Estudo de caso no PTW: cabine primária de 13,8 kV

Instalação fictícia, criada para demonstração, com valores redondos. Nenhum dado aqui é de cliente.

A instalação

A entrada é em 13,8 kV pela Enel, com 10 kA de curto trifásico no ponto de entrega. Na cabine, um relé com funções 50/51 e 51N comanda o disjuntor geral de média tensão. Um transformador de 1.000 kVA, com 5 % de impedância, alimenta o QGBT em 380 V, protegido por um disjuntor de 1.600 A com disparador eletrônico.

Do QGBT saem três circuitos: o CCM, com um motor de 110 kW e mais 120 kVA de cargas, o quadro de ar condicionado, com 150 kVA, e o de luz e tomadas, com 90 kVA.

Curto-circuito

O cálculo segue a IEC 60909, com fator de tensão de 1,10 na média tensão e de 1,05 na baixa. O motor do CCM entra com a contribuição que a norma manda considerar. No QGBT, o curto trifásico chega a 31,3 kA, com pico de 68,9 kA.

Refizemos o cálculo no pandapower, um programa aberto que também segue a IEC 60909, e a diferença ficou abaixo de 0,01 % em todas as barras. Conferir o modelo por outro caminho faz parte do método.

Os disjuntores aguentam o curto?

O PTW compara a capacidade de interrupção de cada disjuntor com o curto no ponto onde ele está instalado. Dois disjuntores do QGBT têm 25 kA, e a barra tem 31,3 kA. Num curto franco perto do QGBT, eles podem não interromper a falta.

O curto no ponto é a corrente de interrupção que o PTW usa para disjuntores de baixa tensão, 31,9 kA, um pouco acima do Ik″ de 31,3 kA. A correção é trocar os dois disjuntores por modelos de 36 kA da mesma linha. A corrente de pico fica em 93 % da capacidade de estabelecimento: atende, com margem pequena, e o relatório registra isso.

Fluxo de carga

Com as cargas na demanda, o transformador opera com 477 kVA, 48 % da potência nominal. A maior queda de tensão, no quadro de luz e tomadas, é de 2,8 %, longe dos 7 % que a NBR 5410 admite para instalação com subestação própria.

O que chama atenção é o fator de potência na entrada: 0,86. A distribuidora cobra o reativo excedente abaixo de 0,92. Um banco de capacitores de cerca de 110 kvar no QGBT leva o fator de potência a 0,95; o banco é dimensionado à parte, com medição.

Coordenação e seletividade

O coordenograma põe na mesma escala de corrente, referida a 380 V, as curvas do relé da cabine, do disjuntor geral e do disjuntor do CCM, a curva de dano do transformador e a partida do motor. Para cada corrente de falta, o primeiro a atuar deve ser o dispositivo mais perto da falta.

Com os ajustes iniciais, o coordenograma mostra dois problemas:

1O curto retardado do disjuntor geral, em 3 × Ir, atua de 4,1 a 5,0 kA com a tolerância. Essa faixa cai dentro do instantâneo do disjuntor do CCM, de 3,3 a 5,5 kA. Uma falta de 5 kA no circuito do CCM pode abrir o geral e apagar o QGBT inteiro.

2A curva do relé da cabine atravessa a faixa do disjuntor do CCM entre 2,3 e 3,9 kA. No curto máximo do QGBT, a folga entre o relé e o geral é de 0,13 s, pouca para um relé de sobrecorrente.

Os ajustes

Com o curto retardado do geral em 6 × Ir, entre 8,2 e 10 kA, o disjuntor do CCM elimina sozinho as faltas no seu circuito. A partida do relé da cabine sobe de 0,5 para 0,6 In, 1,4 vez a corrente nominal do transformador, e a folga sobre o geral no curto máximo passa a 0,2 s.

3Sobra um trecho: faltas de 3 a 4,8 kA no circuito do CCM ainda podem ser eliminadas pelo relé da cabine antes do disjuntor do CCM. São faltas de baixa corrente, no fim do circuito. Afastar mais a curva do relé resolveria, mas aumentaria a energia incidente no lado de linha do disjuntor geral, como mostra a seção seguinte. O estudo registra a escolha e o motivo.

O relé de neutro fica fora do coordenograma de fase. Ele só enxerga faltas à terra na média tensão: o enrolamento em triângulo do transformador não deixa passar a corrente de sequência zero de uma falta na baixa tensão.

Arco elétrico

A energia incidente foi calculada pela IEEE 1584-2018, com as correntes de curto da IEC 60909 e o tempo de atuação de cada dispositivo lido da sua curva. A distância de trabalho é de 457 mm na baixa tensão e de 914 mm na média.

* Enquanto os disjuntores de 25 kA estiverem lá, a etiqueta desses dois quadros não vale. O cálculo supõe que o disjuntor interrompe a falta, e ele não tem capacidade para isso. O PTW marca esses pontos com o aviso de que o resultado de arco não se aplica.

O barramento do QGBT fica em 9,6 cal/cm², porque o disjuntor geral abre em 0,2 s. O ponto mais perigoso da instalação é outro: o lado de linha do disjuntor geral, entre os terminais do transformador e o disjuntor. Uma falta ali não passa pelo geral, e quem a elimina é o relé da cabine, pela curva inversa. Com os ajustes iniciais a energia é de 29,5 cal/cm². Com os ajustes de seletividade o relé fica mais lento, e ela vai a 35,9 cal/cm².

Por isso o estudo recomenda trabalhar nesse compartimento só com o QGBT desligado pela cabine. Para quem precisa intervir com o quadro energizado, a saída é um relé de arco, com sensor ótico no QGBT, abrindo o disjuntor da cabine: a falta seria eliminada em menos de 0,1 s e, pela mesma conta, a energia ficaria perto de 4 cal/cm², sem mexer na seletividade.

A entrada da cabine, antes do relé, depende da proteção da Enel. Sem o tempo informado pela distribuidora, o estudo adota 2 s, o limite da IEEE 1584, e a energia chega a 22,8 cal/cm².

ADVERTÊNCIA

Risco de arco elétrico e de choque. Use o EPI indicado.

Equipamento

QGBT – barramento

Tensão nominal

380 V

Energia incidente

9,6 cal/cm²

Distância de trabalho

457 mm

Fronteira de arco

1,68 m

Vestimenta

ATPV mínimo de 12 cal/cm²

Zona de risco (NR-10)

0,20 m

Zona controlada (NR-10)

0,70 m

Curto franco

31,3 kA

Eliminação

0,20 s – DJ-GERAL-QGBT

IEEE 1584-2018 · Modelo de demonstração — IFELL Engenharia

Conclusões do estudo

1. Trocar DJ-QAC-01 e DJ-QDL-01 por disjuntores de 36 kA. Até a troca, a etiqueta de arco desses quadros não vale.
2. Passar o curto retardado do disjuntor geral para 6 × Ir e a partida do relé da cabine para 0,6 In.
3. Aceitar a seletividade parcial entre o relé da cabine e o disjuntor do CCM para faltas de 3 a 4,8 kA, pelo motivo da seção de seletividade.
4. Tratar o lado de linha do disjuntor geral, com 35,9 cal/cm², como serviço desenergizado, ou instalar relé de arco.
5. Corrigir o fator de potência de 0,86 com um banco de cerca de 110 kvar.

O que o cliente recebe

Relatório técnico com ART, no modelo da IFELL: premissas, resultados, não conformidades com prioridade e prazo, e conclusões. Junto vão o unifilar com os resultados, os coordenogramas de fase e de neutro, a tabela de ajustes pronta para parametrizar os relés e as etiquetas de arco de cada quadro. Os estudos são feitos no PTW, com licença original.

Perguntas Frequentes