impedância de barramentos blindados lumière
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~UPORTE TÉCNICO BARRAMENTOS BLINDADOS
,..
Impedância de barramentosblindados - influência das
., . .caracterlstlcas construtivas eresultados práticos de medições
Elaboradopor EduardoBomeisel e RicardoSantos d'Avila
Barramentos blindados (ou linhas elétricas pré-fabricadas) são
utilizados freqüentemente em edifícios, nos quais a mediçao da
energia consumida pelos condôminos é feita ao longo do seu
percurso. Por conduzirem energia antes do medidor, as perdas
elétricas do barramento são um "custo" para as concessionárias
de distribuição, que elaboramnormasque limitam as perdas I
no barramento. A impedãncia dos barramentos passa a ser sua
característica determinante, na,escolha do modelo. A seção dobarramento, -comsua forma, material dos condutores e material
dos invólucros são os fatores que determinam a impedãnciade um barramento blindado.
Invólucrodechapa deaçoou alumínio
Isoladores
Condutoresdecobreou alumínio. } .
Seção típica de um barramento blindado comoito condutores, dois para cada fase e neutro.
Este artigo enfoca barramentos blindados, utilizados em ins-
talações prediais e industriais mais comuns comercialmente, e
se baseia em barramentos blindados para a seguinte aplicação:.
distribuição de energia elétrica; 'ambientes abrigados; baixa ten-são «1.000V); trifásicos 60Hz.
Considerando:se as perdas por aquecimento nas instalações,o Efeito Joule, estas são abordadas de modo indireto quando do
dimensionamento dos condutores pelos critérios da capacidade de
con~ução de corrente elétrica (nas temperaturas de operação doscondutores) e das quedas de tensão dos trechos da instalação.Isso, de algum modo, limita as quantidades de energia elétrica
despendidas no aquecimento dos condutores.
CRITÉRIOSDE PROJETODE BARRAMENJOSBLINDADOSA escolha de um determinado barramento blindado é deter-
minada pelo usuário por suas necessidades específicas. Deve-selevar em conta as característicasda instalação: tensão do sistema;
nível de curto-circuito; corrente demandada (A); perdas máximas
(W/m) (tiV) (Wh/mês); penetração de água ou objetos; resistênciaà corrosão e ao material dos condutores.
O-material do barramento será definido por critérios comerciais.
Um barramento de cobre deve ter o mesmo desempenho de um
barramento "de alumínio e as normas específicas aplicáveis são
as NBR-IEC-60439-1e NBR-IEC-60439-2.Desse modo, o projeto do barramento deve minimizar a impe-
dância sem aumentar seu custo de produção e sua impedância
definirá seu custo e, portanto, sua atratividade ao cliente.
A corrente nominal é determinada pelo equilíbrio entre a ca-
pacidade de dissipação térmica do barramento e a"geração decalor dos condutores. Isso é obtido com o dimensionamento
da seção dos condutores, sua área de dissipação térmica e ascaracterísticas de ventilação do invólucro.
Normalmente, para um mesmo grau de proteção do invólucro e
material dos condutores, a capacidade de corrente é diretamente
proporcional à seção dos condutores.
A isolação é projetada para a tensão de operação com adoção
de distâncias entre condutores entre si e a terra apropriadas,associadas aos materiais isolantes.
Acapacidade de curto-circuito é definida pela resistência térmi-
11dezembro2008
ca dos condutores à energia do curto-circuito e pela resistênciamecânica aos seus esforços dinâmicos.
FATORES QUE DETERMINAM A IMPWÂNCIA DO BARRAMENTO
BLINDADO
A impedância é influenciada pelas características menciona-
das, mas a forma do barramento é fundamental para um bom projeto
e seus condutores são barras chatas. Os fatores que determinam sua
impedância serão divididos em: forma da seção; distância entre barras;
arranjo das barras; material do invólucro; e qualidade das emendas.
MATERIAIS CONDUTORES
Os materiais comercialmente viáveis para a fabricação de bima-
mentos blindados são o cobre e o alumínio. As características mais
importantes desses materiais, por ocasião da escolha e do projeto,
são: preço (R$/kg); resistividade (Qmm'/m); calor específico O/kg<>C);
condutividade térmica (W/m°C); e densidade (gfcm3). São grandezas
e características físicas que pesam nas escolhas possíveis, além de
ressaltar que, quer a linha elétrica pré-fabricada tenha condutores
de cobre quer de alumínio, deve apresentar características elétricas
de impedância (Z=R+jXl) muito próximas.
FORMASDE BARRAMENTOSBLINDADOS
Para se avaliar as formas de barramentos blindados, é pos-
sível utilizar métodos de cálculos e simulações computacionais
para determinar as impedâncias médias de seqüência positiva.
A utilização de simulação computacional, utilizando-se o método
dos elementos finitos, permite uma razóável aproximação dos
valores das impedâncias.
Além dos valores de impedância, podem ser definidos dois
índices fins de comparação:
Seção eficaz SE = [resistência/m calculada] / [resistividade/mdo cobre a 70°C]
lembrando que [resistência/m] = [resistividade/m] / [seção]
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Esta grandeza descreverá a perda de condutividade do barra-mento blindado em razão da indutância mútua entre condutores
e será um parâmetro.importante na determinação da impedância
e da capacidade de corrente.
Fatorde qualidade FQ= [dV]/[dV de um barramento-padrão]
Sendo dV a queda de tensão em V/A/100m do barramento.
Esta é a grandeza mais freqüentemente utilizada para se de-finir o barramento.
Quanto menor o fator de qualidade, melhor o barramento.
Como barramento-padrão, com fator de qualidade 1 e com cor-
rente nominal típica de 1.500A, adota-se a forma da Figura 2.
11111111- -
-Duas barras (cobre) por fase, cada uma com seção 65X5mm
-Invólucro de chapa de aço de 1,5mm de espessura
-Este barramento tem as seguintes características em mohm/m:
Seção de um barramento blindado utilizado com padrãopara análise das características elétncas por cálculo.
Calculado Medido
R Resistência a 70' 0,0343 0,035,.XL Indutãncia média por fase 0,0262 0,029
Z Impedância/m . 0,0432 0,045
dV Queda tensão cos(fi)=0,9 o,OOnV/A/100m
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Valorescomparativos entre várias formas de barramentos coma mesma seção de cobre são mostrados na Tabela 1. a seguir.
MÉTODOSDEMEDIÇÃODAIMPEDÂNCIAAobtençãodos valoresde interessedas impedãnciaselétricas
dos barramentosblindadospodeser estudadasob váriasóticascorrespondentes às várias característicase situações de operação.levando em conta características das correntes elétricas passíveisde circularem (seus valores. seus tempos de circulação e suasfreqüências). bem como as possíveis solicitações das tensõeselétricas passíveis de ocorrerem nas instalàções.
Para tal. modelos elétricos dos barramentos são utilizados em
~
função do tipo de análise necessária.Emsituações nominais de corrente elétrica. modelos que com-
preendem as Resistências Óhmicas (Rac)e Reatâncias In'dutivas
(\) podem ser satisfatórios.Neste trabalho. enfocamos somente as medições feitas com
correntes nominais e tensões reduzidas. preconizadas pela normaNBR-IEC-60439-2e obtidaspor ocasiãoem ensaios de elevaçãode temperatura.
Outros métodos serão objetos de estudos e artigos futurosque proveriam uma possível vantagem inicial: economia consi.-derável de tempo nas medições que seriam feitas com sinais debaixa intensidade de corrente e de tensão e implicariam a não-
CARACTERíSTICASDE VÁRIOS BARRAMENTOSCOM A MESMA SEÇÃODE COBRE
/
11 dezembro 2008
TIPO ARRANJO CARACTERíSTICACONSTRUTIVAdV SE - FQ
- V/NlooM % de 650mm'
J 11111111[,
1 RSTNRSTN 0.0073 94.3 1
2J 11111111[ RSTRSTNN 0.0069 99.2 0,94
3 '11111111=2 sem invólucro de Fe 0.0067 101,1 0.91
.-
4] 1111111I[
RRSSTTNN 0,0138 72.0 1,88
5 J 11Ulllt[RRss TI NN 0.0150 83,6 2,4
6J 1111111 [ RS STTR N 0.0079 85,0 1,08
7 J 1111 [ lbarra/faseRST N 0.0120 . 101,2 1.64
8 ] 1111[ 6 com bar"ras próximas 0.0103 101.9 1.40, .-
I 9 JI[ barras coladasR S T N 0,0063 lÕ3.5 0,86
-10 ]-.--[ barrasdeitadas 9,0271 46.7 3,70
J....[ --12 barras redondas 0.0231 62.0 3,16
.13 ... barras redondas (sfinv) 0.0135 90.3 1.84
12 N12
Diagrama esquemático das conexões para mediçõesdas características elétricas em corrente nominal,pelas potências medidas por fase.
Diagrama esquemático das conexões para medições-das características elétricas em corrente nominal,
pelo "método dos dois watímetros".
.Terminalà compressãocom boca expandida
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~~"F"-~ ~Hastes de AterramentoBornes · Terminais \..~v..,.. !~ \~ ~ára-raios tipo "Franklin"
Conectores · Ferramentas . , Acessórios para Aterramento
utilização de conexões robustas e auxiliares(barras de entrada e de saída), necessáriasnos ensaios de elevação de tempera-tura, e o tempo de estabilizaçãodas temperaturas.
Durante as medições foram efetua das, adi-
cionalmente em alguns corpos de prova,
outras medições de potências (para o
mesmo corpo de prova, com a mes-
ma montagem, com as mesmas
o que pode tornar interessanteos estudos de outros métodos de
medição são possíveis situações futu-ras de utilização das linhas elétricas pré-fabricadas para condução de sinais de dados(medição,telefonia, etc.) e geração descentralizadaem corrente contínua (conversão química por célulasde combustível e fotovoltaica).
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correntes de ensaio). Foramefetuadas mediçõesde potências
elétricas ativas, porém monofásicas,tomando-se as mesmas três correntes
das fases, filas com tensões monofásicas
V'N' V2Ne V3N' sendo N o ponto de íechamen-
to de curto-circuitoda montagem de ensaio. Foipossível constatar que o uso do método dos dois
watímetros é compatível, pois a soma das três potên-cias monofásicas foi praticamente igual aos valores obtidos pelométodo dos dois watímetros.
Foipossível obter valores de impedância pelo método dos doiswatímetros (impedância média pelo método da norma) e três im-pedâncias monofásicas"bastantediferentes, mas com suas médiascorrespondentes à impedância média pelo método da norma.
Outra questão, que se revelou durante alguns cálculos dàsimpedâncias, se deveu ao fato de serem utilizadas, em algumasmontagens de ensaio de elevação de temperatura" barras nofechamento (lado do curto-circuito) e na alimentação (lado dafonte) de material distinto do material das barras do corpo de
. prova. Por exemplo: corpo de prova (barramento) com barrasde alumínio e fechamento e alimentação em cobre. Assim, foi
A MEDIÇÃO DA IMPEDÂNClA PELO MÉTODO DA NORMA NBR-
IEC-60439'2 .O método 'sugerido de medição e de cálculodas características
elétricas em corrente nominal basicamente sugere que em um cir-cuito trifásicode comprimento Lsejam medidas: as correntes nastrês fases (l ,I e I '. as tensões entre as três fases (V ,V e V '. a
12 -r 12 2313'
potência elétrica ativa total (P). Daí são calCulados o valor médio da
corrente 1=(1 ,+1 +1 '1 3 e o valor médio da tensão V=(V ,+V +V '131 2 3' 12 23 13'
para cálculo da impedância Z=R+jXL,sendo:
Z=VN3 x I x L); R=P/(3 x I' x L); XL=X=(Z2- R2)1/2.Que são
valores, também médios, das impedâncias.
As conexões, inicialmente, efetuadas para medição das potências elé-tricas ativas trifásicas foram as do "método dos dois watímetros".
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~UPORTE TÉCNICO BARRAMENTOS BLINDADOS
Exemplo: Barras de [obre =2oX6mm/Comprimento: 6,sm/1barra por fase
MEDiÇÕESTRIFAsICAS:
Corrente de ensaio 24SA (média)/ Tensão: O,72V(média)
Potência ativa trifiÍsica: 236,2W
P/ temperatura ref.:2o'C, temos:
Z=o,234mohm/m -R=o,16smohm/m -X=o,166mohm/m
MEDiÇÕESMDNOFAsICAS:
Na fase 1: P,N=102W/I,=247A/V,N=O,0496V
P/ temperatura ref.:2o'C, temos: -
Z'N=o,27smohm/m - R'N=o,216mohm/m - X'N=o,171mohm/m
Na fase 2: P'N=77,6W/I,=247A/V'N=O,374V
P/ tempera~ura ref.:2o'C, temos:
Z'N=o,206mohm/m - R'N=o,164mohm/m -X'N=o,124mohm/m
Na'fase 3': P'N=77,6W/I,=247A/V'N=O,372V
P/ temperatura ref.:2o'C, temos:
Z,N=o,229mohm/m -R'N=o,111mohm/m -X,N=o,201mohm/
Valores médios das medições monofiÍsicas (valores referidos a 20'C):
Z"'DID=o,237mohm/m - R..'DID=o,164m.ohm/m -X"'DID=o,16smohm/m
Diferenças %=100X (média monofiÍsica-trifiÍsica)/(médiamonofásica)
dZ%=+1,o/ ~R%=-1,O%/ dX%=-o,S%
Potência ativa trifiÍsica: 236,2W
Potência ativa trifiÍsica=P,N +P,N+P,.=232,9W ~ dif%=1,4%
Exemplo de medições de potências e cálculos de impedâncias.
1\ 'EY1e&j~tItro{e50 aGBT h
FORMA :>TTA 3'.5 kA
Testado tE.E. USP
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...~. ..- -. ..;~;~- -. ..;~.~ .~..:-:-
OGBT.FOI111a3B
necessário, durante os cálculos das impedãncias, admitirmos umcomprimento equivalente do corpo de prova que expressasse areatância e a resistência, estudando as característicasdas ligaçõesde entrada e de saída, buscando atenuar seus efeitos.
CONCLUSÕES
As medições efetÚadas mostraram-se compatíveis com os valo-res simulados e as formas de barramentos foram mostradas paracompreensão e escolha das melhores condições e características,de modo que a metodologia por ora adotada se mostra razoável,mas requer estudos mais aprofundagos.
Algumas observações podem ser feitas relativas às condiçõesestabelecidas pela norma NBR-IEC-60439-2para a execução dasmedições, citando apenas duas a título de exemplo e colabo-ração: efeitos das conexões (barras) de entrada e de saída;uso da impedância média e seus efeitos para estimativas deincertezas de medição. .
É possível realizaras medições em qualquer temperatura (desdeque conhecida), não aguardando a estabilização, e depois corrigiros valores calculados para as temperaturas desejadas.
Está aberto espaço para estudos e elaboração de sistemáti-cas alternativas (ou adicionais) de medições para obtenção dasimpedâncias que não demandem, .necessariamente, montagensde grandes dimensões.
» Eduardo Bomeisel é engenheiro mecânico aeronáutico e membro
do Institute of Elecbical and Electronics Engineers OEEE)
» Ricardo Santos d'Avila é engenheiro eletricista, mestre em
energia e especialista de laboratório no Laboratório de Altas
Correntes (LAC)do Instituto de Eletrotécnica e Energia OEE)da
Universidade de 'São Paulo (USP)
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Unid.1: R. WiIk Ferreira de Soula, 145.\ - DisIr. 1ndustriaI- CEP 15035-510 - Unid. I; R. José Guide, 700 - DisIr.lndusIriaI
CEP15035-500-TeI.:1740095100- Fax:1740095104- sao José do RioPreta/SP-~ -_.vrpaineis.c:om.brCCM-!!T Gaveta Exlralvel
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