC

OnobreakACésemelhanteaocarregadordabateria,porémpossui

maisumconjuntoe,dessaforma,épossíveldividi-loemtrêsmódulos:

•Retificador;

•Bateriadeacumuladores;

•Inversor.

VejaoesquemaunifilardonobreakACnaFigura6.

capítulo vi serviços auxiliares - osetoreletrico.com.br · • bateria de acumuladores. veja o...

Documents