Disciplina: Instalações Elétricas II

Professor: Marcelino Vieira Lopes, Me.Eng.

“Não há nada que seja maior evidência de insanidade do que fazer a mesma coisa dia após dia e esperar resultados diferentes...”

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Unidade 5: Turbo-Gerador, Turbo-Bomba e Turbo-compressor

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1. Introdução e Conceitos

2. Tipos de Máquinas

3. Funcionamento das Máquinas

4. Funções de cada Máquina

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Turbo-compressor é um equipamento adicionado aos motores de combustão interna que aproveita os gases de escape para injetar ar nos cilindros (câmara de combustão). Um turbocompressor inclui um par de rotores radiais, ligados num só eixo, que giram de um lado como turbina e do outro como compressor.

O Turbo-compressor inclui um par de rotores radiais, ligados num só eixo, que funcionam como turbina (lado esquerdo) e compressor (lado direito) conforme ilustração. O turbo-compressor fica ligado ao coletor de escape de um motor a explosão (ou motor a combustão interna), e aproveita a energia dos gases de escape gerados no motor para girar uma turbina conectada por meio de um eixo comum a um rotor o qual tem a função de bombear ar para os cilindros. Esse rotor é um compressor centrífugo , responsável por capturar o ar atmosférico e comprimi-lo na entrada da admissão ou do coletor de admissão do motor através de mangueiras ou tubulações de alta pressão.

Turbo-compressor

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Com o aumento da densidade do ar decorrente da compressão, pode-se adicionar mais combustível à esta mistura que será encaminhada até a câmara de combustão do motor, fazendo com que mais trabalho seja produzido a cada ciclo. Por exemplo, se um turbocompressor estivesse trabalhando com uma pressão de aproximadamente 1 kg/cm², o motor estaria admitindo 2 atmosferas, ou seja, o dobro de ar ocupando num mesmo espaço físico sem alterar as dimensões do cilindro. Deste modo, dever-se-ia misturar o dobro de combustível neste ar (para que a mistura permaneça estequiométrica), que seria encaminhado para dentro da câmara de combustão. Neste caso, conseguir-se-ia quase dobrar a potência de um motor. Na prática não se conseguiria dobrar a potência pois o processo de compressão também causa aumento de temperatura do ar, o que causa o efeito oposto: redução de densidade. Para compensar esse efeito geralmente usa-se um trocador de calor chamado Inter cooler entre o compressor e a admissão.

Conceitos

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Turbina a Gás A denominação turbina a gás pode ser erroneamente associada ao combustível utilizado. A palavra gás não se refere à queima de gases combustíveis, mas, sim ao fluido de trabalho da turbina, que é neste caso a mistura de gases resultante da combustão. O combustível em si pode ser gasoso, como gás natural, gás liquefeito de petróleo (GLP), gás de síntese ou líquido, como querosene, óleo diesel e até mesmo óleos mais pesados.

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O ciclo Brayton é um ciclo ideal, uma aproximação dos processos térmicos que ocorrem nas turbinas a gás, descrevendo variações de estado (pressão e temperatura) dos gases. O conceito é utilizado como base didática e para análise dos ciclos reais, que se desviam do modelo ideal, devido a limitações tecnológicas e fenômenos de irreversibilidade, como o atrito. O ciclo se constitui de quatro etapas. Primeiramente, o ar em condição ambiente passa pelo compressor, onde ocorre compressão adiabática e isentrópica, com aumento de temperatura e consequente aumento de entalpia. Comprimido, o ar é direcionado às câmaras, onde mistura-se com o combustível possibilitando queima e aquecimento, à pressão constante. Ao sair da câmara de combustão, os gases, à alta pressão e temperatura, se expandem conforme passam pela turbina, idealmente sem variação de entropia. Na medida em que o fluido exerce trabalho sobre as palhetas, reduzem-se a pressão e temperatura dos gases, gerando-se potência mecânica. A potência extraída através do eixo da turbina é usada para acionar o compressor e eventualmente para acionar outra máquina. A quarta etapa não ocorre fisicamente, se tratando de um ciclo termodinâmico aberto. Conceitualmente, esta etapa representa a transferência de calor do fluido para o ambiente.

Conceitos

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Desta forma, mesmo se tratando de um ciclo aberto, parte da energia proveniente da combustão é rejeitada sob a forma de calor, contido nos gases quentes de escape. A rejeição de calor é um limite físico, intrínseco ao funcionamento de ciclos termodinâmicos, mesmo nos casos ideais, como define a segunda lei da termodinâmica.

A perda de ciclo ideal pode ser quantificada pela potência proveniente do combustível, descontando-se a potência de acionamento do compressor e a potência líquida. Assim, diminui-se a perda à medida que se reduz a temperatura de escape e se eleva a temperatura de entrada da turbina, o que faz da resistência, a altas temperaturas, das partes da turbina um ponto extremamente crítico na tecnologia de construção destes equipamentos.

Turbo-Gerador

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Turbo-Gerador

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Turbinas a gás dedicadas à geração de energia elétrica são divididas em duas principais categorias, no que se refere à concepção. São elas as pesadas (Heavy-duty), desenvolvidas especificamente para a geração de energia elétrica ou propulsão naval e as aeroderivativas, desenvolvidas a partir de projetos anteriores dedicados a aplicações aeronáuticas.

Com a exceção das micro-turbinas (dedicadas à geração descentralizada de energia elétrica) o compressor utilizado geralmente trabalha com fluxo axial, tipicamente com 17 ou 18 estágios de compressão. Cada estágio do compressor é formado por uma fileira de palhetas rotativas que impõem movimento ao fluxo de ar (energia cinética) e uma fileira de palhetas estáticas, que utiliza a energia cinética para compressão. O ar sai do compressor a uma temperatura que pode variar entre 300°C e 450°C. Cerca de metade da potência produzida pela turbina de potência é utilizada no acionamento do compressor e o restante é a potência líquida gerada que movimenta um gerador elétrico.

Turbo-Gerador

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Saindo da câmara de combustão, os gases têm temperatura de até 1250°C. Após passar pela turbina, os gases são liberados ainda com significante disponibilidade energética, tipicamente a temperaturas entre 500 e 650 Celsius. Considerando isso, as termelétrica mais eficientes e de maior porte aproveitam este potencial através de um segundo ciclo termodinâmico, a vapor (ou Ciclo Rankine). Estes ciclos juntos formam um ciclo combinado, de eficiência térmica frequentemente superior a 60%, ciclos simples a gás têm tipicamente 35%. Turbinas projetadas para operar em ciclo simples, tendo em vista a eficiência térmica do ciclo, têm temperatura de saída de gases reduzida ao máximo e têm otimizada taxa de compressão. A taxa de compressão é a relação entre a pressão do ar à entrada e saída do compressor. Por exemplo, se o ar entra a 1 atm, e deixa o compressor a 15 atm, a taxa de compressão é de 1:15. Turbinas a gás específicas para operar em ciclo combinado, são desenvolvidas de modo a maximizar a eficiência térmica do ciclo como um todo. Desta forma, a redução da temperatura dos gases de escape não é necessariamente o ponto mais crítico, em termos de eficiência, uma vez que os gases de saída da turbina ainda são utilizados para gerar potência.

Turbo-Bombas

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BOMBAS HIDRÁULICAS

É um transformador de energia (absorve energia em uma forma e restitui em outra).

Entre os diversos tipos de máquinas, as máquinas fluidas são aquelas que promovem um intercâmbio entre a energia do fluido e a energia mecânica. Dentre elas, as máquinas hidráulicas se classificam em motora e geradora:

• Máquina hidráulica motora: transforma a energia hidráulica em energia mecânica (ex.: turbinas hidráulicas e rodas d’água);

• Máquina hidráulica geradora: transforma a energia mecânica em energia hidráulica.

Turbo-Bombas

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Classificação das Bombas Hidráulicas Bombas volumétricas: o órgão fornece energia ao fluido em forma de pressão. São as bombas de êmbolo ou pistão e as bombas diafragma. O intercâmbio de energia é estático e o movimento é alternativo. Turbo-Bombas ou Bombas Hidrodinâmicas: o órgão (rotor) fornece energia ao fluido em forma de energia cinética. O rotor se move sempre com movimento rotativo. Principais Componentes de uma Bomba Hidrodinâmica

• Rotor: órgão móvel que fornece energia ao fluido. É responsável pela formação de uma depressão no seu centro para aspirar o fluido e de uma sobre-pressão na periferia para recalcá-lo (Figura 65). • Difusor: canal de seção crescente que recebe o fluido vindo do rotor e o encaminha à tubulação de recalque. Possui seção crescente no sentido do escoamento com a finalidade de transformar a energia cinética em energia de pressão.

Turbo-Bombas

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Unidade 6: Subestação

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UNIDADE VI : SUBSTAÇÃO

6.1 – Introdução e conceitos

6.2 – Tipos de subestação

6.3 – Equipamentos componentes da subestação

SISTEMA ELÉTRICO DE POTÊNCIA

Conjunto de equipamentos que operam de maneira coordenada com a finalidade de gerar, transmitir e distribuir energia elétrica aos consumidores atendendo a determinados padrões de confiabilidade, disponibilidade, qualidade, segurança e custos, com o mínimo impacto ambiental e o máximo de segurança pessoal.

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ESTRUTURA DO SEP

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Uma subestação pode ser definida como sendo um conjunto de equipamentos destinados a transformar e regular as tensões geradas ou transportadas, permitir a operação segura das partes componentes do sistema, eliminar ou reduzir as faltas e permitir o estabelecimento de alternativas para o suprimento (o mais continuo possível) da energia elétrica.

SUBESTAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

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Basicamente temos as seguintes funções: • Transformação: alteração dos níveis da tensão de modo a adequá-lo as conveniências de transmissão, distribuição e consumo.

• Regulação: regular os níveis de tensão de modo a mantê-los nos limites aceitáveis e admissíveis.

• Chaveamento: conexão e desconexão de componentes do sistema de transmissão ou distribuição, para orientar o fluxo de energia e isolar partes com defeitos, mantendo a continuidade no suprimento de energia elétrica.

FUNÇÕES DAS SUBESTAÇÕES

Algumas subestações, além das funções acima, possuem uma quarta que e a de modificar as características originais da energia elétrica. Estas subestações são denominadas de conversoras e destinam-se a modificar a frequência ou a corrente alternada para continua e vice-versa. Como exemplo temos a subestação de Bateias que pertence a Itaipu.

FUNÇÕES DAS SUBESTAÇÕES

• SE Interligadora: recebe duas ou mais redes elétricas para transporte de energia para grandes centros consumidores. • SE de Transmissão: recebe e transmite energia a centros consumidores nas tensões de transmissão e/ou subtransmissão. • SE de Distribuição: destinada a abaixar a tensão ao nível de distribuição e/ou subtransmissão de modo adequado para utilização direta de consumidores. • SE Industrial: recebe energia nas tensões de transmissão ou subtransmissão e transforma para a tensão de distribuição adequada para a utilização direta na industria.

TIPOS DE SUBESTAÇÕES

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TIPOS DE SUBESTAÇÕES

1. Rede primária 2. Cabo de aterramento 3. Linhas/Barramentos 4. Para-raios 5. Chave seccionadora 6. Disjuntor

SUBESTAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

7. Transformador de Corrente 8. Transformador de Tensão 9. Transformador de Potência 10. Cubículo de Controle 11. Grande/Cerca de Segurança 12. Rede Secundária

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SE

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Componentes

• Transformador

• Disjuntor

• Chave seccionadora a seco (operar sem carga)

• Chave seccionadora a óleo (operar com carga)

• Banco de Capacitores

• Para-raios

• Conjunto de medição indireta, com:

• Transformador de Potencial TP’s e,

• Transformador de Corrente TC’s

• Barramentos (variando com o nível de tensão)

• Grupo Gerador de emergência

• Sistema de telecomunicações

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SE - Transformador

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SE - Disjuntor

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SE - Seccionadora

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SE - TC

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Unidade 7: Para-Raios

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UNIDADE VII : PARA-RAIOS

7.1 – Introdução e conceitos

7.2 – Tipos de para-raios

7.3 - Aplicações

Histórico.

• O estudo cientifico do raio teve inicio em 1752, quando Benjamim Franklin, valendo-se de um “papagaio” ( ou “pipa”) munido de linha metálica, empinou-o num dia nublado propenso a queda de raios e verificou que ocorriam choques quando se tocava na linha metálica.

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Magnitude de corrente do Raio.

• 0,1% excede 200.000 Amperes.

• 0,7% excede 100.000 Amperes.

• 6% excede 60.000 Amperes.

• 50% excede 15.000 Amperes.

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Raio,Relâmpago e trovoada

• Raio: é uma gigantesca faísca elétrica, dissipada rapidamente sobre a terra, causando efeitos danosos.

• Relâmpago: é a luz gerada pelo arco elétrico do raio.

• Trovoada: é ao ruído ( estrondo) produzido pelo deslocamento do ar devido ao súbito aquecimento causado pela descarga do raio.

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Principais Prejuízos causados:

• Incêndios em florestas, campos e prédios;

• Destruição de estruturas e arvores;

• Colapso na rede de energia elétrica;

• Interferência na radio transmissão;

• Acidentes na Aviação e embarcações marítimas;

• Acidentes nas torres de poços e plataformas marítimas de petróleo;

• Mortes em seres humanos e animais.

Incidem diretamente: sobre edificações, linhas de transmissãoo instalações e

pessoas expostas

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Locais a serem evitados durante a ocorrência de tempestades

• Picos de colinas.

• Topo de construções.

• Campos abertos, campos de futebol.

• Estacionamentos.

• Piscinas, lagos e costa marítimas.

• Sob arvores isoladas.

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Legislação Vigente

• No Brasil os sistemas de para-raios devem atender a Norma Brasileira NBR-5419/01 da ABNT ( Associação Brasileira de Normas Técnicas.

• NR-10 do Ministério do Trabalho.

• Decreto 32.329/92 .

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Definições:

• Descarga Atmosférica: Descarga elétrica de origem atmosférica entre uma nuvem e a terra ou entre nuvens, consistindo em um ou mais impulsos de vários quiloamperes.

• Raio: Um dos impulsos elétricos de uma descarga atmosférica para a terra.

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Definições:

• Ponto de impacto: Ponto onde uma descarga atmosférica atinge a terra, uma estrutura ou o sistema de proteção contra descargas atmosféricas.

• Volume a proteger: Volume de uma estrutura ou de uma região que requer proteção contra os efeitos das descargas atmosféricas.

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Estruturas com perigo aos arredores

ESTRUTURAS COM PERIGO AOS ARREDORES

REFINARIAS

DEPOSITO DE COMBUSTIVEIS

FABRICA DE INFLAMAVEIS

FABRICA DE MUNICOES

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Estruturas com danos ao meio ambiente.

ESTRUTURAS COM DANOS AO MEIO AMBIENTE

INSTALACOES QUIMICAS

LABORATORIOS

INSTALACOES NUCLEARES

BIOQUIMICAS

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O SPDA ( Para-Raios) é composto por basicamente 03 subsistemas:

a) Sistema de captação.

b) Sistema de descidas.

c) Sistema de aterramento.

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O SPDA ( Para-Raios) é composto por basicamente 03 subsistemas:

SPDA pode ser dividido em 3 partes:

- rede captora de descargas

- descidas

- aterramentos

•Rede de eqáipotencializaÑÜo à a quarta parte

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Sistema de captores.

• Tem a função de receber os raios , reduzindo ao Maximo a probabilidade da estrutura ser atingida diretamente por eles e deve ter a capacidade térmica e mecânica suficiente para suportar o calor gerado no ponto de impacto, bem como os esforços eletromecânicos resultantes. A corrosão pelos agentes atmosféricos também deve ser levada em conta no seu dimensionamento, de acordo com o nível de poluição e o tipo de poluente da região.

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Sistema de descidas.

• Tem a função de conduzir a corrente do raio recebida pelos captores ate o aterramento, reduzindo ao mínimo a probabilidade de descargas laterais e de campos eletromagnéticos perigosos no interior da estrutura; deve ter ainda capacidade térmica suficiente para suportar o aquecimento produzido pela passagem da corrente, resistência mecânica para suportar os esforços eletromecânicos e boa suportabilidade a corrosão.

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Sistema de aterramento.

• Tem a função de dispersar no solo a corrente recebida dos condutores de descida, reduzindo ao mínimo a probabilidade de tensões de toque e de passo perigosas; deve ter capacidade térmica suficiente para suportar o aquecimento produzido pela passagem da corrente e , principalmente, devem resistir a corrosão pelos agentes agressivos encontrados nos diversos tipos de solos.

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Exemplo:

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Métodos de proteção

• Modelo eletrogeometrico.

• Método Franklin.

• Método da Gaiola de faraday.

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Modelo Eletrogeometrico.

• É a mais moderna ferramenta com que contam os projetistas dos SPDA para estruturas. É baseado em estudos feitos a partir de registros fotográficos , da medição dos parâmetros dos raios , dos ensaios em laboratórios de alta tensão, do emprego das técnicas de simulação e modelagem matemática.

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MODELO ELETROGEOMÉTRICOAPLICAÇÃO A ESTRUTURAS

Modelo Eletrogeometrico.

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Modelo Eletrogeometrico. ESFERA ROLANTE

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Método Franklin

• Este método é baseado na proposta inicial feita por Benjamim Franklin e tem por base uma haste elevada. Esta haste na forma de ponta , produz , sob a nuvem carregada, uma alta concentração de cargas elétricas, juntamente com um campo elétrico intenso. Isto produz a ionização do ar , diminuindo a altura efetiva da nuvem carregada, o que propicia o raio através do rompimento da rigidez dielétrica do ar.

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Método Franklin- Ângulos de abrangência.

• De acordo com a NBR 5419/01 temos para um prédio residencial ( nível de proteção lll) os seguintes ângulos de proteção:

• 45 graus- prédios com altura ate 20 metros

• 35 graus – prédios com altura entre 20 e 30 metros.

• 25 graus – prédios com altura entre 31 e 45 metros.

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Outros exemplos de aplicação de captores tipo Franklin

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Método da Gaiola de Faraday.

• O método Faraday é também conhecido como método da utilização dos condutores em malha ou gaiola.

• Captores em malha consistem em uma rede de condutores dispostos no plano horizontal ou inclinado sobre o volume a proteger. As gaiolas de Faraday são formadas por uma rede de condutores envolvendo todos os lados do volume a proteger.

• Quanto menor forem as distancias dos condutores das malhas, maior será o nível de proteção. 57

Ainda sobre a Gaiola de Faraday

• Este método é o mais utilizado em varias partes do mundo.

• Ele foi especificado em norma a partir de 1993. • É o mais recomendado para edifícios com grades

áreas especialmente em grandes alturas,sendo o mesmo obrigatório para prédios com mais de 60 metros de altura.

• Para um prédio residencial ou comercial comum ( nível de proteção tipo lll) o mesh ou modulo da malha devera ser de 10 x 20 m.

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Exemplo de aplicação da gaiola de faraday.

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Uso dos componentes naturais como captores

• A utilização racional de componente naturais das edificações, como telhados , rufos , telhas metálicas e armações de aço do concreto armado , podem reduzir enormemente os custos e aumentar a eficiência do sistema captor.

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Dimensionamento.

MATERIAL SECAO MINIMA

COBRE 35 MM2

ALUMINIO 70 MM2

ACO 50 MM2

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Para- raios radioativos

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Proibição do para-raios radioativo

• Depois de pelo menos quinze anos de utilização irrestrita no Brasil, os captores radioativos tiveram sua fabricação proibida pelo CNEN-Comissao Nacional de Energia Nuclear, atraves da Resolução n. 4 , de 19 de abril de 1989, e publicada no Diário Oficial da União do dia 9 de maio.

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As Descidas

• Depois da descarga atmosférica ter sido recebida pelo sistema de captores, as correntes correspondentes deverão ser conduzidas ao sistema de aterramento por um conjunto de condutores denominados condutores de descida.

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Os condutores de descida serão instalados de maneira que: • Os condutores suportem térmica e

mecanicamente as correntes e os respectivos esforços dinâmicos.

• Não hajam descargas laterais. • Os campos eletromagnéticos internos sejam

mínimos. • Não haja risco para as pessoas próximas . • Suportem o impacto dos raios . • Não haja danos as paredes. • Os materiais usados resistam as intempéries e a

corrosão. 65

Dimensionamento.

MATERIAL DESCIDA –

ATE 20 M

DESCIDA –

ACIMA 20 M

COBRE 16 MM2 35 MM2

ALUMINIO 25 MM2 70 MM2

ACO GALV.OU

EMBUTIDO

50 MM2 50 MM2

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Requisitos de um aterramento.

• Baixa resistência de aterramento ( deve ser menor que 10 ohms).

• Alta capacidade de condução de corrente.

• Resistência de aterramento variando pouco com as estações do ano.

• Proporcionar segurança ao pessoal, evitando potenciais ao toque, passo e transferência perigosos.

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Eletrodo de aterramento.

É o conjunto de elementos do sistema de aterramento que assegura o contato elétrico com o solo e dispersa a corrente para a terra.

a) Aterramento natural das fundações.

b) Condutores em anel.

c) Hastes verticais ou inclinados.

d) Condutores horizontais radiais.

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Dimensionamento.

MATERIAL ELETRODO DE

ATERRAMENTO

COBRE 50 MM2

ALUMINIO NÃO É PERMITIDO

ACO GALV. A

QUENTE OU EMBUT.

80 MM2

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Proteção Interna

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Importância.

• Com a evolução da eletrônica, os danos causados indiretamente pelos raios estão se tornando cada vez mais importantes , tanto para usuários como para as seguradoras. 71

Surto é um transitório que ocorre em uma rede elétrica.

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Supressor de surto elétrico

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Supressor de surto telefônico.

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Supressor de surto para informática.

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Supressor de surto para CFTV.

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A medição da Resistência.

• A medição da resistência de terra de um eletrodo pode ser feita pelo método do amperímetro e voltímetro ou, mais facilmente, por um aparelho construído especialmente para essa finalidade e que é denominado terrômetro ou telurimetro.

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Terrômetro – modelo Minipa

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Manutenção.

• Os SPDA instalados devem atender a NBR 5419/01 da ABNT.

• Os componentes metálicos ( suportes, mastros , conectores, elementos de contraventagem, etc ) devem estar isentos de oxidação e fuligem.

• Todos os componentes , em especial, os condutores elétricos devem estar tensionados e firmemente conectados garantindo uma perfeita ligação elétrica e mecânica.

• Os valores de resistência ôhmica devem estar abaixo de 10 ohms.

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Periodicidade das inspeções

• Uma inspeção visual do SPDA deve ser efetuada anualmente ( item 6.3.1 da NBR 5419/01).

• Dado as condições climáticas e dos níveis de poluição na cidade de São Paulo recomendamos também uma inspeção completa e medição ôhmica dos aterramentos do sistema.

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Documentação técnica

• Projeto e memorial técnico do SPDA ( prédios novos).

• Croqui ou “as built “para prédios existentes e que passaram por reforma.

• Atestado de medição ôhmica e abrangência do para-raios assinado por Eng. Eletricista.

• ART ( Responsabilidade Técnica) do Eng. Responsável.

• Copia ( Xerox) do documento funcional ( CREA) do eng. Eletricista.

• Comprovante de emissão de captor radioativo para o CNEN.

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