UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ INSTITUTO DE TECNOLOGIA FACULDADE DE ENG. ELÉTRICA PROTEÇÃO DE SISTEMAS ELÉTRICOS
Proteção de Banco de Capacitores
Professor: Eduardo Tannus Tuma Alunos: Renato Batista da Silva Bruno Souza Brito
Mat.: 08020003701 08020003701 Mat.: 08020006001 08020006001
1 – Introdução:
O planejamento do sistema elétrico brasileiro opta pela instalação de grandes blocos de compensação reativa capacitiva, com o objetivo de se diminuir os custos e otimizar o desempenho do sistema. O objetivo básico de uma compensação reativa capacitiva é de compensar o fator de potência das cargas, refletindo-se, principalmente, nos seguintes pontos:
Aumenta a tensão nos terminais da carga; Melhora a regulação de tensão (desde que os capacitores sejam manobrados adequadamente); Reduz as perdas na transmissão; Reduz o custo do sistema , economizando-se na diminuição do número de linhas para o transporte de reativos.
O fornecimento de reativos capacitivos necessários a um melhor desempenho do sistema de transmissão pode ser feito por geradores, linhas de transmissão, compensadores síncronos, compensadores estáticos controlados por tiristores ou banco de capacitores. Entre os elementos mencionados anteriormente, os banco de capacitores levam considerável vantagem, tendo em vista o menor custo de instalação aliado à maior simplicidade de manutenção. 2 – Fenômenos transitórios:
Durante a energização e abertura de banco de capacitores por elementos de manobra, tais como disjuntores, há o aparecimento de transitórios cujos efeitos nos equipamentos de manobra e nas unidades capacitivas poderão levar estes equipamentos a um desgaste prematuro ou, até mesmo, a uma danificação. Quando um banco de capacitores é reenergizado ou quando ocorre uma reignição do arco do elemento de manobra durante o desligamento, a corrente e a tensão transitória resultante apresentam valores elevados em módulo e frequência. Uma outra solicitação, também severa, é a ocorrência de curto-circuito próximo aos bancos de capacitores. Estas solicitações nos disjuntores, seccionadores, transformadores de corrente, pararaios, bobinas de bloqueio e no banco de capacitores devem ser fornecidas pelos fabricantes dos equipamentos por ocasião das especificações. No caso particular dos bancos de capacitores, os valores de corrente servirão para se dimensionar, principalmente, os fusíveis das unidades capacitivas, enquanto que as solicitações de tensão serão úteis no dimensionamento para a vida útil destes equipamentos, uma vez que, esta diminui bastante quando a tensão aplicada é superior a sua tensão nominal. 3 – Componentes Harmônicas:
Num sistema elétrico existem várias fontes geradoras de harmônicos, dentre elas podem-se citar as seguintes:
Transformadores; Retificadores; Fornos a arco; Geradores.
Dos harmônicos gerados pelos transformadores, o 3º, 5º e 7º são os mais importantes. O 3º harmônico e seus múltiplos são reduzidos praticamente a zero, quando se utiliza enrolamentos ligados em delta e o 5º e 7º harmônicos normalmente são desprezíveis, mas podem atingir valores consideráveis, quando as tensões nos transformadores ou em outros elementos saturáveis atingem valores elevados. Os harmônicos gerados pelos retificadores dependem do número de pulsos de que está constituído. Na maioria dos sistemas de potência é utilizado conversores de 6 ou 12 pulsos. A presença destes harmônicos, ou pelo menos alguns deles, muitas vezes provoca sobrecargas nos capacitores devido ao aumentos da corrente circulante, uma vez que a sua impedância é inversamente proporcional à sua frequência. Estas altas frequências devem ser evitadas já que provocam o envelhecimento mais rápido do dielétrico dos capacitores. Para se diminuir os harmônicos no sistema, deve-se adotar as seguintes medidas:
Diminuir as sobretensões no sistema desligando os banco de capacitores sempre que a presença destes for desnecessária, como, por exemplo, durante carga leve; Distribuir adequadamente os banco de capacitores em diversas partes do sistema para se evitar o acúmulo de reativos num só ponto; Utilizar filtros para os harmônicos mais importantes.
Tendo em vista que os capacitores são sujeitos a sobrecargas, em decorrência de harmônicos espúrios gerados no sistema, é comum para o cálculo de corrente nominal dos equipamentos do vão do banco de capacitores usar-se o fator de 1,25 vezes a corrente nominal do banco de capacitores para bancos não aterrados e 1,35 a corrente nominal para bancos aterrados. 4 – Alguns Aspectos Construtivos: 4.1 – Capacitor Individual:
A parte ativa principal usada na construção de capacitores consiste em papel ou filme (polipropileno) ou papel e filme, alumínio e líquido de impregnação, sendo que neste último dá-se preferência aos biodegradáveis. Há alguns anos atrás, o óleo impregnante utilizado era o askarel (pentaclorodefenil), que, por suas características adversas à saúde e ao meio ambiente, tornou-se necessária a sua substituição. Nas unidades capacitivas mais modernas, já se encontra em uso um impregnante de nome químico isopropildifenil que atende as propriedades elétricas e físicas como o askarel e possui a vantagem de ser biodegradável. 4.2 – Unidade Capacitiva:
Uma unidade capacitiva, ou lata ou célula é o conjunto formado por associação série/paralelo de capacitores individuas. Nestas figuras aparece, na parte superior, o resistor interno de descarga. Este dispositivo tem por objetivo reduzir a tensão nominal do sistema até 50 V ou menos, num determinado tempo (normalmente, 5 minutos), após o capacitor ter sido desligado da fonte de tensão. Estes resistores assumem valores da ordem de alguns megas ohms. Outro ponto de relevante importância é quanto a localização dos fusíveis (internos ou externos), nas unidades. Existe hoje em dia uma forte tendência para a utilização de unidades capacitivas com fusíveis internos em decorrência dos seguintes argumentos:
Quando um capacitor individual se danifica, o seu respectivo fusível interno queima, e a unidade ainda pode continuar operando. Deve-se ressaltar que, neste caso, alguns elementos da lata ficaram sujeitos a uma pequena sobrelevação de tensão e, por isso, haverá redução na vida útil destes elementos. Para que uma lata defeituosa de capacitores não exploda, considera-se como limitação a utilização de no máximo 3100 KVar. Este tipo de problema pode ser encontrado usando-se fusíveis limitadores de corrente (custo elevado) ou fusíveis internos. Um banco econômico para uma classe de tensão se deve ao número mínimo de latas que se pode colocar em paralelo. Este número é dado pela limitação, que na saída de uma lata não poderá causar uma sobrelevação superior a 10 %. Desta forma, para se obter um banco com MVAr baixo, teria que se usar latas com um valor menor de KVAr, ficando assim a instalação mais cara. Este problema também é atenuado utilizando-se fusíveis internos.
A principal vantagem do fusível externo é a facilidade visual de localização do elemento defeituoso, sendo a sua troca feita com relativa simplicidade. 4.3 – Banco de Capacitores:
Os bancos de capacitores são constituídos por uma associação série/paralelo das unidades capacitivas. Normalmente é feito um estudo técnico-econômico tendo em vista a ligação dos bancos aos sistema elétrico. Algumas vezes, utiliza-se transformadores para baixar a tensão até a tensão nominal dos bancos, mas a melhor prática é a ligação em série de grupos de latas em paralelo 5 – Esquemas de Ligação dos bancos de capacitores:
Quatro tipos de ligação são, normalmente, usados para banco de capacitores em derivação, a saber:
Estrela aterrada ou isolada; Delta; Duplo delta;
6 – Esquemas de Proteção dos grandes bancos de Banco de Capacitores:
Os esquemas de proteção empregados em grandes bancos de capacitores devem estabelecer proteção contra três problemas básicos, a saber:
Surtos de tensão provocados por descargas atmosféricas e surtos de manobra; Sobrecorrente nos capacitores; Sobretensão permanente nos capacitores.
Normalmente, estes esquemas são desempenhados pelos seguintes tipos de proteção: 6.1 – Surtos de Tensão:
Estes transitórios são atenuados com um dimensionamento adequado do resistor de préinserção do disjuntor de manobra do banco e/ou com a instalação de para-raios adicionais de óxido de zinco (ZnO) junto aos bancos.
6.2 – Sobrecorrente nos Capacitores:
São solucionados com as seguintes providências
Fusíveis nos capacitores (do tipo normal ou dos limitadores de corrente); Uma adequada ordenação dos capacitores em ligações série/paralelo; Utilização de resistores de pré-inserção do disjuntor de manobra do banco.
6.3 – Sobretensão Permanente nos Capacitores:
Estas sobretensões poderão ser atenuadas se:
Houver uma inspeção periódica nos fusíveis (quando estes forem do tipo externo); Houver sensores de desbalanço de neutro; Houver relés diferenciais de tensão para bancos com estrela aterrada.
A seguir, são apresentados esquemáticos de proteção de bancos de capacitores em derivação, exemplificando os tipos de proteção que empregam a filosofia de proteção, mencionado anteriormente. 6.4 – Bancos em Estrela Aterrada:
Para este tipo de ligação, pode-se ter esquemas constituídos de: a. Relés de sobretensão, com atuação por correntes de desequilíbrio. Para este esquema, os relés utilizados deverão possuir filtros para os principais harmônicos e protetores contra sobretensões transitórias instalados no primário ou no secundário do TC.
b. Relé diferencial de corrente de neutro.
c. Relé diferencial de tensão.
6.5 – Bancos em Estrela Isolada:
a. Relé de sobretensão ligado ao secundário do transformador de potencial (possuindo filtros para os principais harmônicos).
b. Relé de sobrecorrente de neutro.
c. Relé de sobretensão.
d. Relé de sobretensão.
No caso de utilizar-se transformador de potencial do tipo indutivo (TPI) nos esquemas de proteção das figuras, deverá ser dada atenção especial pra o dimensionamento deste TPI, pois, quando o banco é desconectado do resto do sistema, os capacitores se descarregam pelos resistores de descarga e pelo transformador, sendo que a parcela de energia dissipada pelo TPI é, normalmente, considerável, podendo levar este equipamento a um superaquecimento.
