monografia curto circuito

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA Centro Tecnológico Pós-graduação em Metrologia Científica e Industrial RONNY COSTA Automação e Garantia da Confiabilidade Metrológica em Ensaio de Curto-Circuito em Baixa Tensão Dissertação submetida à Universidade Federal de Santa Catarina para obtenção do Grau de Mestre em Metrologia Orientador: Prof. Carlos Alberto Flesch, Dr. Eng. Florianópolis, Outubro de 2005.

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA Centro Tecnolgico Ps-graduao em Metrologia Cientfica e Industrial RONNY COSTA Automao e Garantia da Confiabilidade Metrolgica em Ensaio de Curto-Circuito em Baixa Tenso Dissertao submetida Universidade Federal de Santa Catarina para obteno do Grau de Mestre em Metrologia Orientador: Prof. Carlos Alberto Flesch, Dr. Eng. Florianpolis, Outubro de 2005. Automao e Garantia da Confiabilidade Metrolgica em Ensaio de Curto-Circuito em Baixa Tenso RONNY COSTA Esta dissertao foi julgada adequada para obteno do ttulo de Mestre em Metrologia e aprovada na sua forma final pelo Programa de Ps-graduao em Metrologia Cientfica e Industrial. __________________________________________ Prof. Carlos Alberto Flesch, Dr. Eng. - Orientador ________________________________________________________ Prof. Marco Antnio Martins Cavaco, Ph. D. - Coordenador do Curso BANCA EXAMINADORA __________________________________ Prof. Carlos Alberto Martin, Dr. -Ing. ___________________________________ Prof. Armando Albertazzi G. Jr, Dr. Eng. ___________________________________ Prof. Hari Bruno Mohr, Dr. Eng. Sbio aquele que conhece os limites da prpria ignorncia. Scrates Agradecimentos Em primeiro lugar a Deus. Vriassoaspessoaseentidadesaquemagradeopelomuitoqueme ajudaramnodesenvolvimentodeminhadissertao.AoprofessoreamigoCarlos AlbertoFlesch,portodoseuempenho,pelainestimvelorientao,apoioe confiana demonstrados durante a realizao do trabalho. Aos professores que por vrias vezes no pouparam esforos em atender s demandas do grupo de alunos procedente da WEG Acionamentos, adequando seus horrios e at ementas das matrias s necessidades desse grupo. Em especial, ao ProfessorCarlosAlbertoMartinqueincentivouessegrupoparaqueiniciasseas disciplinas para obteno do curso de mestrado. AosmeuscolegasalunosdaPsMECedaPsMCI,quediretaou indiretamente participaram na elaborao da minha dissertao de mestrado. AWEGAcionamentospelaconcessodaoportunidadedeenriquecimento profissional e pessoal. AosmeuscolegasdetrabalhodaWEG,emespecialaosdasSeesde EngenhariadoProdutoedoLaboratriodeP&DdaWEGAcionamentoseaos colegas da Seo de Metrologia da WEG. Estendomeusagradecimentosaminhame,meusirmosedemais familiares,quemesmodistantes,sempremeapoiarameacreditaramemmim.Em especialagradeoaspessoasqueestiveramaomeulado,quesepreocuparame torceram por mim, e a Hrica, minha esposa, pelo amor e pela pacincia. 5 Sumrio ndice de figuras.............................................................................................. 8 ndice de tabelas............................................................................................ 10 Lista de abreviaturas .................................................................................... 12 Resumo .......................................................................................................... 14 Abstract .......................................................................................................... 15 1Introduo.............................................................................................. 16 1.1Os tipos de curtos-circuitos e seus efeitos..................................................16 1.1.1Efeitos mecnicos................................................................................18 1.1.2Efeitos eletromagnticos......................................................................19 1.1.3Efeitos trmicos ...................................................................................19 1.2Necessidade e importncia do ensaio de curto-circuito..............................22 1.3Proposta de trabalho...................................................................................24 1.4Estrutura do trabalho...................................................................................25 2Caracterizao do ensaio de curto-circuito em baixas tenses....... 28 2.1Normas de ensaio de curto-circuito para disjuntores ..................................28 2.2Circuitos de ensaio conforme as normas de disjuntores.............................30 2.3Ensaio de curto-circuito...............................................................................32 2.3.1Configurao do ensaio - Setup...........................................................33 2.3.2Execuo do ensaio O open eCO close-open ..............................34 2.4Tolerncias das grandezas eltricas na execuo do ensaio .....................35 2.5Rastreabilidade em ensaio de curto-circuito ...............................................36 3Anlise das formas usuais de medio detenso, corrente efator de potncia e de controle do sincronismo e disparo do ensaio de curto-circuito............................................................................................................ 42 3.1Medio de tenso......................................................................................43 3.1.1Divisor de tenso .................................................................................46 3.1.2Divisor de tenso resistivo e resistivo compensado.............................47 3.2Medio de corrente ...................................................................................52 3.2.1Transformador de medio de corrente...............................................52 3.2.1.1Anlise terica do transformador de corrente...................................56 3.2.1.2Ensaios experimentais IEE-USP......................................................63 6 3.2.2Derivadores resistivos - shunts............................................................64 3.2.3Bobina de Rogowski ............................................................................72 3.2.4Transdutores de corrente por efeito Hall..............................................77 3.2.4.1Sensor efeito Hall sem realimentao...........................................79 3.2.4.2Sensor efeito Hall com realimentao...........................................80 3.2.5Comparativo entre os sistemas de medio de corrente.....................83 3.3Medio do fator de potncia......................................................................86 3.3.1Fator de potncia conforme a norma NBR 5361/98 [9]........................87 3.3.2Fator de potncia conforme as normas IEC 60947-1/01 [6] e IEC 60898-1/03 [11] ..................................................................................................90 3.3.3Fator de potncia conforme a norma UL 48902 [14]..........................90 3.4Sistema sincronismo-disparo (seqenciador) .............................................92 4Desenvolvimento de um sistema de ensaio de curto-circuito.......... 96 4.1Sistema de ensaio de curto-circuito WEG................................................96 4.2Sistema de medio de corrente e tenso no ensaio de curto-circuito.....100 4.2.1Transdutores de corrente e tenso....................................................101 4.2.1.1Transdutor de corrente...................................................................102 4.2.1.2Transdutor de tenso .....................................................................103 4.2.2Sistema de aquisio de dados .........................................................104 4.2.3Software.............................................................................................107 4.2.3.1Software para obteno da configurao do ensaio (setup) ..........109 4.2.3.2Software para obteno dos valores medidos no ensaio de curto-circuito para avaliao do desempenho do disjuntor ....................................110 4.3Sistema de controle do ensaio de curto-circuito e o seqenciador ...........111 4.3.1Sistema de aquisio de dados .........................................................116 4.3.2Medio da referncia da tenso da rede eltrica .............................116 4.3.3Software.............................................................................................117 5Avaliao do comportamento metrolgico do sistema de ensaio de curto-circuito desenvolvido ....................................................................... 120 5.1Incerteza de medio do sistema..............................................................120 5.2Avaliao metrolgica dos sistemas de medio de corrente e tenso....122 5.2.1Avaliao da incerteza de medio a priori da placa DAQ ................126 5.2.2Avaliao da incerteza de medio a priori da medio de tenso ...127 7 5.2.3Avaliao da incerteza de medio a priori da medio de corrente.129 5.3Avaliao metrolgica do sistema sincronismo-disparo............................132 5.3.1Avaliao da incerteza de medio na deteco do zero. .................135 5.3.2Avaliao da incerteza de medio na contagem - disparo a 90......139 5.3.3Aplicao da incerteza da medio na avaliao do resultado do ensaio de curto-circuito................................................................................................143 6Concluses e sugestes para trabalhos futuros ............................. 144 6.1Concluses ...............................................................................................144 6.1.1Estado-da-arte em ensaios de curto-circuito......................................144 6.1.2Seleo de instrumentos para medio de tenso e corrente...........145 6.1.3Sistema sincronismo-disparo.............................................................146 6.1.4Automao do ensaio ........................................................................147 6.1.5Comportamento metrolgico do sistema proposto.............................148 6.1.6Alcance dos objetivos propostos........................................................148 6.2Sugestes para trabalhos futuros .............................................................149 Referncias .................................................................................................. 151 8 ndice de figuras Figura 1.1 Tipos de curto-circuito...........................................................................17 Figura 1.2 Fora entre dois condutores..................................................................18 Figura 1.3 Fora entre dois condutores..................................................................19 Figura 1.4 Comportamento da corrente de curto-circuito [5] ..................................20 Figura 1.5 Ciclo de melhoria contnua....................................................................23 Figura 2.1 Circuito para ensaio de curto-circuito em disjuntores tetra-polar...........31 Figura 2.2 Ensaio de curto-circuito - configurao .................................................33 Figura 2.3 Ensaio de curto-circuito O - open.....................................................34 Figura 2.4 Ensaio de curto-circuito CO close open.....................................35 Figura 2.5 Hierarquia de rastreabilidade [19] .........................................................38 Figura 3.1 Tenso e corrente em um disjuntor durante um curto-circuito. .............44 Figura 3.2 Visualizao do disjuntor MBW - componentes internos.......................44 Figura 3.3 Divisor de tenso incluindo as impedncias do cabo de ligao [26] ....46 Figura 3.4 Divisor resistivo [26] ..............................................................................47 Figura 3.5 Divisor de tenso resistivo compensado [26] ........................................49 Figura 3.6 Comportamento da resposta do divisor resistivo compensado .............51 Figura 3.7 Transformador de corrente....................................................................53 Figura 3.8 Modelo do transformador de corrente [34] ............................................56 Figura 3.9 Ensaio real de curto-circuito..................................................................58 Figura 3.10 Circuito equivalente (situao curto-circuito) para ensaio de curto-circuito................................................................................................................59 Figura 3.11 Influncia do modo de passagem dos cabos ......................................63 Figura 3.12 Tipos de derivadores resistivos (shunt) [45] ........................................65 Figura 3.13 Fluxo no derivador resistivo [50]..........................................................67 Figura 3.14 Derivador resistivo coaxial [50]............................................................69 Figura 3.15 Corte transversal do derivador resistivo coaxial ..................................70 Figura 3.16 Forma de onda tpica de resposta ao degrau do derivador coaxial.....71 Figura 3.17 Princpio de funcionamento da bobina de Rogowski ...........................72 Figura 3.18 Bobina de Rogowski rgida e flexvel...................................................75 Figura 3.19 Exemplo de linearidade de uma bobina de Rogowski .........................76 Figura 3.20 Efeito Hall [26] .....................................................................................77 Figura 3.21 Dispositivo de corrente por efeito Hall [26] ..........................................78 Figura 3.22 Sada do transdutor de efeito Hall .......................................................80 9 Figura 3.23 Construo de um sensor de corrente por efeito Hall com realimentao [58]..............................................................................................81 Figura 3.24 Diagrama de blocos mostrando a realimentao [58] .........................82 Figura 3.25 Clculo do fator de potncia pela componente assimtrica ................89 Figura 3.26 Grficos para o clculo do fator de potncia pela extrapolao da tenso ................................................................................................................91 Figura 3.27 Seqenciadores analgico e digital .....................................................95 Figura 4.1 Esquema eltrico de sistema de curto-circuito......................................99 Figura 4.2 Diagrama esquemtico do sistema de medio..................................100 Figura 4.3 Caracterizao da operao dinmica ................................................102 Figura 4.4 Divisor resistivo compensado..............................................................104 Figura 4.5 PXI e seu diagrama esquemtico [72].................................................105 Figura 4.6 Grficos do ensaio de curto-circuito configurao em 0 .................110 Figura 4.7 Grficos do ensaio de curto-circuito ensaio Open no disjuntor em teste .................................................................................................................111 Figura 4.8 Diagrama esquemtico de um seqenciador ......................................112 Figura 4.9 Componentes de placa de aquisio de dados...................................114 Figura 4.10 Diagrama de blocos do sistema sincronismo-disparo .......................115 Figura 4.11 Circuito limitador................................................................................117 Figura 4.12 Tela de interface do usurio com o sistema de disparo ....................118 Figura 4.13 Disparo em 90..................................................................................119 Figura 5.1 Diagrama em blocos geral para as duas cadeias de medio e mapeamento das possveis incertezas associadas [34]...................................122 Figura 5.2 Diagrama de blocos da avaliao da incerteza de medio de corrente e tenso ..............................................................................................................124 Figura 5.3 Diagrama em blocos da avaliao da incerteza de medio do sincronismo-disparo .........................................................................................133 Figura 5.4 Diagrama de blocos da calibrao do sistema sincronismo-disparo...134 Figura 5.5 Calibrao da base de tempo do osciloscpio (VVC = 5,00 s)..........136 Figura 5.6 Calibrao para avaliao da incerteza de medio da deteco do zero.........................................................................................................................138 Figura 5.7 Calibrao para avaliao da incerteza de medio da deteco em 90.........................................................................................................................141 10 ndice de tabelas Tabela 1.1 Ocorrncia dos curtos-circuitos [2] .......................................................17 Tabela 2.1 Valores do fator de potncia e da constante de tempo correspondente ao ensaio de corrente e a proporo n entre o valor de pico e rms do valor da corrente de ensaio..............................................................................................31 Tabela 2.2 Tolerncias das grandezas eltricas no ensaio de curto-circuito .........36 Tabela 2.3 Laboratrios participantes da intercomparao....................................39 Tabela 3.1 Caractersticas das tecnologias dos transdutores de tenso LEM [25] 45 Tabela 3.2 Aplicao dos TC quanto exatido....................................................54 Tabela 3.3 Caracterstica de um sensor de efeito Hall tpico .................................80 Tabela 3.4 Comparao efeito Hall com e sem realimentao ...........................83 Tabela 3.5 Comparao entre os transdutores de correntes mais comumente utilizados no ensaio de curto-circuito .................................................................84 Tabela 3.6 Seqenciadores utilizados nos laboratrios de ensaio de curto-circuito...........................................................................................................................94 Tabela 4.1 Caractersticas tcnicas desejveis x NI PCI-6133 [72] .....................106 Tabela 5.1 Especificao das caractersticas metrolgicas da placa NI PXI 6133 [72] ...................................................................................................................127 Tabela 5.2 Erros mximos (Emx) do transdutor de tenso (percentual e absoluta).........................................................................................................................128 Tabela 5.3 Balano de incertezas a priori do sistema de medio de tenso......128 Tabela 5.4 Resultados da IM a priori para as faixas de medio de tenso ........128 Tabela 5.5 Erros mximos (Emx) do transdutor de corrente (percentual e absoluta).........................................................................................................................130 Tabela 5.6 Balano de incertezas a priori do sistema de medio de corrente....130 Tabela 5.7 Resultados da IM a priori para as faixas de medio de corrente......130 Tabela 5.8 Resultado da medio........................................................................137 Tabela 5.9 Balano de incertezas calibrao osciloscpio 10 s/div (0,22/div)..137 Tabela 5.10 Resultado da medio......................................................................139 Tabela 5.11 Balano deincertezas da deteco do zero....................................139 Tabela 5.12 Resultado da medio......................................................................140 Tabela 5.13 Balano de incertezas calibrao osciloscpio 1 ms/div (21,6/div) .140 Tabela 5.14 Resultado da medio......................................................................142 Tabela 5.15 Balano de incertezas calibrao do disparo a 90 ..........................142 11 Tabela 5.16 Resultados da determinao da IM da contagem............................142 Tabela 5.17 Resultados da determinao da IM do sistema sincronismo-disparo.........................................................................................................................143 12 Lista de abreviaturas A/D Analgico para digital ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas BIPM Bureal International ds Poids et Mesures BNC Bayone-Neill-Concelman BSTS British Short-Circuit Testing Station CA Corrente alternada CC Corrente contnua CEPEL Centro de Pesquisas de Energia Eltrica CESI Centro Elettrotecnico Sperimentale Italiano Giacinto MottoCMRR common mode rejection ratio (razo de rejeio em modo comum) CO Close-open (estabelecimento seguido de interrupo) COBEI Comit Brasileiro de Eletricidade cos Fator de potncia D/A Digital para analgico DAQ Data Aquisition (aquisio de dados) DP Desvio padro E/S Entrada e sada EdF Electricit de France, Direction des Etudes et Recherches EUA Estados Unidos da Amrica FEM Fora eletromotriz FGH Forschungsgemeinschaft fr Hoch-spannungs und Hochstromtechnik e.V. FP Fator de potncia I Corrente IEC - International Electrotechnical Commission IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers IM Incerteza de medio INMETRO Instituto Nacional de Metrologia, Normalizao e Qualidade Industrial IPH Institut Prffeld fr Elektrische Hochleitungstechnik GMBH ISO International Organization for StandardizationKEMA KEMA Nederland BV LABEIN Laboratrios de Investigacin y Ensayos Elctricos LEME Laboratorios de Ensayos y Mediciones Elctricas 13 MM Mdia das medidas MUX Multiplexador O Open (estabelecimento) OIML International Organization of Legal MetrologyPC MicrocomputadorPCI Peripheral component interconnect PXI PCI eXtensions for Instrumentation RBC Rede Brasileira de Calibrao rms Root mean square RTSI Real-Time System Integration SI Sistema Internacional de UnidadesSM Sistema de medio SMC Sistema de medio a calibrar SMP Sistema de medio padro STL Short-Circuit Test LiaisonTC Transformador de corrente Td TendnciaTP Transformador de potencial UL Underwriters Laboratories Inc. USP IEE Universidade de So Paulo Instituto de Eletrotcnica e Energia V Tenso VIM Vocabulrio internacional de termos fundamentais e gerais de metrologia VVC Valor verdadeiro convencional 14 Resumo Osistemadefornecimentodeenergiaeltricaincluiasetapasdegerao, transmisso,distribuioeconsumo.Emcadaumadessasetapassoprevistos equipamentos de proteo para garantir a integridade do sistema em caso de falha. Uma falha tpica o curto-circuito. Em baixa tenso, os equipamentos que executam a funo de proteo, objetivando minimizar os efeitos da falha de curto-circuito, so os disjuntores e os fusveis.Portanto,degrandeimportnciaodesempenhodessesequipamentosem umasituaodecurto-circuito.Agarantiadaconfiabilidadeoperacionaldetais sistemas baseada em ensaios. Nos ensaios de curto-circuito, a exemplo do que acontece com a maioria dos ensaioseltricos,observa-se,historicamente,pequenapreocupaocomas questesmetrolgicas.Mesmoquandoexisteapreocupaocomaconfiabilidade metrolgica, raro que os procedimentos aplicados para avaliao de incertezas e anlise de confiabilidade sejam feitos de acordo com estado-da-arte em metrologia. Apropostadotrabalhofazerumaanlisedetalhadadoensaiodecurto-circuitoembaixastenses.Soanalisados,dopontodevistametrolgico,osequipamentos usuais de medio e controle. feita uma proposta de estruturao deumsistemaautomatizadodeensaio.feitoodesenvolvimentoparcialdo sistemaeumaavaliaodasincertezasdemediodasgrandezasmaiscrticas, paraavaliaodocomportamentometrolgicodossistemasdemedioede controle do ensaio.15 Abstract TheElectricalEnergySystemgoesthroughthestagesofgeneration, transmission,distributionandconsumption.Ineachoneofthesestages,protection equipmentareforeseentoguaranteetheintegrityofthesystemincaseoffault.A typicalfaultistheshortcircuit.Inlowvoltage,theequipmentsthatexecutethe protectionfunction,minimizingthefailureeffectsofshortcircuit,aretheci rcuit breaker and fuse.Therefore, it is of great importance the performance of these equipment before ashortcircuitevent.Theguaranteeoftheoperationalreliabilityofsuchsystemsis based on verification tests. In the short circuit tests, historically, similar to examples that happens with the majorityoftheelectricaltests,smallconcernwiththemetrologicalquestionsis observed. Even when the concern with the metrological reliability exists, seldom the applied procedures for evaluation of uncertainties and analysis of reliability are made in accordance with state of art in metrology. The proposal of this work is to make a detailed analysis of the short circuit test at low voltage. From metrological point of view the usual equipment of measurement and control is analyzed. It is made a proposal for a structured automatic test system arrangement.Thepartialdevelopmentofthesystemandanevaluationofthe measurement uncertainties of the most critical readings are made, for the evaluation of the metrological behavior of the systems of measurement and control of the short circuit tests. 16 1Introduo 1.1Os tipos de curtos-circuitos e seus efeitos Um curto-circuito pode ser definido como uma ligao intencional ou acidental entredoisoumaispontosdeumcircuitoatravsdeumaimpednciadesprezvel. [1]. Assim,ocurto-circuitoumaligaodebaixaimpednciaentredoispontos com potenciais eltricos diferentes [2] [3]. Essa ligao pode ser metlica, quando se diz que h um curto-circuito franco, oupode serpor arco eltrico, que a situao mais comum. Uma outra situao pode ser exemplificada por curto-circuito causadoporbaixa impedncia, porm no desprezvel. Galhos de rvores ou outros objetos que caem sobre as linhas de distribuio de energia eltrica ou presena de animais em painis ou cubculos eltricos so alguns dos exemplos [1] [2].Conforme exposto na figura 1.1, existem, basicamente, quatro tipos de curto-circuito possveis de ocorrer em uma rede eltrica trifsica: trifsico; dupla fase ou bifsico;dupla fase terra; uma fase terra, ou monofsico [2]. Conforme exposto na referncia Curto-Circuito [2], pela prpria natureza fsica dos tipos de curtos-circuitos, o trifsico o mais raro. Em contra-partida, o curto-circuitomonofsicoterraomaiscorriqueiro.Asporcentagensmdiasdecada ocorrncia encontram-se na tabela 1.1 [2]. 17

Figura 1.1 Tipos de curto-circuito Tabela 1.1 Ocorrncia dos curtos-circuitos [2] Tipos de Curtos-CircuitosOcorrncias em % 3 (trifsico)06 2 (bifsico)15 2 - terra (bifsico terra)16 1 - terra (monofsico terra)63 A elevao da corrente pode atingir valores, em geral, superiores a 10 vezes a corrente nominal do circuito. Com essas correntes elevadas surgem trs efeitos, os quaissodenominados:efeitosmecnicos,efeitoseletromagnticoseefeitos trmicos. 18 1.1.1Efeitos mecnicosEssesefeitosaparecemquandosurgemesforosmecnicosentreos condutores ou entre componentes dos equipamentos; Doiscondutoresparalelospercorridosporcorrentesficamsubmetidosa foras que so diretamente proporcionais ao produto das correntes e inversamente proporcionaisdistnciaentreeles.Seforamesmacorrenteacircularpelos condutoresnaidaenoretorno,aforaserdiretamenteproporcionalaoquadrado da corrente (Figura 1.2) [3] [4]. dik F2= (1.1) Onde: F fora entre os condutores k constante i corrente circulando nos cabos d distncia Figura 1.2 Fora entre dois condutores Exemplo: Para um par de condutores percorridos por uma corrente de 80 kA, comafastamentode30cmentresi,pode-seobterumaforade2150Nemum comprimento de 50 cm. [3] Existeumoutroprincpioqueregeosefeitosmecnicos,presentenos equipamentosdecontroleeproteo.Nopontodecontatoentredoiscondutores emquehajamudanadedireodopercursodacorrente,surgeumaforade repulsoquetendeaafastarosdoiscondutores.Essaforaproporcional + ++ d i ii i FF FF Legenda: d distncia entre os condutores F fora i corrente corrente saindo + corrente entrando19 intensidade da corrente e inversamente proporcional distncia entre eles, conforme mostrados na figura 1.3. Figura 1.3 Fora entre dois condutores 1.1.2Efeitos eletromagnticos Essesefeitosaparecemnaformadeperturbaesemequipamentos, especialmente eletrnicos, que estiveremprximos da instalao pela qual circula a corrente de curto-circuito. 1.1.3Efeitos trmicos Esses efeitos aparecem na forma de aquecimento dos elementos percorridos pelacorrente[3][4].Ascorrentesdecurto-circuitoprovocamumintenso aquecimento dos condutores. Quandoessascorrentessodecurtadurao(1a5)s,admite-sequeo aquecimentoadiabtico,isto,quetodocalorutilizadonoaumentode temperatura dos condutores [4]. Exemplo:Oaquecimentodeumcondutordecobredeseo100mm2(com capacidade de conduo para uma corrente em torno de 200 A) quando percorrido por uma corrente de 10 kA com durao de 1 s, sofrer aquecimento em torno de 57 Cepara3semtornode254C.Jocondutordealumniopercorridoporesta corrente por 3 s, teria um aquecimento em torno de 890 C [4]. i F i Legenda: F fora i - corrente 20 Essesefeitosmecnicosetrmicospodemgerarfadiga,comoreduoda resistnciamecnicaedestruiodosmateriaisisolantesdoscondutores.Podem danificarosequipamentosdevidoaoselevadosesforosmecnicose,como conseqncia,podem gerar paradas em todo o sistema eltrico. Portanto,aoseprojetarumsistemaeltricodeseja-sequeomesmoseja confivel e robusto o suficiente para que esteja protegido em caso de ocorrncia de qualquerfalha.Noinstantedocurto-circuitodistantedogerador(a),acorrentesobe rapidamenteatingindoovalordecristaevaiemseguidadiminuindo exponencialmente, passando pelos valorestransitrios para atingir depois de alguns ciclos, o valor permanente de curto-circuito (Figura 1.4) [4]. Figura 1.4 Comportamento da corrente de curto-circuito [5] As amplitudes de correntes dependero da fora eletromotriz dos geradores e dasimpednciasnocaminhoentreo(s)gerador(es)eopontodecurto,taiscomo cabos, barramentos, impedncia interna dos transformadores, dos equipamentos de manobras,dentreoutros.Noinstantedocurto,motorespodemfuncionarcomo (a) -Naocorrnciadeumcurto-circuitopertodogeradortemosainflunciadasimpedncias subtransitrias e transitrias do gerador e o comportamento da corrente eltrica difere da apresentada na figura 1.2. 21 geradores,contribuindoparaaumentaracorrente;ostransformadores,reatorese condutores, para reduzi-la [4]. Asconseqnciasdocurto-circuitosovariveisdependendodotipo,da durao da falha, do ponto da instalao onde a falha ocorre e da potncia de curto-circuito no ponto da falha [4]. Aspossveiscorrentesgeradasdevidofalhaporcurto-circuitodevemser conhecidas em todo sistema eltrico, visando dimensionar protees que minimizem osefeitosdessafalha.Osdispositivosutilizadosparareduzirosefeitosdoscurtos circuitos sobre os equipamentos e as instalaes de baixa tenso so: Fusvel:dispositivos, inseridoemsrienocircuito,que,porfusodeumou mais elementos so designados para interromper a correnteem um circuito eltrico. Essainterrupoocorrecomatraso,apsumtempodeterminado,seacorrente ultrapassar um valor especificado [6]. Disjuntor:dispositivodemanobra(mecnico)edeproteocapazde estabelecer,conduzir,einterrompercorrentesemcondiesnormaisdocircuito, assimcomoestabelecer,conduzirportempoespecificadoeinterrompercorrentes em condies anormais especificadas do circuito, tais como as de curto-circuito [1]. Aconfiabilidadedosistemaeltricodepende,principalmente,do comportamentoeficientedesseselementosquecompemainstalaodiantedas maisdiversasexignciasnormaiseanormaisquedeveroessesequipamentos enfrentaraolongodesuavidatil.Portanto,asempresasfabricantesantesde comercializaremtaisequipamentosdeproteo,devemproverosdiversostestes normatizadosparaassegurarqueodispositivotenhaseudesempenhogarantido anteumasituaoadversaquenecessitesuaatuao,comoporexemplocurto-circuito. 22 AWEGIndstriasS.A.DivisoAcionamentosfabricantededispositivos deproteodesistemaseltricos,entreeles,disjuntoresefusveis.Coma assessoria da Universidad Nacional de La Plata (Argentina), a WEG est projetando e construindo um laboratrio de medies em curtos-circuitos. Numa primeira etapa, prev-se a gerao e o controle de situaes de curto-circuito, com possibilidade de ensaio de correntes at 10 kA em tenses deat 690 V. 1.2Necessidade e importncia do ensaio de curto-circuito Asinstalaeseltricasdebaixatensoquasesemprenecessitamde proteocontracurto-circuito.Paraestetipodeproteosousadosfusveise disjuntores.Estesdispositivosdeproteodevemsertestadosconformenormas internacionalmentereconhecidasparaverificaodasuaeficinciaperanteauma situao de curto-circuito. Para os disjuntores, por exemplo, devem ser avaliadas as capacidadesnominaisdeinterrupoeestabelecimentoemcurto-circuito.Esse ensaio verifica o maior valor eficaz (presumido)da corrente simtrica que o disjuntor capazdemanobrarsemserdanificado.Essamanobrapodeocorrerdeduas formas:umainterrupodiretadocircuitoouatravsdeumestabelecimento seguindodeumaimediatainterrupo.Apsosensaiosdeinterrupo,os disjuntores so submetidos a outros ensaios, como por exemplo: rigidez dieltrica e disparo trmico, para assegurar que suas funes no foram prejudicadas. Contudo outros ensaios, tais como: ensaios em cubculos de baixa tenso, painis eltricos, barramentos, dentre outros, devem ser executados para garantir a proteo em uma situao extrema de curto-circuito [3] [7]. Vriosensaios,dentreeleselevaodetemperatura,avaliaododisparo trmico e magntico em disjuntores e avaliao da rigidez dieltrica so necessrios 23 paraverificaododesempenhodosequipamentosdeproteofabricados. Contudo,osensaiosdecurtos-circuitosparaavaliaodacapacidadede interrupodoselementosdeproteosoobrigatrios,visandoasseguraro perfeitofuncionamentodosdispositivosdeproteoperanteapiorsituaonas instalaes eltricas: o curto-circuito. O ensaio de curto-circuito nas instalaes dos fabricantes, alm de assegurar operfeitofuncionamentosdosdispositivosdeproteo,permitequesejam realizados ensaios relativos pesquisa e desenvolvimento. Os prottipos com novos materiais,novosprojetosemodificaespermitiroumamelhoriacontnuana qualidadedosprodutosdesenvolvidos,seguindoaseqnciainterativa:projeto, prottipo, ensaio de validao, melhoria. (Figura 1.5) Figura 1.5 Ciclo de melhoria contnua Asituaoatualdametrologianosensaiosemaltacorrentemotivaa pesquisaeasistematizaodeaesconcernentesanlisemetrolgica.Pelos procedimentos e normas atualmente empregados em tais ensaios percebe-se que a confiabilidade metrolgica dos mesmos est muito aqum do que seria desejvel em seconsideradooestado-da-arteemmetrologia.Portanto,existeanecessidadede um estudo e avaliaodas atividades relativas ao laboratrio de ensaios emaltas correntes, em busca da confiabilidade necessria. Projeto Prottipo ENSAIO Melhoria Pesquisa Problema Identificado Soluo p/ problemas 24 A aplicao dos conhecimentos metrolgicos pode implicar: conhecimento das incertezas inerentes aos ensaios; confiana nos ensaios realizados; conhecimento do comportamento dos produtos ensaiados; confiana na avaliao da conformidade. 1.3Proposta de trabalho Oobjetivoprincipaldotrabalhodesenvolverumaavaliao,dopontode vista metrolgico, do sistema de ensaio de curto-circuitoem baixas tenses. Dentro dos objetivos secundrios, inseridos no objetivo principal, listam-se: dominar a tecnologia envolvida no ensaio de curto-circuito; ligarastecnologiasdemediodisponveiscomoensaioespecficode curto-circuito (altas correntes); alertar sobre as limitaes, do ponto de vista metrolgico, concernentes s medies de altas correntes nos ensaios de curto-circuito; desenvolvimento de um sistema de ensaio de curto-circuito. Frente a esse cenrio fica clara a importncia do aprofundamento do estudo daaplicaodametrologianosensaiosdedispositivosdeproteodesistemas eltricos. Dentrodessecontextosoanalisados,dopontodevistametrolgico,todos osequipamentosdemedioutilizadosnoensaiodecurto-circuito.Esseestudo contemplaaanlisetericadecadaequipamentodemediopriorizandoos sistemas em que a medio e o controle so crticos. No ensaio de curto-circuito os sistemasditoscrticossoamediodealtascorrenteseltricaseocontroledo momento de estabelecimento do curto-circuito. 25 Aps esse estudo, so propostos o projeto e a construo de um sistema de ensaiodecurto-circuito,ondesoanalisadosedescritosemdetalhesosprincipais componentes do sistema proposto para o referido ensaio. Nessa abordagem, dado enfoque aos componentes de medio e controle crticos do ensaio de curto-circuito. Para avaliao da confiabilidade do sistema de medio e controle proposto feita uma avaliao do comportamento metrolgico do sistema desenvolvido. 1.4Estrutura do trabalho A diviso do trabalho foi feita atravs de captulos, conforme segue: Captulo 1 Introduo Descrio,baseadonarevisobibliogrfica,doconceitoedostiposde curtos-circuitos e dos respectivos efeitos decorrentes da ocorrncia do curto-circuito nasinstalaeseltricas.Nessaetapa,soabordadasanecessidadeea importncia do ensaio de curto-circuito. Captulo 2 Caracterizao do ensaio de curto-circuito embaixas tenses. Sodescritosossistemasdeensaiosdecurto-circuitoconformeabordado nas normas nacionais e internacionais. realizada uma anlise dos tipos de ensaios de curto-circuito em disjuntores, a fim de estudar, com profundidade, o procedimento derealizaodoensaiodecurto-circuitonessesdispositivosdeproteo.Nessa etapa so ainda avaliados os erros mximos admissveis previstos nessas normas e, finalizando,dadaatenoespecialrastreabilidadedosistemademedionos ensaios de curto-circuito.26 Captulo 3 Anlise de formas usuais de medio de tenso, corrente e fator de potncia e controle de sincronismo e disparo do ensaio de curto-circuito. Baseadasemumaamplarevisobibliogrfica,soavaliadasasmelhores prticasdemedio(tenso,corrente,fatordepotncia)econtroledosistemade estabelecimentodoensaiodecurto-circuito,analisandoosequipamentosde mediomaisadequadosdopontodevistatcnico-econmico.Sopriorizadosos sistemasemqueamedioeocontrolesocrticos.Nosistemademediode corrente so analisadas e comparadas as quatro principais prticas de medio de altascorrentes(transformadordecorrente,derivadoresresistivos,bobinasde Rogowski e sensor de corrente por efeito Hall). Captulo4Desenvolvimentodeumsistemadeensaiodecurto-circuito (hardware e software). Nesta etapasodescritos, em linhas gerais, oprojeto e a construo deum sistema de ensaio de curto-circuito, incluindo diagrama, equipamentos principais de manobra e sistemas de medio. So detalhados os componentes dos sistemas de medio de corrente ede tenso incluindo os respectivos transdutores e o sistema deaquisiodedados.apresentadoodesenvolvimentodaprimeiraversodo software de medio e controle do ensaio, implementado em ambiente Labview. Captulo5Avaliaodocomportamentometrolgicodosistema desenvolvido. Baseado nos equipamentos utilizados para o ensaio, obtida a incerteza de medioparaasgrandezasmaiscrticasdoensaiodecurto-circuito(mediode alta corrente eltrica econtrole do estabelecimento do ensaio de curto-circuito). So 27 avaliadastodasascontribuiesdosequipamentosdosistema,taiscomo, transdutores,amplificadores,sistemasdeaquisio.feitaumacomparaocom osrequisitosdeespecificao(errosmximosadmissveis)obtidose descritosno captulo 2. Captulo 6 Concluses e sugestes de trabalhos futuros Nessa etapa, so apresentadas as concluses do trabalho. Adicionalmente, so sugeridas possveis oportunidades de desenvolvimentos futuros. 28 2Caracterizaodoensaiodecurto-circuitoembaixas tenses 2.1Normas de ensaio de curto-circuito para disjuntores Nosorarasasocasiesemqueoscurtos-circuitosseapresentamnas instalaes eltricas. Porm, graas aos avanos tecnolgicos ocorridos nos ltimos anos, equipamentos tais como disjuntores e fusveis tm garantido com eficincia a proteo das pessoas e das instalaes eltricas. NoBrasil,oCOBEIComitBrasileirodeEletricidadeadotou,para disjuntores de baixa tenso para uso industrial, a norma IEC 60947-2 Low-voltage switchgear and controlgear Part 2: Circuit-breakers [8] complementada pela norma IEC 60947-1 Low-voltage switchgear and controlgear Part 1: General Rules [6]. Essasnormasditamasregrasgeraisparadispositivosdecomandoemanobrade baixatenso.Porm,paradisjuntoresdebaixatensoparausoresidencial(ou melhor,parausoporpessoasnohabilitadas)nohouveumconsensona reviso danormaNBR5361Disjuntordebaixatenso[9].Somentefoiadotada,parao Mercosul,aNBRNM60898Disjuntoresparaproteodesobrecorrentespara instalaesdomsticasesimilares[10],versoemportuguseespanhol,que substitui a NBR IEC 60898(correspondente internacional IEC 60898-1 Electrical accessoriesCircuitbreakersforovercurrentprotectionforhouseholdandsimilar installations Part-1: Circuit breakers for a.c. operation [11]). Osdisjuntoresparausoporpessoasnohabilitadassodecertificao compulsria,ouseja,paraseremcomercializadoseinstalados,devemterum certificado emitido por um rgo credenciado pelo INMETRO.29 Acertificaodeumprodutoconsiste,entreoutrascoisas,narealizaode umabateriadeensaiosdetipo,ensaiosparademonstrarqueumcertoprojeto satisfazcertascondiesespecificadas[12].Dentreestes,existemosensaiosde suportabilidade,ensaiosparaverificarseoequipamentocapazdesuportara solicitaoquelheimposta,incluindocondiesespecialmenteseverascomo curto-circuito. Esses ensaios devem ser executados para verificar o desempenho do disjuntor em relao ao que foi projetado. H vrias normas, no mbito internacional, que regulamentam os ensaios de disjuntores em baixa tenso: IEC 60947-1 Low-voltage switchgear and controlgear Part 1: General Rules [6];IEC 60947-2 Low-voltage switchgear and controlgear Part 2: Circuit-breakers [8]; NBR5361 Disjuntor de baixa tenso. Rio de janeiro, RJ, set. 1998 [9]; IEC60898-1ElectricalaccessoriesCircuitbreakersforovercurrent protectionforhouseholdandsimilarinstallationsPart-1:Circuit breakers for a.c. operation [11]; IEC60947-4-1Low-voltageswitchgearandcontrolgearPart4-1: Contactorsandmotor-staters-electromechanicalcontactorsandmotor-staters [13]; UL489MoldedCaseCircuitBreaker,MoldedCaseSwitchesand Circuit Breakers Enclosures [14]; UL 508 Industrial Control Equipment [15]; OprocessodeglobalizaoimpeousodasnormasIEC,pormagrande polmica est na definio de que norma utilizar. Diferentes mercados consumidores exigem diferentes normas. 30 2.2Circuitos de ensaio conforme as normas de disjuntores Soprevistosdoistiposdeensaios:diretoesinttico.Oensaiodefinido como direto quando a tenso e a corrente provm da mesma fonte. O ensaio dito sintticoquandoatensoeacorrenteprovmdefontesseparadas[7].Asduas concepes de ensaios, direto e sinttico tm seus prs e seus contras [7] que no sero abordados neste trabalho. abordado neste trabalho somente o ensaio direto. ConformedescritonanormaIEC60947-1-Low-voltageswitchgearand controlgearPart1:GeneralRules,[6],estoprevistoscircuitosparaensaiosem equipamentosmono,bi,trietreta-polar.Afigura2.1mostraumexemplodeum ensaio de verificao da capacidade de estabelecimento e interrupo de disjuntores tetra-polares na condio de curto-circuito [6].Avaliandoasoutrasnormasqueprescrevemoensaiodecurto-circuito percebe-sequehpequenasvariaesnocircuitodeensaios.Alocalizaodos elementosdoscircuitosumexemplodessasvariaes.Cita-sealgumasdessas variaes:alocalizaodachavesncronanamdiaounabaixatenso,o posicionamento das cargas de ajuste a jusante ou a montante do objeto em teste e os posicionamentos dos elementos de medio.Analisandoascaractersticasinseridasnasnormasdeensaiopercebe-se que,dependendodonveldecorrenteaserutilizadoparaavaliaode equipamento,humainterdependnciadascaractersticasaseremcontroladas durante o ensaio. Essa interdependnciaentre as grandezas tenso, corrente, fator de potnciaeconstantedetempovisaavaliaradequadamenteodesempenhodos equipamentos sob o ensaio de curto-circuito. Exemplificandoaobservaoacimaapresentadonatabela2.1relao entre a corrente de teste, fator de potncia e a constante de tempo [6].31 Tabela 2.1 Valores do fator de potncia e da constante de tempo correspondente ao ensaio de corrente e a proporo n entre o valor de pico e rms do valor da corrente de ensaio Corrente de Ensaio (A) Fator de Potncia Constante de Tempo (ms)n I 1500 1500