RESUMO

 O objetivo principal deste trabalho é apresentar o resultado de estudos e testes realizados em campo e em laboratórios, com a realização de curto circuitos reais, no sentido de melhorar a qualidade de elos fusíveis e equipamentos de proteção do sistema de distribuição, especialmente os utilizados para a proteção de transformadores de distribuição (15 kVA, 45 kVA, 75 kVA, 115 kVA, 225 kVA, etc), tipos “H”, nas classes de tensões de 13,8 kV e 34,5 kV.

Estes equipamentos de proteção, devido a sua má qualidade estavam causando vários tipos de problemas nos circuitos de distribuição, bem como nos equipamentos instalados nas Subestações.

Nos circuitos de distribuição, os principais problemas ocasionados são, que defeitos provocados nos circuitos de baixa tensão (127/ 220 Volts), do tipo de batimento de cabos, galhos de árvores na rede, abalroamentos, tempestades, etc, estavam causando curto circuitos bifásicos ou trifásicos nos circuitos alimentadores de 13,8 kV e 34,5 kV que derivam das Subestações.

Estes defeitos provocam, muitas vezes batimentos de condutores do lado da Alta Tensão, os quais são detectados pelos equipamentos de proteção instalados nas Subestações, que são realizados por Religadores ou Disjuntores com relés de sobrecorrente.

 Com a ocorrência dos batimentos do lado da alta tensão, os religadores operam até chegarem ao bloqueio, deixando os alimentadores desligados por longo tempo, até que se encontre o defeito que foi gerado do lado da baixa tensão, em transformadores de distribuição. Com isto, temos um aumento considerável do DEC dos alimentadores, e em conseqüência, estamos piorando a qualidade da energia a ser fornecida aos consumidores.

 Outro problema que a má qualidade destes elos provoca é a danificação dos equipamentos instalados nas Subestações, principalmente os Transformadores de Força destas Subestações os quais são submetidos a freqüentes e altos níveis de curto circuitos, o que provocam defeitos no isolamento e afrouxamento da parte magnética dos mesmos devido aos esforços eletromecânicos aos quais estão sujeitos.

 Com estes estudos e testes, foi possível desenvolver, juntamente com os fabricantes de elos fusíveis, novos materiais com o intuito de melhorar a qualidade destes equipamentos, diminuindo os problemas ocasionados pelos mesmos, nos Sistemas Elétricos.

 1           Introdução

 O sistema de distribuição da COPEL foi concebido para atender as premissas de baixo investimento inicial e custo operacional reduzido. Dentro desta filosofia optou-se por duas tensões de distribuição, 13,8 e 34,5 kV fazendo esta última tensão também o papel de subtransmissão.

 As linhas de subtransmissão de 34,5 kV, que partem de subestações de transmissão 138 /34,5/13,8 kV, alimentam subestações de 34,5/13,8 kV (até quatro subestações) que atendem pequenas localidades.

 O arranjo destas subestações permite a instalação de até quatro transformadores de 5 a 7 MVA e quatro alimentadores de 13,8 kV, com entrada de dois circuitos de subtransmissão em 34,5 kV, além da possibilidade de instalação de bancos de capacitores e reguladores de tensão. O tipo de ligação dos transformadores de força é estrela aterrada no lado de 34,5 kV e delta com transformador de aterramento em zig-zag no lado de 13,8 kV.

 As potências dos transformadores são de 3,75 MVA, 4,2, 5 e 7 MVAs, havendo casos mais antigos de 1,0 MVA, 1,5 MVA, 2,0 MVA e 2,5 MVA, sendo que todos estes possuem tap’s (34,5/33,75/33,0/32,25/31,5 kV) no lado primário.

1.1         Proteção em Subestações

 As proteções das saídas 13,8 kV e 34,5 kV das subestações são realizadas com a utilização de religadores automáticos, com controle hidráulico, eletrônico, eletro-mecânico e microprocessados, com tendências para estes últimos, que possibilitam ajustes mais finos e precisos, facilitando a coordenação e sensibilidade. Estes religadores utilizam meios de interrupção a vácuo, SF6 ou óleo isolante, sendo que os últimos estão em desuso.

 1.2         Proteção em Linhas de Distribuição

 A fim de melhorar a confiabilidade e continuidade do fornecimento de energia elétrica, têm sido utilizados religadores automáticos em ramais que derivam das linhas de distribuição em 34,5 kV e de alimentadores de 13,8 kV, coordenados com os elos fusíveis e chaves religadoras.

 2           Histórico

 Através de levantamentos de ocorrências, verificamos a existência de problemas relacionados com as proteções na SE Francisco Beltrão e outras Subestações do sistema de distribuição da Copel e problemas relativos a batimentos de condutores nas Linhas de Distribuição de 13,8 kV e 34,5 kV, provenientes de defeitos fase-terra ao longo destas linhas e que estariam evoluindo para defeitos entre fases, nos vãos com problemas, e isto estaria provocando o “ stress ” dos equipamentos do sistema elétrico envolvido, principalmente os transformadores das Subestações (ref. 2).

 Defeitos nos circuitos de Baixa Tensão 127/220 Volts, no secundário de transformadores de distribuição estariam provocando a queima dos elos fusíveis dos transformadores de distribuição e provocando a atuação dos religadores e disjuntores nas subestações fonte.

 Estes novos testes têm como objetivo a verificação de algumas novas soluções propostas para procurar resolver os problemas que estão ocorrendo, dentre elas são:

 Testes de novos elos fusíveis utilizados para proteção de transformadores de distribuição, de 4 fabricantes diferentes, sendo 3 ( importados) e um nacional, tipo normal.

2.1         Locais de realização dos testes nos alimentadores:

 Com o objetivo de simularmos os curto-circuitos o mais próximos dos reais, levantamos os pontos, onde já ocorreram os defeitos no sistema.

 2.2         Roteiro preliminar para realização dos curto-circuitos:

 Durante a realização dos testes, serão monitorados os sinais na SE  e na LD.

 3           Testes Programados

 Foram testados 4 tipos de elos fusíveis de fabricantes diferentes, sendo 3 elos especiais ( importados) e um de fabricação nacional, tipo normal, sendo denominados de ( normal, TIPO A, TIPO B e TIPO C) ( ref. 1 )

 3.1          Ponto 9 - circuito Pinheirinho 13,8 kV teste BT trafo de 112,5 kVA

 Teste 17

Curto-circuito fase-terra na fase A, cabo sobre terra, chaves fusíveis do trafo com elo normal de 5H.

 Teste 18

Curto-circuito fase-terra na fase A, cabo sobre terra, chaves fusíveis do trafo com elo “ TIPO A “ de 5H.

 Teste 19

Curto-circuito fase-terra na fase A, cabo sobre terra, chaves fusíveis do trafo com elo “ TIPO B “ de 5H.

 Teste 20

Curto-circuito fase-terra na fase A, cabo sobre terra, chaves fusíveis do trafo com elo “ TIPO C “ de 5H.

 Teste 21

Curto-circuito fase-fase entre as fases A e B, chaves fusíveis do trafo com elos normais.

 3.2     Ponto 10 - circuito Pinheirinho 13,8 kV teste BT trafo de 75 kVA .

 Teste 26

Curto-circuito fase-terra na fase A, cabo sobre terra, chaves fusíveis do trafo com elo normal de 5H.

 Teste 27

Curto-circuito fase-terra na fase A, cabo sobre terra, chaves fusíveis do trafo com elo “ TIPO A “ de 5H.

 Teste 28

Curto-circuito fase-terra na fase A, cabo sobre terra, chaves fusíveis do trafo com elo “ TIPO B “ de 5H.

 Teste 29

Curto-circuito fase-terra na fase A, cabo sobre terra, chaves fusíveis do trafo com elo “ TIPO C “ de 5H.

 4           Estudo Detalhado das Ocorrências

 Foram refeitos os Estudos de Proteção, teóricos, envolvendo os equipamentos de proteção das Subestações, os Elos Fusíveis instalados nas derivações e na proteção dos Transformadores de Distribuição, chegando-se a conclusão que não há descoordenação dos equipamentos de proteção envolvidos.

 Devido a isto, resolve-se verificar se o referido problema também poderia estar ocorrendo em outras linhas de distribuição e subestações, o que foi constatado, conforme as respostas recebidas das regionais.

 4.1         Estudos dos Problemas

 Através da análise de todos os testes de curto circuito realizados em campo, permitiu-se verificar que ocorre a formação de arco elétrico entre as chaves fusíveis instaladas como proteção no primário dos transformadores de distribuição ( 13,8 kV e 34,5 kV), quando são realizados curto circuitos no lado da baixa tensão destes transformadores ( 127/220 V), e quando se utiliza elo fusível do tipo normal, ocasionando um curto circuito bifásico ou trifásico no lado da alta tensão, o que ocasiona a atuação dos equipamentos de proteção instalados nas Subestações, sendo que dependendo do tipo do circuito, estas atuações ocorrem até o bloqueio do circuito.

Este fenômeno está diretamente associado à Tensão de Restabelecimento Transitória (TRT).

 Na chave fusível, há a formação do arco elétrico no interior do seu cartucho, quando ocorre a fusão do elemento, nestas condições a chave fusível deverá extinguir o arco e manter o circuito aberto.

Quando a corrente de curto circuito é devida a uma falta de alta impedância, o calor liberado pela fusão do elo deve decompor a superfície interna do cartucho do elo, com isto, gera-se um gás que deioniza o arco interno. A pressão desenvolvida dentro do cartucho ajuda a manter as características de circuito aberto, depois que o arco é extinto.

 A pressão e a recomposição do dielétrico tem relação com a grandeza e duração da corrente de defeito.

 Se durante o processo de eliminação do curto circuito, a tensão do arco romper o dielétrico, haverá a reignição do mesmo, ocorrendo a TRT.(ver anexo – fotos).

Se o dielétrico for insuficiente para suportar a TRT, ocorre a reignição do arco e a corrente de curto circuito continuará a passar através da chave fusível, mesmo após o cartucho ter caído, até que a corrente passe novamente pela referência.

  5           Tensão de Restabelecimento Transitória

 Os sistemas de distribuição são compostos de indutâncias, capacitâncias e resistências, devido a isto, pela análise de circuitos elétricos, temos que: (ref 6, 7 e 8)

 A corrente em um indutor não muda instantaneamente, pois a tensão será infinita, conforme a expressão abaixo:

 Se dt Þ zero \V(t1) Þ ¥

 A tensão em um capacitor não muda instantaneamente, pois a corrente será infinita, conforme a expressão abaixo:

 Analisando o fenômeno da TRT, que aparece durante a interrupção de faltas, quando ocorre a abertura da chave fusível, a corrente de curto circuito se interromperá e a tensão transitória aparece entre os dois terminais da chave fusível. A equação para a corrente de falta será a dada pela equação 3:

 A corrente de curto circuito tem uma componente contínua proporcional ao seno q, conforme mostra a figura 3.

  A tensão de restabelecimento transitória pode se escrita conforme a equação 4:

 Através da resolução matemática, chega-se que a tensão de restabelecimento transitória é:

  

O efeito da resistência no circuito é de amortecer a componente transitória da tensão, diminuindo com isto a TRT durante a abertura da chave fusível quando ocorrer um curto circuito na baixa tensão. Ainda da equação 5, os valores de L e C são dos transformadores de distribuição.

Logo para determinarmos o valor da TRT nas chaves fusíveis, quando da ocorrência de curto circuitos no lado da baixa tensão, devemos levar em consideração os parâmetros do transformador ( L e C) e o valor da resistência dos condutores de baixa tensão.

 Além das características dos circuitos, onde ocorrem os defeitos, temos que considerar também a qualidade dos elementos fusíveis para que haja uma completa extinção do arco elétrico durante a ocorrência de um curto circuito na baixa tensão. Um elo fusível de má qualidade vai ter um tempo de extinção de arco muito elevado, permitindo a reignição do arco elétrico, não interrompendo os defeitos que ocorrem na baixa tensão.

 6           Análise dos Resultados

 Foram realizados mais de 60 testes reais de curto circuitos, em campo, em pontos diferentes do sistema e utilizando-se transformadores de 45 kVA, 75 kVA e 112,5 kVA e utilizando-se 4 tipos de elos fusíveis de fabricantes diferentes, conforme definidos no item 3.

 Através da observação e filmagem dos curto circuitos, bem como análise de todos os valores oscilografados em oscilógrafo digital, tipo Hioki, ( ver oscilografias – em anexo), pudemos constatar e definir qual o tipo de elo que não gera a TRT durante a ocorrência de curto circuitos na rede de baixa tensão. Conseqüentemente não provoca o arco elétrico na chave fusível por muito tempo, não ionizando o ar ao seu redor e com isto não provocando os curto circuitos no lado da Alta Tensão, evitando com isto a atuação repetitiva das proteções nas Subestações, bem como reduzindo o stress e a danificação dos equipamentos instalados nas subestações (principalmente os transformadores de potência que sofrem os maiores esforços).

 Comparando os valores oscilografados com a observação e análise das filmagens, durante todos os testes realizados, com elos convencionais e elos fusíveis especiais ( ref.. 9), pudemos definir um tempo máximo de arco para o qual não ocorre a reignição do mesmo na chave fusível.

 Este tempo máximo de arco só se conseguiu com elos fusíveis de tecnologia importada, na época, não estava disponível a nível nacional, conseqüentemente o seu custo é bem mais elevado que um elo de fabricação convencional.

 Estes elos fusíveis utilizam tubos  de fibra vulcanizada, a qual, ao queimar, durante os curto circuitos, não apresentam a carbonização que os elos comuns de  papel e resina de fenolite apresentam.

 A fibra vulcanizada contribui para a formação de gases e vapor d’água durante o curto circuito, que são fundamentais para a não ocorrência da reignição do arco durante a atuação do elo fusível para curto circuitos de baixos valores.

 7           Conclusões

 Através das análises e verificações de todas as oscilografias e filmagens de todos os testes de curto circuitos realizados, pudemos aferir melhor os parâmetros encontrados nos sistemas de distribuição;

• A fim de não termos mais o aumento do stress e a danificação dos transformadores de potência, instalados nas subestações, reduzimos o número máximo de operações para bloqueio dos equipamentos de proteção instalados nas subestações;
• Estamos realizando um Projeto Piloto nas 5 regionais da Copel, em circuitos de 13,8 kV e 34,5 kV, com elos fusíveis especiais, para proteção de transformadores de distribuição, de um fabricante nacional, o qual atendeu os requisitos especificados após a realização dos testes de curto circuito em campo;
• Este Projeto Piloto tem a finalidade de verificarmos se a solução proposta é viável economicamente, uma vez que estes elos têm um custo de 6 a 10 vezes o custo do elo convencional;
• Através destes testes, pudemos alterar a Especificação Técnica de Elos Fusíveis da Copel, no que diz respeito aos ensaios de recebimento e de tipo.

 8         Referencias

[1]Rufato, Eloi Junior; “Relatório de Ensaios de Curto Circuito na SE de Francisco Beltrão e Marmeleiro”. Copel - CNDS - Relatório 01/98, Curitiba, Brasil, 02/02/

[2]Rufato, Eloi Junior e Outros; “ Encontro Técnico de Transformadores de Potência” Instituto de Engenharia do Paraná, Curitiba, Brasil, 1997.

[3]ABNT, “ NBR 7282/89 – Dispositivos Fusíveis tipo Expulsão” – Brasil, 1989.

[4]COPEL, “ Norma Técnica Copel – Elo Fusível de Distribuição – 810032 ”, 12/98.

[5]COPEL, “ Norma Técnica Copel – Elo Fusível – NTC 813810/29 “, 12/98.

[6]Hermeto, Eric e outros “ Desligamentos Instantâneos em Alimentadores e sua relação com a Interrupção de Faltas Secundárias” , Brasil, 1976.

[7]Harner, Robert “Distribution System Recovery Voltage Characteristics: I – Transformers Secundary – Fault Recovery Voltage Investigation”, IEEE Trans., 02/1968.

[8]Peterson, Harold A, “Transients in Power Systems” – John Wile and Sons, New York, 1951

[9]Costa, Eleilson S e outros, “Elos Fusíveis de distribuição: Especificação, desenvolvimento e ensaios”, Eletricidade Moderna, 01/2000.