2 O Arco Elétrico

143 Pages·2015·4.61 MB·Portuguese

by  Claudio Alvares Conceição

UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA
ELÉTRICA

Estudo e Projeto de um Sistema
Rápido de Supressão de Arco
Baseado em Tiristores de Potência

por
Claudio Alvares Conceição

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO

Prof. Braz de Jesus Cardoso Filho
Orientador

Belo Horizonte, Março de 2015.
Ao meu pai,
em memória
Agradecimentos

Agradeço a Deus por iluminar meus caminhos.

Ao Prof. Braz, pela orientação e confiança.

Ao Prof. Sidelmo, pelo suporte.

Aos amigos, familiares e minha mãe Donatila, pela força.

Aos meus filhos Rafaela e Claudinho, pelo apoio e carinho.

E principalmente a minha amada esposa Eugenina, pela tolerância e incentivo.
Resumo

Arcos elétricos devidos a curtos-circuitos em painéis elétricos são fenômenos
indesejáveis, ocorrendo de forma descontrolada e liberando grandes quantidades de
energia sob forma de calor, partículas metálicas ionizadas pela sublimação do cobre, o
qual atinge 67.000 vezes o volume sólido da barra de cobre. Também há liberação de
grande quantidade de luz na faixa do ultravioleta e gases tóxicos pela queima de
materiais isolantes internos ao painel. As pressões podem atingir algumas centenas ou
milhares de kgf, com sons associados podendo atingir valores superiores a 160dB e, por
fim, material sólido e metal fundido são expelidos a partir da fonte do arco a uma
velocidade superior a 1.120km/h. Este trabalho tem como objetivo a realização de
estudos e proposição do projeto para um sistema rápido de supressão de arco, baseado
em semicondutor de potência, sendo sua principal finalidade é de se eliminar por
completo todos os efeitos indesejáveis associados ao curto-circuito a arco em painéis
elétricos.
Abstract

Arc flashes due to short circuits in electrical panels are undesirable phenomena
with uncontrollable nature, releasing a lot of energy as heat, ionized metal particles due
to copper sublimation, reaching 67,000 times its solid volume. In addition high energy
light in the ultraviolet range is released, along with of toxic gases from the burning
internal insulating materials of the panel. Air pressure can reach hundreds or thousands
of kgf with associated sounds with intensity greater than 160dB. Finally, solid material
and molten metal are expelled from the arc source at speeds higher than 1,120km/h. The
work aims the development of studies and the design of an "Active Arc Suppression
System", whose main purpose is the complete elimination of the undesirable effects
associated with arcs in short-circuited electrical panels.
Índice
1 Introdução.......................................................................................................11
1.1 Introdução......................................................................................................11
1.2 Motivação......................................................................................................12
1.3 Objetivo.........................................................................................................13
1.4 Contribuições.................................................................................................14
1.5 Organização e Conteúdo dos Capítulos.........................................................14
2 O Arco Elétrico...............................................................................................16
2.1 A Natureza do Arco Elétrico .........................................................................16
2.1.1 Riscos Associados ao Arco Elétrico ...........................................................17
2.1.2 Efeito da Temperatura no Tecido Humano.................................................20
2.1.3 Estatística de Acidentes com Arco Elétrico ............................................... 21
2.1.4 Fatores que Propiciam o Surgimento do Arco Elétrico ..............................24
2.1.5 Evolução de um Curto-Circuito Trifásico a Arco em Painéis Elétricos.....24
2.2 A Energia Irradiada por um Curto-Circuito Trifásico ...................................28
2.2.1 Método Proposto por Ralph Lee.................................................................28
2.2.2 Método Proposto por Doughty, Neal e Floyd .............................................32
2.2.3 Método Proposto pelo IEEE Std 1584-2004...............................................40
2.3 Tecnologias para Mitigar os Efeitos do Arco-Elétrico ..................................45
2.3.1 Painel Resistente a Arco Elétrico................................................................45
2.3.2 Vestimentas para Trabalhos em Eletricidade..............................................50
2.3.3 Soluções de Engenharia para Redução do Nível de Energia Irradiado......54
2.4 Tecnologias Disponíveis na Aplicação de Supressores de Arco...................63
3 Sistema de Supressão de Arco Baseado em Tiristores de Potência............75
3.1 Projeto de um Sistema Rápido de Supressão de Arco...................................75
3.1.1 Impedância de Abafamento do Arco ..........................................................76
3.1.2 A Chave de Estado Sólido ..........................................................................79
3.1.3 Sistema de Detecção de Arco Elétrico ........................................................82
3.1.4 Sistema de Proteção, Controle e Comando .................................................89
3.2 Protótipo Conceitual de Bancada...................................................................91
4 Conclusão.......................................................................................................100
5 Referências Bibliográficas ............................................................................102
Anexos ...............................................................................................................107
Índice de Figuras
Fig. 1 - Natureza direcional geral de um arco elétrico. Fonte......................................... 17
Fig. 2 - Posição dos manequins em relação ao painel......................................................18
Fig. 3 - Exposição dos manequins ao arco elétrico..........................................................19
Fig. 4 - Resultados obtidos através dos sensores..............................................................19
Fig. 5 - Relação Tempo x Temperatura para tolerância do tecido humano......................20
Fig. 6 - Número de acidentados com arco elétrico por ano..............................................21
Fig. 7 - Número de acidentes por nível de tensão ............................................................22
Fig. 8 - Acidentes com arco elétrico por instalação..........................................................22
Fig. 9 - Número de acidentes com arco elétrico por área.................................................23
Fig. 10 - Oscilografia de um curto-circuito a arco............................................................25
Fig. 11 - Oscilografia de um curto-circuito a arco............................................................26
Fig. 12 - Oscilografia de um curto-circuito a arco............................................................27
Fig. 13 - Diagrama de Vetores......................................................................................... 29
Fig. 14 - Teste de energia irradiada em ambiente aberto..................................................33
Fig. 15 - Corelação entre falta sólida e energia incidente.................................................34
Fig. 16 - Energia incidente padronizada...........................................................................35
Fig. 17 - Teste de energia irradiada em ambiente fechado...............................................37
Fig. 18 - Direcionamento da energia irradiada.................................................................38
Fig. 19 - Corelação entre falta sólida e energia incidente.................................................39
Fig. 20 - Energia incidente padronizada...........................................................................39
Fig. 21 - Planilha de calculo do IEEE Std 1584-2004.....................................................44
Fig. 22 - Fases devida elevação de pressão e temperatura................................................47
Fig. 23 - Ensaio em um painel elétrico não certificado....................................................47
Fig. 24 - Recomendações para instalação de painel certificado.......................................49
Fig. 25 - Teste de curto-circuito a arco em um painel de média tensão...........................49
Fig. 26 Teste de curto-circuito a arco em um painel com duto de exaustão.....................50
Fig. 27 - Transferência de calor pelo tecido. Fonte..........................................................51
Fig. 28 - Execução de trabalho com uso de roupa para ATPV de 25cal/cm²...................52
Fig. 29 - Aplicação de seletividade lógica........................................................................55
Fig. 30 - Aplicação de seletividade lógica........................................................................55
Fig. 31 Relés de proteção com sensores de luz pontual e regional...................................56
Fig. 32 - Sensor de arco pontual.......................................................................................56
Fig. 33 - Sensor regional...................................................................................................57
Fig. 34 - Oscilografia de um rele de arco.........................................................................57
Fig. 35 - Diagrama unifilar típico de um CDC.................................................................59
Fig. 36 - Mascara de um relé numérico mostrando os grupos de ajuste...........................60
Fig. 37- Mascara de programação de um relé numérico...................................................60
Fig. 38 - Aplicação de relé numérico para grupo de ajuste..............................................61
Fig. 39 - Curva de pressão e fases do arco........................................................................63
Fig. 40 - Pressão no painel com atuação do supressor......................................................63
Fig. 41 - Conjunto para supressão de arco UFES.............................................................64
Fig. 42 - Corte do dispositivo UFES.................................................................................64
Fig. 43 - Posição do dispositivo após acionado................................................................65
Fig. 44 - Ocorrência de um curto-circuito no barramento................................................66
Fig. 45 - Detecção do curto-circuito a arco pelo rele........................................................66
Fig. 46 - Comando de disparo para o UFES.....................................................................67
Fig. 47 - UFES provocando uma falta sólida no sistema..................................................67
Fig. 48 - Disjuntor geral eliminando a falta sólida provocada pelo UFES.......................68
Fig. 49 - Modulo de potência do ARCON........................................................................68
Fig. 50 - Princípio de funcionamento do ARCON...........................................................69
Fig. 51 - Módulos para identificação, comando e supressão do arco...............................70
Fig. 52 - Dispositivo de potência do sistema de supressão de arco VAMP.....................70
Fig. 53 - Gráfico comparativo entre as correntes de curto-circuito..................................71
Fig. 54 - Câmara de contenção e geração do arco elétrico secundário.............................72
Fig. 55 - Tempo de extinção do curto-circuito arco primário e secundário .....................73
Fig. 56 - Ignição pelo gerador de plasma e componentes após operação da câmera........73
Fig. 57 - Simulação de curto-circuito a arco.....................................................................76
Fig. 58 - Simulação de um curto-circuito sólido..............................................................77
Fig. 59 - Diagrama simplificado do "Sistema Rápido de Supressão de Arco".................77
Fig. 60 - Simulação de um curto-circuito com introdução de impedância série...............78
Fig. 61 - Modelo simplificado com introdução da impedância de abafamento................78
Fig. 62 - SCRs com compartilhamento forçado de corrente.............................................79
Fig. 63 - Dispositivos semicondutores de potência..........................................................81
Fig. 64 - Números de ciclos para uma corrente de 50kA.................................................81
Fig. 65 - Simulação no PTW de um sistema elétrico de potência....................................83
Fig. 66 - Efeito da saturação do TC (10B100)..................................................................86
Fig. 67 - Efeito da saturação do TC (10B10)....................................................................86
Fig. 68 - Efeito de saturação do TC com classe de exatidão 10B100 e 10B10................87
Fig. 69 - Projeto básico de um sensor de luz e corrente para um relé de arco..................88
Fig. 70 - Sensor de luz pontual.........................................................................................89
Fig. 71 - Diagrama funcional do sistema rápido de supressão de arco.............................90
Fig. 72 - Drive de disparo da chave de estado sólido.......................................................90
Fig. 73 - Diagrama elétrico do protótipo conceitual de bancada do sistema rápido de
supressão de arco interligado ao sistema elétrico............................................................91
Fig. 74 - Fronteira do sistema elétrico e supressor de surto.............................................91
Fig. 75 - Barramento com ajuste fino para o distanciamento entre os eletrodos..............92
Fig. 76 - Posição do suporte do sensor de arco em relação aos eletrodos........................92
Fig. 77 - Corrente primária e secundária do TC..............................................................93
Fig. 78 - Chave tiristorizada.............................................................................................94
Fig. 79 - Atuação do elemento de sobrecorrente temporizada..........................................95
Fig. 80 - Oscilografia de atuação para o elemento de sobrecorrente temporizado...........95
Fig. 81 - Oscilografia de atuação do elemento instantâneo de sobrecorrente...................96
Fig. 82 - Oscilografia da corrente e tensão de arco ..........................................................97
Fig. 83 – Diagrama de atuação do supressor de arco..........................................................97
Fig. 84 Oscilografia de atuação do supressor de arco......................................................98
Fig. 85 - Oscilografia da corrente de curto-circuito a arco no barramento e a corrente de
curto-circuito conduzida pela chave de estado sólido.....................................................99
Índice de Tabelas
Tabela 1 - Resultados obtidos de curto-circuito trifásico a arco.................................................33
Tabela 2 - Valores do curto-circuito sólido e energia irradiada tirados da tabela 1.....................34
Tabela 3 - Valor da energia irradiada padronizado......................................................................35
Tabela 4 - Resultados obtidos de curto-circuito trifásico a arco..................................................38
Tabela 5 - Categoria de perigo/risco............................................................................................53
Tabela 6 - Técnicas de redução do nível de energia irradiado.....................................................58
Tabela 7 - Comparativo entre soluções de engenharia.................................................................62
Tabela 8 - Parâmetros folha de dados fabricante. Anexo datasheet.............................................81
Tabela 9 - Dimensionamento do TC............................................................................................84
Tabela 10 - Cálculo do burden.....................................................................................................85
Tabela 11 - Planilha de calculo de saturação de TC.....................................................................85