análise de sobretensões e sobrecorrentes transitórias na energização de bancos de capacitores

141 Pages·2015·7.06 MB·Portuguese

ANÁLISE DE SOBRETENSÕES E SOBRECORRENTES TRANSITÓRIAS
NA ENERGIZAÇÃO DE BANCOS DE CAPACITORES

Alessandro Areal Barros

Projeto de Graduação apresentado ao Curso de
Engenharia Elétrica da Escola Politécnica,
Universidade Federal do Rio de Janeiro, como
parte dos requisitos necessários à obtenção do
título de Engenheiro.
Orientador: João Pedro Lopes Salvador

Rio de Janeiro
Fevereiro de 2015
ANÁLISE DE SOBRETENSÕES E SOBRECORRENTES TRANSITÓRIAS NA
ENERGIZAÇÃO DE BANCOS DE CAPACITORES

Alessandro Areal Barros

PROJETO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA
ELÉTRICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE
JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO
GRAU DE ENGENHEIRO ELETRICISTA.

Examinada por:

_________________________________________
Prof. João Pedro Lopes Salvador, M.Sc.

_________________________________________
Prof. Juan Carlos Mateus Sánchez, D.Sc.

_________________________________________
Prof. Sebastião Ércules Melo de Oliveira, D.Sc.

RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL
FEVEREIRO DE 2015
Barros, Alessandro Areal
Análise de Sobretensões e Sobrecorrentes Transitórias na
Energização de Bancos de Capacitores / Alessandro Areal Barros.
– Rio de Janeiro: UFRJ / Escola Politécnica, 2015.
XV, 126 p.: il.; 29,7 cm.
Orientador: João Pedro Lopes Salvador
Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/
Departamento de Engenharia Elétrica, 2015.
Referências Bibliográficas: pp. 120 – 121.
1. Correção de Fator de Potência 2. Banco de Capacitores 3.
Análise Transitória.
I. Salvador, João Pedro Lopes. II. Universidade Federal do Rio
de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Elétrica. III.
Título.
iii
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica / UFRJ como parte dos
requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Eletricista.

Análise de Sobretensões e Sobrecorrentes Transitórias na Energização de
Bancos de Capacitores

Alessandro Areal Barros

Fevereiro/2015

Orientador: João Pedro Lopes Salvador

Curso: Engenharia Elétrica

O uso de bancos de capacitores para correção do fator de potência em unidades
industriais é uma importante ferramenta para controlar os reativos gerados pelas cargas
indutivas que existem em um sistema elétrico. Esta técnica já consolidada mostra-se bastante
eficaz na redução dos níveis de correntes que alimentam os circuitos e ajuda a reduzir o
pagamento de multas cobradas pelas companhias de distribuição.
No momento em que um banco de capacitores entra em operação ocorrem
sobretensões e sobrecorrentes transitórias de grande magnitude que, se não forem previamente
estudadas, podem gerar problemas no funcionamento de equipamentos próximos ao banco e
desestabilizarem toda uma planta elétrica, além da possibilidade de rompimento no
isolamento.
Este trabalho realiza uma análise do comportamento transitório diante da
entrada de cada estágio de um banco de capacitores com a utilização de chaveamento
sincronizado e com o uso de resistores e indutores de pré-inserção. A partir de resultados de
simulações em programa de transitórios eletromagnéticos (EMTP/ATP), foi determinada a
técnica mais eficaz de mitigação de tais efeitos transitórios.
iv
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI / UFRJ as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Engineer.

Transient Overvoltage and Overcurrent Analysis in Capacitor Banks Energization

Alessandro Areal Barros

February/2015

Advisor: João Pedro Lopes Salvador

Course: Electrical Engineering

The usage of capacitors for power factor correction in industrial units is an important
tool to control the reactive power naturally generated by inductive loads that exist in electrical
systems. This well-established technique appears to be quite effective in reducing the levels of
currents that feed the circuits and helps reduce the payment of fines billed by the distribution
companies.
At the moment that a capacitor bank starts its operations, high overvoltages and
overcurrents transients occurs and, if they are not well studied, may cause sudden problems in
the electrical devices near to the bank. Besides, they can destabilize an electric plant and
generate the possibility of insulation breakdown.
This work makes an analysis of the transient behavior before the entrance of each
stage of a capacitor bank with the use of synchronized switching and pre-insertion resistors
and inductors. From simulation results at electromagnetic transient programs (EMTP/ATP)
the most effective techniques to mitigate those transients were determined.

v
AGRADECIMENTOS

A Deus, pela vida e por esta oportunidade de evoluir um pouco mais
intelectualmente;
À espiritualidade amiga pela intuição e sustentação que me deram ao longo desta
caminhada;
À minha Família por compreender minha ausência em alguns momentos, mas em
especial à Luzia, Rogério, Leila e (Dona) Maria por me incentivarem a sempre estudar, desde
cedo, buscando assim o conhecimento e algo melhor para minha vida;
Ao CEFET/RJ pelos anos maravilhosos que me ensinaram a ser mais independente e
buscar meus objetivos, além de ter me proporcionado conviver com pessoas incríveis, mesmo
que com alguns este contato não tenha perdurado até os tempos atuais;
Aos amigos que não estudam ou não estudaram no Fundão, que mesmo sem sentirem
na pele o que é cursar Engenharia na UFRJ souberam também compreender minha ausência
em muitos momentos;
À Transpetro por me proporcionar a oportunidade de fazer parte do seu corpo de
trabalho e me oferecer tantos ensinamentos, tanto intelectuais, como na escola da vida;
A todos que trabalham ou trabalharam comigo na Ilha Redonda. Obrigado pelas
conversas, pelo incentivo e por me ajudarem a finalizar este curso, sem o apoio de vocês
poderia ter desistido no meio do caminho;
Aos amigos e colegas que fiz durante a faculdade, que em muitos momentos
suavizaram a luta que é trabalhar e estudar, mesmo sem compreender o que é estar nesta
situação. Em especial, agradeço aos colegas Felipe Cabral, Jonathan Carvalho e Mayara
Cagido por compartilharem comigo parte do seu material de curso, o que tornou esta jornada
algo “menos impossível”;
Aos Professores com que convivi ao longo destes 13 períodos cursando Engenharia
Elétrica, academicamente vocês me ensinaram muitas coisas, mesmo que em alguns
momentos tenham dificultado desnecessariamente a minha caminhada para conseguir meu
diploma. Tenham certeza de que aprendi muito mais do que Engenharia ao conviver com
vocês;
Aos amigos das artes marciais e do CEIC pelos momentos de descontração e
desabafo;
vi
Mais recentemente à Natália pelo apoio, incentivo, compreensão e pelos momentos
de relaxamento e felicidade que você têm me proporcionado.
E finalmente ao orientador João Salvador por aceitar o desafio de me guiar neste
projeto.
A todos os que aqui citei, e outros mais com os quais cometi o deslize de não citar,
sinceramente: MUITO OBRIGADO!

vii
Sumário

Lista de Figuras ......................................................................................................................... xi
Lista de Tabelas ........................................................................................................................ xv

1 Introdução ........................................................................................................................... 1
1.1 Contextualização no Cenário Brasileiro ...................................................................... 1
1.2 Objetivo ....................................................................................................................... 3
1.3 Organização do Trabalho ............................................................................................. 3

2 Fundamentos Teóricos ........................................................................................................ 4
2.1 Potência de Circuitos Monofásicos CA ....................................................................... 4
2.1.1 Representação Temporal ...................................................................................... 4
2.1.2 Representação Fasorial ......................................................................................... 6
2.1.3 Conclusão Parcial ................................................................................................. 7
2.2 Potência em Circuitos Trifásicos Equilibrados ............................................................ 8
2.3 Correção do Fator de Potência ..................................................................................... 9
2.3.1 Triângulo de Potências ......................................................................................... 9
2.3.2 Diagrama Fasorial............................................................................................... 11
2.4 Elevação no Perfil de Tensão ..................................................................................... 12
2.5 Conexões de Capacitores em Circuitos Trifásicos .................................................... 13
2.5.1 Estrela Aterrada .................................................................................................. 13
2.5.2 Estrela Aterrada Dividida ................................................................................... 14
2.5.3 Estrela Isolada..................................................................................................... 15
2.5.4 Estrela Isolada Dividida...................................................................................... 15
2.5.5 Delta ................................................................................................................... 16
2.6 Transitórios em Circuitos Elétricos ........................................................................... 16
2.6.1 Transitório de um Circuito RL ........................................................................... 17
2.6.2 Transitório de um Circuito LC ........................................................................... 19
2.7 Energização Back-to-Back ......................................................................................... 21

3 Metodologia ...................................................................................................................... 23
3.1 Circuito sem Uso de Capacitores – Caso Base .......................................................... 23
3.1.1 Modelagem da Rede ........................................................................................... 26
3.1.2 Modelagem do Barramento de 13,8 kV.............................................................. 27
viii
3.1.3 Modelagem dos Transformadores 6201A/B ...................................................... 28
3.1.4 Modelagem do Barramento de 2,4 kV................................................................ 29
3.1.5 Modelagem das Cargas ....................................................................................... 30
3.1.6 Simulação para o Caso Base ............................................................................... 31
3.2 Circuito com Correção do Fator de Potência – Caso 1 .............................................. 32
3.3 Chaveamento Síncrono .............................................................................................. 33
3.3.1 Chaveamento Síncrono Tripolar – Caso 2 .......................................................... 34
3.3.2 Chaveamento Síncrono Unipolar – Caso 3 ........................................................ 34
3.4 Uso de Resistor de Pré-Inserção – Caso 4 ................................................................. 35
3.5 Uso de Indutor de Pré-Inserção – Caso 5................................................................... 36

4 Apresentação e Análise dos Resultados ........................................................................... 38
4.1 Caso Base ................................................................................................................... 38
4.1.1 Regime Permanente ............................................................................................ 38
4.2 Caso 1 ........................................................................................................................ 39
4.2.1 Regime Permanente ............................................................................................ 39
4.2.2 Regime Transitório ............................................................................................. 41
4.3 Caso 2 ........................................................................................................................ 51
4.3.1 Regime Transitório ............................................................................................. 51
4.4 Caso 3 ........................................................................................................................ 59
4.4.1 Regime Transitório ............................................................................................. 59
4.5 Caso 4 ........................................................................................................................ 66
4.5.1 Regime Transitório ............................................................................................. 66
4.6 Caso 5 ........................................................................................................................ 82
4.6.1 Regime Transitório ............................................................................................. 82
4.7 Comparação das Estratégias de Mitigação dos Transitórios ..................................... 98
4.7.1 Comparação entre os Casos 1 e 2 ....................................................................... 99
4.7.2 Comparação entre os Casos 1 e 3 ..................................................................... 100
4.7.3 Comparação entre os Casos 1 e 4 ..................................................................... 101
4.7.4 Comparação entre os Casos 1 e 5 ..................................................................... 104
4.7.5 Comparação entre os Casos 2 e 3 ..................................................................... 106
4.7.6 Comparação entre os Casos 2 e 4 ..................................................................... 107
4.7.7 Comparação entre os Casos 2 e 5 ..................................................................... 109
4.7.8 Comparação entre os Casos 3 e 4 ..................................................................... 111
4.7.9 Comparação entre os Casos 3 e 5 ..................................................................... 113
4.7.10 Comparação entre os Casos 4 e 5 ..................................................................... 115

ix
5 Conclusões e Trabalhos Futuros ..................................................................................... 117
5.1 Conclusões Gerais .................................................................................................... 117
5.2 Trabalhos Futuros .................................................................................................... 119

Referências Bibliográficas ...................................................................................................... 120

Apêndice A – Memória de Cálculo de Cabos ........................................................................ 122
a) Parâmetros Elétricos dos Cabos Eprotenax Compact .......................................... 122
b) Parâmetros do Barramento de 13,8 kV ................................................................ 123
c) Parâmetros do Barramento de 2,4 kV .................................................................. 123

Apêndice B – Rotinas no Matlab ............................................................................................ 125
a) Código para Obtenção do Valor Eficaz e de Pico em Regime Permanente ......... 125
b) Código para Obtenção do Valor de Pico do Transitório ...................................... 125
c) Código para Analisar a Composição Harmônica do Transitório ......................... 126

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