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Chave fusível

A chave fusível, ou corta-circuito, é um importante elemento nas redes de distribuição de energia elétrica para a proteção de sobrecorrente, i.e., quando a corrente atinge uma intensidade superior à máxima permitida em um sistema. Em sua estrutura há uma peça chamada de elo fusível, fundamental devido à sensibilidade de sua composição, já que uma circulação de sobrecorrente, chegando à corrente crítica, é o suficiente para atingir a temperatura de fusão do elo devido ao efeito joule, desse modo, interrompendo o circuito.

Nesse sentido, um importante tipo de chave fusível é o de expulsão, muito presente em serviços públicos; este funciona com a atuação de gases a partir da queima do interior do cartucho, que é o compartimento que contém o elo fusível, pressionando as extremidades conectadas aos terminais de fonte e de carga, forçando, desse modo, um circuito aberto. Este equipamento é frequentemente utilizado no primário dos transformadores de distribuição, evitando, assim, a atuação danosa dos efeitos térmicos da sobrecorrente nesses elementos.

Esquema de chave fusível de expulsão – Fonte: https://www.chinameto.com/uploads/03e7fd6a-300×174.png/news/explanation-of-the-installation-method-of-fuse-cutout

No entanto, para um funcionamento adequado, as características elétricas do elo devem estar compatibilizadas com as características do sistema. Para isso é preciso observar as seguintes especificações da chave fusível:

  • Tensão nominal eficaz, em kV;
  • Corrente nominal, em A;
  • Capacidade de ruptura, em kA;
  • Nível básico de isolamento (NBI).

Além disso, um outro tipo frequente em locais industriais é o fusível limitador de corrente no qual, segundo ANSI, o elo fusível introduz abruptamente uma alta resistência para reduzir a intensidade da corrente até a interrupção desta.

Fusível limitador de corrente – Fonte: Mamede Filho

Portanto, é possível constatar a enorme importância das chaves fusíveis para a proteção dos sistemas elétricos; o seu baixo custo e fácil substituição do elo fusível justificam o seu extensivo uso nas redes aéreas de substituição. Sendo necessário o estudo de suas especificações para garantir a eficiência do equipamento.

Referências:

Volume 2: Proteção de sistemas aéreos de distribuição. Rio de Janeiro: Editora Campus / Eletrobrás, 1982.

MAMEDE FILHO, João. Instalações Elétricas Industrias. Rio de Janeiro: LTC, 2003.

MAMEDE FILHO, João. Manual de equipamentos elétricos. Rio de Janeiro: LTC, 2005.

CUTLER-HAMMER. Medium Voltage Expulsion Fuses. [S.l.]: [Cutler-Hammer], [s.d.].

Energia Solar: A Aplicação do Efeito Fotovoltaico

A fonte fotovoltaica é uma das grandes saídas para a transição energética no mundo. Há uma crescente demanda pela energia solar, tanto por conta de sua praticidade de instalação, quanto pela sua acessibilidade, que permite uma autonomia maior na geração de energia, e variedade de opções de consumo. Porém o que hoje é tão corriqueiro, é o fruto de uma grande descoberta: o Efeito Fotovoltaico. 

fonte: Metasol (2022)

No efeito fotovoltaico, diferentemente do que ocorre no efeito fotoelétrico, quando partículas de luz (fótons) incidem sob uma superfície, elas excitam os elétrons livres, mas não os expele, e sim cria uma diferença de potencial (DPP), que permite um fluxo de elétrons ordenados (corrente contínua), ou seja, permite a geração de energia elétrica. Este efeito ocorre nos materiais semicondutores, e a luz incidente não precisa ter uma frequência específica, pois o que excita os elétrons é a energia cinética dos fótons.

Os semicondutores mais comuns são feitos de materiais cristalinos, como o silício. A estrutura atômica do silício, por exemplo, possui uma rede cristalina em que cada átomo compartilha elétrons com seus vizinhos, criando ligações covalentes fortes. Em condições normais, esse material age como um isolante; entretanto, ele pode conduzir corrente elétrica se a energia de ativação (energia cinética adquirida pela colisão dos fótons com os elétrons livres) for fornecida, excitando elétrons para a banda de condução.

Semicondutores podem ser modificados por um processo chamado dopagem, no qual impurezas são introduzidas no material para melhorar sua condutividade. Existem dois tipos principais de dopagem:

Tipo N: Adiciona-se um elemento com mais elétrons livres, na maioria das vezes tetravalente, como o silício, criando uma abundância de elétrons livres para condução.

Tipo P: Adiciona-se um elemento com menos elétrons de valência (como o boro, que possui três elétrons de valência), criando uma “falta de elétrons”, ou lacunas, que agem como cargas positivas móveis, apesar de NÃO serem cargas positivas.

Fonte: IFSC 

É muito comum o uso da “junção PN”. Quando esses dois tipos de material são unidos, ocorre uma difusão de portadores de carga. Os elétrons livres do lado n tendem a se mover para o lado p, e as lacunas do lado p tendem a se mover para o lado n. Esse movimento de cargas gera uma região de depleção na interface entre as duas áreas, onde não há mais elétrons livres ou lacunas móveis. Na região de depleção, forma-se uma barreira de potencial que impede que mais elétrons e lacunas se movam livremente entre os lados p e n. Ao “fim” do caminho percorrido pelos elétrons livres, há eletrodos para captação e transmissão dessa energia gerada, que é encaminhada a um inversor, onde será convertida de CC para CA (Corrente alternada) para uso domiciliar ou injeção na rede

Fonte: MIRATECH(2024)]

Referências:
SOLARPRIME. Guia completo sobre placa solar (painel). Disponível em: https://solarprime.com.br. Acesso em: 31 out. 2024.
PORTAL SOLAR. Como funciona a energia solar?. Disponível em: https://www.portalsolar.com.br. Acesso em: 01 nov. 2024.
GREEN, M. A. Solar Cells: Operating Principles, Technology, and System Applications. Englewood Cliffs: Prentice Hall, 1998
INSTITUTO FEDERAL DE SANTA CATARINA (IFSC). Aula 2 – Eletrônica Geral 1 – Técnico. Disponível em: https://wiki.ifsc.edu.br/mediawiki/index.php/AULA_2_-_Eletrônica_Geral_1_-_Técnico. Acesso em: 01 nov. 2024.
MITRATECH. Como funciona energia solar fotovoltaica. Disponível em: https://mitratech.com.br/como-funciona-energia-solar-fotovoltaica/. Acesso em: 02 nov. 2024.

A importância do fator de potência para a distribuição de energia

A regularização do fator de potência tem se mostrado um dos grandes desafios da modernidade pelas concessionárias de energia quando se trata da transmissão de energia elétrica para seus consumidores. O fator de potência é uma medida de suma importância para ter certeza de que todo o sistema está operando com a qualidade devida e não ocorra complicações com os equipamentos da população ou com os geradores.
Para isso, existe a implementação da correção do fator de potência para que o mesmo se mantenha dentro dos parâmetros ótimos de qualidade. No entanto, para entender essa medida e como o fator de potência afeta o sistema elétrico de potência, precisamos entender o que é o fator de potência.

O que é?

Quando pensamos nos sistemas elétricos de potência e suas redes de distribuição, é comum depararmos com equipamentos que apresentam seu consumo em Watts (W) ou Volt-Ampere (VA), ambas sendo medidas de potências. A razão desses diferentes tipos de potência está relacionado com o fato de que as cargas que receberão a energia elétrica são geralmente resistivas e indutivas, ou seja, motores e enrolamentos de fios, como geladeiras, ares-condicionados e a maioria dos eletrodomésticos e maquinários industriais.

Essa característica das cargas residenciais e industriais, quando sob influência de uma tensão de forma senoidal com frequência de 60 Hz, como é o padrão nacional, são tratadas na forma de uma impedância que dissipa potência complexa (S). Tanto a impedância quanto essa potência S são expressas por números complexos na forma a+jb.

Temos então que a potência que é consumida pelas unidades populares possuem uma parte em número real e uma parte em número “imaginário”, parte imaginária essa que está relacionada na dissipação em forma de campo magnético e nas perdas de energia. Essa potência complexa é comumente apresentada com o triângulo de potências.

Fonte: Nilsson e Riedel

Onde a potência média P é medida em watts (W) e é a potência de consumo direto, a potência reativa Q medida em volta-ampére reativo (VAR) é a potência relacionada com a parte imaginária do número complexo e está diretamente relacionado com as cargas indutivas, e por último a potência aparente é o módulo dessa potência S e é medido em volt-ampére (VA).

O fator de potência nada mais é que o cosseno desse ângulo theta (θ), onde fazendo uma análise trigonométrica podemos perceber que a potência média é o a potência aparente vezes o cosseno do ângulo

P = |S|.cosθ

E portanto, é factível verificar que ao dividirmos a potência média pela potência aparente, cujo a qual consegue transmitir informação tanto da média quanto da reativa, temos como resultado o cosθ = fator de potência. Dessa forma, determinamos que o fator de potência é na realidade uma proporção de quanto da potência está sendo eficiente para o sistema como um todo.

Impactos e desafios

Sabendo o que é o fator de potência e qual o seu significado, pode-se então discutir seus impactos na rede de distribuição, sendo uma delas já mencionadas que é a determinação da qualidade de consumo dos eletrodomésticos e maquinário. Para servir de exemplo, é preciso saber que o padrão nacional do Brasil é que o sistema opere com um fator de potência de 0,92 para cima, ou seja, com 92% de eficácia.

Um dos desafios que a modernidade e o avanço tecnológico apresenta é o aumento das cargas indutivas nas residências e outros centros de consumo de energia elétrica, já que a tendência é que mais instalações adquiram novos motores e cargas indutivas como as mencionadas acima.

A forma que esse ângulo impacta o sistema e pode danificar os equipamentos e os geradores é que esse ângulo entre as potências média e reativa é determinado pela defasagem entre a corrente e a tensão nas cargas, haja visto que em indutores há um atraso de corrente em relação à tensão. Se essa defasagem se mantiver e por aumentando com o tempo, ao retornar à unidade geradora fora de sincronia com a máquina rotativa no gerador, pode causar uma dessincronização da mesma e com isso o sistema elétrico inteiro da região pode se tornar instável e danificar as propriedades dos consumidores.

Correção do fator de potência

Com isso, a medida que é aplicada para que não haja essa defasagem atenuada entre tensão e corrente é a inserção de um banco de capacitores em paralelo com a unidade de distribuição da energia elétrica, seja na subestação ou em alguns transformadores. A maneira como esse banco de capacitores funciona é devido à impedância que o capacitor representa para uma fonte senoidal, sendo ela o número complexo puramente imaginário com fase -90º, em comparação com a impedância do indutor que representa uma impedância com ângulo 90º positivo.

Fonte: Alexander e Sadiku

Dessa forma, é possível notar que a potência complexa dessas duas cargas distintas terão potências reativas com sentidos contrários, e a lógica é que ao adicionar as duas em paralelo, ou seja, a tensão nas duas será a mesma, é que a medida Q total seja diminuída e dessa forma seja feito o controle do ângulo entre as potências.

Conclusão

Foi demonstrado como o fator de potência necessita de constante melhorias para acompanhar a modernização da sociedade e sua constante evolução de equipamentos residenciais e industriais, para que então toda a rede de distribuição opere sem que haja prejuízo para o consumidor e nem para a concessionária.

À partir dessa ideia de manter o fator de potência, ou proporção de eficiência de consumo de potência das cargas dentro de um patamar de qualidade para que o funcionamento se mantenha operante é que surge a medida de corrigir o fator de potência com um banco de capacitores para que haja uma diminuição na potência reativa e com isso, perdas e dissipação da energia em campo magnético.

Referências

NILSSON, James W; RIEDEL, Susan A. Circuitos Elétricos. 10ª Edição. Pearson, 2016.

FERNANDES, Sthefania. Correção do fator de potência. Embarcados, 26 de dezembro de 2022. Disponível em <https://embarcados.com.br/correcao-do-fator-de-potencia/>.

ELÉTRICA EM LIMITES. Como é feita a correção do fator de potência de uma instalação elétrica? (passo-a-passo). Youtube, 16 de abril de 2023. Disponível em <https://www.youtube.com/watch?v=eYloMiZRJ4E>.

Processo Seletivo 2024.2

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Entrevistas: a partir do dia 14/10/2024.

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OBSERVAÇÃO: O estudante que for técnico em eletrotécnica está isento do segundo requisito e pode participar do processo em qualquer momento da graduação.

Isolador tipo bucha

A bucha de isolamento elétrico é um componente essencial em sistemas elétricos de alta tensão, projetada para permitir a passagem de um condutor sem causar fuga de corrente elétrica. Ela desempenha a função de isolar eletricamente o condutor, suportar os esforços mecânicos e ao mesmo tempo permitir a continuidade da linha de energia com segurança.


Bucha de isolamento tipo porcelana

Fonte: <https://www.germerisoladores.com.br/produto/isolador-tipo-bucha-para-transformador-15kv-160a-t2/>

Função principal

A principal função da bucha de isolamento é evitar a passagem de corrente elétrica para o equipamento ou estrutura à qual está acoplada, mantendo a separação entre o condutor de alta tensão e a parte externa aterrada. Assim, a bucha garante a integridade do sistema elétrico e ajuda a prevenir curtos-circuitos e falhas que podem comprometer a operação dos equipamentos.

Buchas de isolamento são amplamente utilizadas em transformadores, disjuntores, seccionadores e outros equipamentos elétricos de alta tensão. Elas são projetadas para suportar condições extremas de operação, como altas temperaturas, variações climáticas e poluição, o que exige uma manutenção regular para garantir seu desempenho e segurança.

Estrutura e materiais

A estrutura de uma bucha de isolamento normalmente inclui três partes principais:

  1. Parte condutora: constituída pelo condutor de alta tensão que passa pela bucha.
  2. Material isolante: geralmente feito de porcelana, vidro ou materiais compósitos, sendo responsável pelo isolamento entre o condutor e o exterior.
  3. Parte externa: a bucha é normalmente equipada com aletas ou ranhuras para aumentar a distância de fuga e melhorar o desempenho contra intempéries.

Esquema interno de uma bucha de isolamento

Fonte: <https://www.savree.com/en/encyclopedia/oilfilled-porcelain-bushing>

Além disso, há diferentes tipos de buchas de acordo com a sua aplicação, como buchas a óleo, buchas secas e buchas capacitivas, cada uma projetada para atender a requisitos específicos de isolamento e operação.

Tipos de buchas de isolamento

Existem vários tipos de buchas de isolamento, cada uma projetada para atender diferentes necessidades de aplicação e condições de operação:

  1. Buchas a óleo:
    • São buchas preenchidas com óleo mineral ou outro fluido isolante. O óleo ajuda a dissipar o calor gerado pela corrente elétrica e também contribui para a função de isolamento. Esse tipo é comum em transformadores de potência e outros equipamentos imersos em óleo.
  2. Buchas secas:
    • Estas são usadas principalmente em instalações ao ar livre. Elas geralmente usam materiais compostos, como resina epóxi, como isolante. Por não ter óleo, buchas secas não são suscetíveis a vazamentos, logo, exigem menos manutenção, sendo ideais para ambientes onde o risco de contaminação do solo ou incêndio é uma preocupação.
  3. Buchas capacitivas:
    • Projetadas para melhorar o controle da distribuição de campo elétrico ao longo do comprimento da bucha. Elas incorporam camadas capacitivas no material isolante, que ajudam a distribuir de maneira mais uniforme o estresse elétrico, aumentando a confiabilidade em sistemas de alta tensão.

Manutenção e desafios

A manutenção de buchas de isolamento é fundamental para garantir a confiabilidade do sistema elétrico. Defeitos como rachaduras, perda de vedação ou contaminação da superfície podem levar a falhas de isolamento e, consequentemente, a descargas elétricas. Monitoramento regular por meio de ensaios de resistência de isolamento, fator de potência e inspeções visuais são práticas comuns para garantir a integridade do componente.

As buchas de isolamento estão sujeitas a várias formas de falha, que podem resultar em interrupções no fornecimento de energia e danos aos equipamentos. As falhas mais comuns incluem:

  1. Descargas parciais: Ocasionadas por falhas no isolamento, as descargas parciais são pequenas faíscas que ocorrem dentro da bucha, o que pode levar à degradação progressiva do material isolante.
  2. Rachaduras e fissuras: Rachaduras no isolante externo podem permitir a entrada de umidade e contaminantes, reduzindo a eficácia do isolamento e aumentando o risco de falha elétrica.
  3. Perda de fluido isolante: Em buchas a óleo, a perda de fluido devido a vazamentos compromete tanto a função de resfriamento quanto o isolamento, exigindo reparos imediatos.
  4. Contaminação externa: Em ambientes muito poluídos, partículas de poeira e outros contaminantes podem se acumular na superfície das buchas, reduzindo a resistência de isolamento e levando à formação de trilhas de condução elétrica que podem causar curtos-circuitos.

Importância na rede elétrica

As buchas de isolamento são componentes críticos porque qualquer falha nelas pode ter efeitos desagradáveis para a rede. Além de potencialmente danificar equipamentos de alto custo, como transformadores, a falha de uma bucha pode causar quedas de energia generalizadas, impactando o fornecimento de eletricidade para grandes áreas.

Assim, o desenvolvimento de materiais mais robustos e tecnologias de monitoramento avançado são focos de inovação no campo das buchas de isolamento, visando aumentar a segurança e confiabilidade dos sistemas elétricos de potência.

Referências

DA SILVA, Leonardo Nunes Alves . MONITORAMENTO E DIAGNÓSTICO DE BUCHAS DE ALTA TENSÃO. Rio de Janeiro: UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO, 2007.

MONITORAMENTO E DIAGNÓSTICO DE BUCHAS DE ALTA TENSÃO. Bushing (electrical). Disponível em: https://en.wikipedia.org/wiki/Bushing_(electrical). Acesso em: 10 set. 2024.

Oil-Filled Porcelain Bushing. Bushing (electrical). Disponível em: https://www.savree.com/en/encyclopedia/oilfilled-porcelain-bushing. Acesso em: 10 set. 2024.

Seguidores solares

Entre todas as fontes de energia disponíveis, a energia solar é a mais abundante e pode ser explorada de forma direta e indireta. O Brasil recebe níveis médios de radiação solar superiores aos observados na maioria dos países europeus, com baixa variabilidade sazonal, devido à grande parte do país estar localizada na zona tropical. Nesse contexto, a aplicação de técnicas como os seguidores solares (solar trackers), automatizam os sistemas e os tornam mais eficientes.

Seguidor Solar
Fonte: <https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/92/Suntactics_solar_tracker.jpg>

A utilização de seguidores solares pode aumentar significativamente a eficiência dos sistemas fotovoltaicos, pois eles podem captar mais luz solar ao longo do dia em comparação com sistemas fixos. Isso é especialmente benéfico em regiões com alta variabilidade na posição do sol ao longo do ano.

Além disso, os seguidores solares podem ser equipados com sensores e sistemas de controle automatizados que ajustam continuamente a posição dos painéis, garantindo a máxima exposição solar e, consequentemente, maior geração de energia.

Para se projetar a instalação do sistema fotovoltaico é necessário saber a posição do Sol no céu de acordo com um observador na Terra. O sistema de coordena das astronômica horizontal ou alta-azimutal é um dos sistemas mais simples e o mais conveniente para aplicações fotovoltaicas, ele utiliza as coordenadas da altura (h) e azimute (A) para localizar um astro na esfera celeste.

A esfera celeste é uma superfície esférica imaginaria que envolve a terra e onde fica os corpos celestes. Os planos e pontos na esfera celestes ajudam na determinação da posição dos astros no céu. O horizonte é o plano tangente à terra e onde fica o observador, o zênite é o ponto perpendicular ao horizonte.

Movimento aparente do Sol

O Sol, durante o dia claro, para um observador na Terra, aparenta estar se movimentando no céu de modo de que, ao nascer até se pôr, desloca-se de um lado ao outro do horizonte. Esse movimento é chamado de Movimento Diurno Aparente do Sol.

Outro fato comum, é considerar o nascer do Sol ao lado leste e o pôr do Sol ao lado oeste. Porém, isso não é o que realmente ocorre e é facilmente comprovável com apenas a observação, a partir do mesmo ponto, do nascer e do sol durante o ano. A posição do nascer do sol varia ao longo do ano e chega ao seu limite nos solstícios.

O eixo de rotação terrestre está sempre inclinado em um ângulo de 23,45° em relação ao eixo da eclíptica. A declinação solar é distância angular dos raios solares do norte ou sul do equador, com a orientação norte definida como positiva.

A inclinação do eixo terrestre, associado ao movimento da Terra, implica na mudança dos pontos do horizonte em que o Sol nasce ao longo do ano. Esse movimento, chamado de Movimento Anual Aparente do Sol, faz com que o Sol aparente estar a cada dia a uma região mais a Leste numa região
estelar.

Rastreamento no eixo vertical e horizontal

Os sistemas de rastreamento podem ser classificados pelo modo de seu movimento, que pode ocorrer em um eixo ou em dois eixos. Os seguidores de eixo único movem-se ao longo de um único eixo, geralmente de leste a oeste, enquanto os de dois eixos podem ajustar-se tanto horizontal quanto verticalmente, permitindo um alinhamento mais preciso com o sol.

No caso do modelo de um eixo, o movimento pode ser das seguintes formas: paralelo ao eixo da Terra, Norte-Sul ou Leste-Oeste.

O mecanismo de rastreamento em dois eixos pode ajustar-se tanto horizontal quanto verticalmente. Com isso, ele possui movimentação azimutal (eixo vertical) e de inclinação (eixo horizontal), permitindo um alinhamento mais preciso com o sol, o que proporciona um grande rendimento.

Referências

BEDAQUE, P.; BRETONES, P. S. Variação da posição de nascimento do Sol em função da latitude. Revista Brasileira de Ensino de Física [online]. 2016, v. 38, n. 3, e3307.

BOCKZO, R. Conceitos de Astronomia. Edgard Blücher Ltda, São Paulo, 1984, 429 p.

KALOGIROU, S. A. 2014. Solar energy engineering: processes and systems. 2. ed, Academic Press, Elsevier, EUA, 2014.

MECENEIRO, G. D. Desenvolvimento de um sistema para rastreamento solar. Dissertação (mestrado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Tecnologia, Limeira, SP, 2018. 80 p.

PAIVA, E. C. Desenvolvimento de um rastreador solar microcontrolado para um coletor solar concentrador. Tese de Doutorado, Universidade Federal de Viçosa, Minas Gerais, 2009.

SMETS, A. H. M. et al. Solar Energy: The Physics and Engineering of Photovoltaic
Conversion, Technologies and Systems. Uit Cambridge Ltd. 488 p, 2016.

Disjuntor de alta tensão com mecanismo de interrupção a vácuo: panorama

Até os anos 1960, os mecanismos de interrupção dos disjuntores de sistemas de potência se basearam em meios isolantes de ar ou óleo em todas as classes de tensão. Nesse cenário, as tecnologias de princípio de interrupção a base de gás SF6 (hexafluoreto de enxofre) e de vácuo emergiram, com isso a média tensão seria tomada por essas duas tecnologias, seguida pela preponderância da utilização do SF6 na alta tensão.

Antes de detalhar o disjuntor de alta tensão com interrupção a vácuo, é importante diferenciar os mecanismos de interrupção a vácuo e a SF6 que são amplamente disponíveis para disjuntores de média tensão no mercado, com suas respectivas vantagens e desvantagens. O mecanismo de interrupção a vácuo extingue o arco elétrico em um ambiente de vácuo, nesse sentido a rápida recuperação desse dielétrico implica na possibilidade de interrupção de correntes de falta com di/dt severos, aliado com uma menor energia do arco (tensão) que resulta em mais interrupções completas de correntes de curto-circuito quando comparado com modelos equivalentes com outras tecnologias. Paralelamente, os disjuntores a gás SF6, utilizam esse meio para extinguir o arco pelas suas ótimas propriedades dielétricas, de acordo com Cavalcanti (1995), o SF6 possui uma eficiência de supressão de arco 10 vezes maior que o ar e um tempo de extinção 100 vezes menor. Entretanto, o SF6 é um gás potencializador do efeito estufa por pertencer a classe dos gases fluorados.

Figura 1:  Câmeras de extinção de arco elétrico a vácuo de alta tensão

Fonte: Siemens Energy/Divulgação

Nesse contexto, os fatores determinantes na escolha entre esses mecanismos são a classe de tensão e fatores ambientais. A princípio a SF6 se mostra eficiente em modelos de 11 kV até 1100 kV, tendo um intervalo de aplicação amplo e, como mencionado, predominante na alta tensão. Por outro, as aplicação do mecanismo a vácuo eram limitadas a aplicações internas de média tensão, usualmente de 11 kV até 33 kV, isso até a recente disponibilização de câmeras de extinção para alta tensão em modelos de até 145 kV. Por exemplo, a fabricante Siemens introduziu essa tecnologia em modelos de alta tensão (até 145 kV) somente em 2010 com sua linha 3AV1.

Nesse sentido, os disjuntores de tensão de até 145 kV que utilizam o mecanismo de interrupção a vácuo representam uma solução avançada para aplicações em redes de distribuição e transmissão de energia elétrica. Estes disjuntores são projetados para oferecer alta confiabilidade, aproveitando a tecnologia de vácuo para garantir uma interrupção rápida e eficiente do arco elétrico. Além disso, a ausência de gases de efeito estufa e a reduzida necessidade de manutenção tornam esses dispositivos uma escolha ambientalmente economicamente vantajosa. Por fim, a tecnologia de interrupção a vácuo em disjuntores de até 145 kV proporciona uma vida útil prolongada, e uma resistência superior a operações frequentes, características essenciais para garantir a continuidade e a estabilidade do fornecimento de energia elétrica.

Figura 2: Disjuntor de 145 kV com câmeras de extinção a vácuo

Fonte: Siemens Energy/Divulgação

Referências:

CAVALCANTI, A. C. Disjuntores e chaves: aplicação em sistemas de potência. Ed. 1. Niterói: Editora da UFF, 1995. 

MAMEDE, J. F. Manual de equipamentos elétricos. 5. Ed. Rio de Janeiro: LTC, 2022.

PICOT, Philippe. Schneider Electric Cahiers Techniques Vacuum Switching, Cahier Technique no.198, 2000 . Disponível em: https://www.tekdok.dk/files/cahiers_techniques/Vacuum_switching.pdf. Acesso em: 12 jul. 2024.

SIEMENS Ltd. High-Voltage Circuit Breakers. 2015. Disponível em: https://www.siemens-energy.com/br/pt/home/products-services/product/live-tank.html. Acesso em: 12 jul. 2024.

Variação de Frequência no SEP: Regulamentação, Causas e Consequências

A geração de energia elétrica é realizada de tal forma que a frequência das tensões e correntes do sistema elétrico de potência apresentem um valor pré-determinado, o qual é consequência das dinâmicas eletromecânicas das máquinas geradoras, como máquinas síncronas e de indução. Tal valor de frequência varia entre 50 Hz (em grande parte da Europa, Paraguai, Argentina, etc.) e 60 Hz ( Brasil, Estados Unidos, etc.), sendo importante mantê-lo dentro de certos limites para o correto funcionamento dos equipamentos elétricos e eletrônicos, além de garantir um fornecimento adequado de energia.

O PRODIST (Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional), conjunto de normas estabelecidas pela ANEEL para regulamentação das atividades de distribuição de energia no Brasil, determina certos limites para as variações de frequência através do Módulo 8, Seção 8.1.7 (ANEEL,2021):

  • 8.1.7.1: “O sistema de distribuição e as instalações de geração conectadas ao mesmo devem, em condições normais de operação e em regime permanente, operar dentro dos limites de frequência situados entre 59,9 Hz e 60,1 Hz”
  • 8.1.7.2: “Quando da ocorrência de distúrbios no sistema de distribuição, as instalações de geração devem garantir que a frequência retorne, no intervalo de tempo de 30 (trinta) segundos após a transgressão, para a faixa de 59,5 Hz a 60,5 Hz, para permitir a recuperação do equilíbrio carga-geração.”
  • 8.1.7.3: “Havendo necessidade de corte de geração ou de carga para permitir a recuperação do equilíbrio carga-geração, durante os distúrbios no sistema de distribuição, a frequência:

a) não pode exceder 66 Hz ou ser inferior a 56,5 Hz em condições extremas;

b) pode permanecer acima de 62 Hz por no máximo 30 (trinta) segundos e acima de 63,5 Hz por no máximo 10 (dez) segundos;

c) pode permanecer abaixo de 58,5 Hz por no máximo 10 (dez) segundos e abaixo de 57,5 Hz por no máximo 05 (cinco) segundos.”

Portanto, através da normativa prescrita pela ANEEL, nota-se que a frequência elétrica não deve apresentar grandes variações, seja em regime permanente, seja em regime transitório. Assim, é importante analisar os diferentes motivos que acarretam tais oscilações. 

Primeiramente, qualquer tipo de perturbação nas redes elétricas leva à alteração na frequência do sistema, das quais destacam-se a variação de carga no sistema, a presença de cargas harmônicas e curto-circuitos. 

Além disso, a relação entre demanda e geração é um importante fator no monitoramento da frequência elétrica. Isso porque, em situações de desequilíbrio entre carga e geração, há um aumento ou diminuição da frequência: quando a demanda de energia é maior que a fornecida pelo sistema de geração, há uma tendência de redução da frequência, enquanto o contrário provoca um aumento no seu valor. Tal questão está diretamente relacionada à forma como a energia é gerada, sobretudo em máquinas síncronas, nas quais a velocidade de rotação do rotor é diretamente proporcional à potência gerada e consumida.

Exemplo de variação de frequência em (P.U.). (Fonte: Yunus, 2019)

Por fim, com o desenvolvimento das energias renováveis, a geração distribuída representa um grande problema em relação ao controle da frequência, principalmente devido ao fluxo bidirecional nas redes de energia elétrica.

Esses fatores provocam oscilações transitórias e, a depender da sua intensidade, o sistema pode se tornar instável, apresentando uma variação contínua e desenfreada da frequência, o que leva à possíveis blackouts e danos aos diferentes equipamentos elétricos.

Logo, percebe-se que o controle da frequência deve ser realizado de modo a evitar excursões exacerbadas diante de qualquer intercorrência, promovendo o funcionamento adequado do sistema elétrico.

Referências:

Yunus, Shiddiq. (2019). Impacts of Grid Frequency Variation on Dynamic Performance of DFIG Based Wind Turbine. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 619. 012007. 10.1088/1757-899X/619/1/012007.

STEVENSON, William D. Elementos de Análise de Sistemas de Potência. 2.ed. São Paulo: McGraw-Hill, 1986. 458p.

ANEEL, “Procedimentos de distribuição de energia elétrica no sistema elétrico nacional – PRODIST”, ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica, Dezembro, 2021.

Relé de sequência de fase: funcionamento e importância

Os sistemas elétricos de potência no Brasil na grande maioria das vezes são transmitidos e distribuídos em corrente alternada no padrão trifásico, onde muitos equipamentos são energizados através dessa ligação. Em razão disso, é importante conhecer o conceito de sequência de fases, RST ou ABC, para a instalação correta, evitando faltas e defeitos em equipamentos.

A sequência de fase é a ordem em que cada fase alcança o valor de pico, e serve como uma forma de organizar as relações entre as fases de sistemas polifásicos. Portanto, se há mudanças nessa sequência, algumas consequências são notadas, como subtensão e inversão de sentido de giro do campo magnético, o que afeta geradores e motores. 

fonte: IFSC

Um equipamento de proteção frequentemente utilizado para evitar problemas com desequilíbrio e inversão de fases é o Relé Sequencial, conhecido como função 47 na tabela ANSI. Esse relé identifica se o sistema está fornecendo a sequência correta (sequência positiva) para gerar um campo magnético girando no sentido desejado.

fonte: DIGImec

De acordo com Fortescue, um sistema desequilibrado polifásico de n fases pode ser decomposto em n sistemas equilibrados. No caso do sistema trifásico desequilibrado, ele pode ser decomposto em sequências positiva (ABC), negativa (ACB) e nula (0).

fonte: STEVENSON (1986)

Ao identificar a presença da componente negativa, o relé sequencial abre o contato, não permitindo que o equipamento funcione. Geralmente, o relé sequencial é comercializado junto à função de detecção de faltas, o que significa que ele também verifica se há a presença de assimetria, ou seja, se há a presença das componentes negativa e nula para além da positiva, como manda o teorema de fortescue, e interrompe o circuito da mesma forma.

Fonte: DIGImec

Com vida útil elétrica em cerca de 1.000.000 ciclos, e mecânica de 10.000.000 ciclos, o relé sequencial é um item indispensável em sistemas elétricos que contam com máquinas e equipamentos rotacionais. O equipamento de proteção preserva a vida útil dessas máquinas, bem como previne defeitos.

Referências

STEVENSON, William D. Elementos de Análise de Sistemas de Potência. 2.ed. São Paulo: McGraw-Hill, 1986. 458p.

KINDERMANN, Geraldo. Curto Circuito. 2. ed. Porto Alegre: Sagra Luzzatto, 1997. 214 p.

 O QUE é um relé sequência de fase? 2020. Disponível em: https://aprendendoeletrica.com/o-que-e-um-rele-sequencia-de-fase/. Acesso em: 14 jun. 2024.

RELÉS de sequência de fase. Disponível em: https://www.digimec.com.br/produtos/210/reles-de-sequencia-de-fase. Acesso em: 15 jun. 2024.

MESH ENGENHARIA (org.). Sequência de Fase: função 47. Função 47. Disponível em: https://meshengenharia.com/2023/04/21/sequencia-de-fase-funcao-47/. Acesso em: 14 jun. 2024.

Utilização de relés de sobrecorrente no Sistema Elétrico de Potência

Sistema Elétrico de Potência (SEP)

O Sistema Elétrico de Potência (SEP) representa uma complexa rede interconectada, essencial para assegurar o fornecimento ininterrupto, seguro e conforme os padrões estabelecidos de energia elétrica, atendendo às exigências de consumidores distribuídos em diversos locais. Esse sistema, composto por geradores, linhas de distribuição, linhas de transmissão e subestações de energia elétrica, desempenha um papel crucial na garantia da demanda energética solicitada.

Linhas de Transmissão de Energia Elétrica.
Fonte: pexels. Disponível em: https://www.pexels.com/pt-br/foto/alvorecer-amanhecer-aurora-natureza-5850492/

Para manter a integridade e a eficiência desse sistema, é imprescindível contar com um sistema de proteção robusto e confiável, equipado com dispositivos capazes de monitorar e intervir quando necessário no SEP.

Um desses dispositivos fundamentais é o Relé de Proteção. Sua função primordial consiste em monitorar diversas grandezas elétricas, como tensão, corrente e frequência, entre outras. Ao detectar condições anormais de operação, tais como sobrecargas ou curtos-circuitos, o relé emite sinais ou comandos para desligamento parcial ou total do sistema por meio dos disjuntores. Essa ação imediata visa evitar danos aos equipamentos e impedir a propagação de perturbações para outras partes do SEP. Assim, o Relé de Proteção desempenha um papel vital na salvaguarda da integridade e na preservação da operacionalidade do Sistema Elétrico de Potência.

Relé de Proteção Schweitzer Engineering. Disponível em: https://www.google.com/imgres?q=rel%C3%A9%20de%20prote%C3%A7%C3%A3o%20de%20sobrecorrente&imgurl=https%3A%2F%2Fselinc.com%2FuploadedImages%2FWeb%2FProducts%2FImages%2F421.png%3Fn%3D63574914008000&imgrefurl=https%3A%2F%2Fselinc.com%2Fpt%2Fproducts%2F487B%2F&docid=vtiHlMD8OLfABM&tbnid=aKOzeCEkA-D4HM&vet=12ahUKEwjZ6MfihMGGAxU6rpUCHXLKJLcQM3oECHYQAA..i&w=1200&h=859&hcb=2&ved=2ahUKEwjZ6MfihMGGAxU6rpUCHXLKJLcQM3oECHYQAA

Relé de Sobrecorrente

O Relé de Sobrecorrente é utilizado na proteção de linhas de transmissão, linhas de distribuição, transformadores e motores contra sobrecargas e/ou curto-circuitos elétricos a partir do monitoramento da corrente elétrica do sistema, enviando sinal para abertura de um ou mais disjuntores quando for detectado uma corrente maior ou igual ao valor de corrente ajustado previamente, podendo ser essa atuação de maneira instantânea ou temporizada (50/51). O relé de sobrecorrente pode ser conectado ao sistema de maneira direta, tendo sua bobina conectada em série com o circuito, ou de forma indireta através de dispositivos abaixadores, como os transformadores de correntes (TC).

Uma das curvas características dos relés de sobrecorrente é a de tempo definido, que estabelece um intervalo de atuação para um determinado valor mínimo de corrente. Quando o sistema atinge ou excede esse valor mínimo de corrente e o tempo definido se esgota, o relé é ativado. Além disso, outra curva característica importante é a tempo dependente, onde o tempo de atuação do relé varia de forma inversamente proporcional ao valor da corrente. Essas variações podem ser classificadas em três grupos: Normalmente Inversa (NI), Muito Inversa (MI) e Extremamente Inversa (EI).

Curvas Características normalmente inversa (NI), muito inversa (MI) e extremamente inversa (EI) [1].

Unidade Instantânea (50) e Temporizada (51)

Os Relés de Sobrecorrente são compostos por duas unidades: a unidade instantânea e a unidade temporizada. Nos diagramas de Proteção do Sistema Elétrico de Potência (SEP), essas unidades são representadas pelos números 50 e 51, respectivamente. Quando os relés monitoram a corrente para a proteção das fases, as unidades são descritas como 50 e 51 de fase. No caso da proteção do neutro ou terra, as designações são 50 e 51 neutro e terra, respectivamente.

É importante ressaltar que, com o avanço tecnológico e a implementação dos relés de sobrecorrente digitais, é possível incorporar várias funções de proteção em um único relé, tornando-o um relé multifunções.

Relé de Sobrecorrente schneider. Disponível em: https://download.schneider-electric.com/files?p_Doc_Ref=PM107252&p_File_Ext=.JPG

A unidade instantânea opera em uma fração de tempo da ordem de milissegundos. Os relés eletromecânicos não oferecem a possibilidade de ajuste para controlar esse tempo de atuação. No entanto, com o surgimento dos relés digitais, essas unidades possibilitam ajustes prévios do tempo de atuação e da corrente mínima necessária para acionar o relé.

Por outro lado, a unidade Temporizada permite ajustes das curvas de atuação e da corrente mínima de atuação. Em outras palavras, ela opera com curvas de tempo definido e tempo dependente.

Diagrama básico da proteção de sobrecorrente da saída de um alimentador primário radial [1].

Referências:

ALMEIDA, Marcos A. Dias de. Apostila de Proteção do Sistemas Elétricos. Natal: 2022.

CAMINHA, Amadeu Casal. Introdução à proteção dos sistemas elétricos. São Paulo: Edgard Blucher, 1977.

ELETROBRAS, Comitê de Distribuição. COLEÇÃO DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA Proteção de sistemas aéreos de distribuição. Rio de Janeiro, Eletrobrás, 1982.

SAMPAIO, João Pedro Bezerra. Modernização de sistemas de proteção com utilização dos relés digitais (caso prático LT-04S1 – CHESF). Recife: O Autor, 2014.

BARBOSA, Daniel. Sistemas Elétricos de Potência 2024.1. O Autor, 2024.

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