RELATÓRIO DE VERIFICAÇÃO DE PROJETO 072 / 2014

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1 COGNITOR Página 1 de 22 RELATÓRIO DE VERIFICAÇÃO DE PROJETO 072 / 2014 TÍTULO (Ensaios simulados) ENSAIO DE CORRENTE SUPORTÁVEL DE CURTA DURAÇÃO E DE CRISTA, ENSAIO DE ELEVAÇÃO DE TEMPERATURA E ENSAIO DE ARCO INTERNO EM PAINEL DE BAIXA TENSÃO CLIENTE EQUIPAMENTO ELETRO METALÚRGICA BRUM LTDA PAINEL DE BAIXA TENSÃO 480 V Correntes nominais diversas e 65 ka ef em curto circuito NORMAS DE REFERÊNCIA PREPARADO POR IEC , IEC , NBR IEC e IEC TR Sergio Feitoza Costa Contato: THIAGO BRUM / ALEXANDRE BRUM Av. Ambrósio Fumagalli, 1608 Cep: Limeira SP alexandre@brum.com.br thiagob@brum.com.br Revisões Data Paginas Descrição 0 22/10/ Primeira versão emitida

2 COGNITOR Página 2 de 22 CONTEÚDO 1. INTRODUÇÃO ENSAIO DE ELEVAÇÃO DE TEMPERATURA ENSAIO DE CORRENTES SUPORTÁVEIS DE CURTA DURAÇÃO E DE CRISTA ENSAIO DE ARCO INTERNO COMENTARIOS FINAIS... 8 ANEXO A IDENTIFICAÇÃO DO EQUIPAMENTO E NORMAS TECNICAS ANEXO B METODOLOGIA DE CÁLCULO, VALIDAÇÃO E REFERENCIAS ANEXO C - DESENHOS E FOTOS ANEXO D - ISOLADOR.... ERRO! INDICADOR NÃO DEFINIDO. ANEXO E IEC ERRO! INDICADOR NÃO DEFINIDO.

3 COGNITOR Página 3 de INTRODUÇÃO. O equipamento sob analise é um PAINEL DE BAIXA TENSÃO com as seguintes características: Tensão nominal: 480 V Frequência nominal: 60Hz Correntes nominais diversas variando de 900A à 2700A utilizando uma, duas ou três barras de cobre com dimensões 40 x 10 mm em paralelo Corrente de curto circuito (simétrica): 65 ka ef durante 1 segundo (crista da corrente 2,2x65= 143 ka cr ) O objetivo deste estudo foi o de realizar simulações dos seguintes ensaios Corrente suportável de curta duração e de crista, Ensaio de elevação de temperatura Ensaio de arco interno As configurações utilizadas para cálculos são mostradas nos desenhos da Figura 1 para o caso aqui chamado de LVSW2_BRUM_3x40x10_2700 A. Este caso corresponde ao uso de 3 barras de cobre 40x10 por fase. Na figura são mostrados os valores de correntes, tensões, geometria e materiais. Para os dois outros casos a única diferença está no numero de barras por fase e corrente nominal utilizada no ensaio de elevação de temperatura. Estes valores, diferentes nas outras configurações, aparecem na parte superior direita da figura. Os desenhos de projeto de onde foram extraídas as dimensões e geometria estão mostrados no Anexo A Trata-se de um painel empregando barramentos de cobre envolvidos por isoladores de nylon com 30% de fibra de vidro de fabricação própria da Eletro Metalúrgica Brum Trata-se de uma solução inovadora que utiliza um isolador não convencional e algumas das propriedades mecânicas e térmicas necessárias para analise dos resultados não estão apresentadas no calculo. Os aspectos importantes do isolador para as analises aqui feitas são: a) Qual a classe de temperatura do material isto é, qual a temperatura máxima permanente que pode ter uma barra de cobre metálica suportada pelo isolador sem perda se suas características elétricas e mecânicas? b) Qual a tensão mecânica em N/mm 2 (ou se não disponível a força distribuída N/m para um vão de 100 mm de comprimento) que pode ser aplicada durante 0,2 s sem quebra do material ou sem sua deformação permanente?

4 COGNITOR Página 4 de 22 Para estimar o desempenho, neste relatório, foram utilizados os seguintes valores: Classe de temperatura B ou seja uma temperatura máxima de 130 C ou seja elevação de temperatura máxima permitida no ensaio de elevação de temperatura sob ensaio igual a 90K (130 menos 40) conforme IEC (pagina no Anexo C) Tensão mecânica máxima 100 N / mm2 (é mencionado Tensile Strength at Break de 130MPa = 130 N/mm2 na folha de catalogo Propriedades mecânicas Nylon66 ver Anexo D). 2. ENSAIO DE ELEVAÇÃO DE TEMPERATURA Convém inicialmente apresentar alguns pontos de referencia. Conforme Anexo F, uma barra de cobre nu de 40x10 mm ao ar livre SEM CONEXÕES OU EMENDAS pode conduzir corrente de 715 A provocando uma elevação de temperatura de 30 K. Se for pintada a corrente que pode conduzir para a mesma elevação é da ordem de 15 a 20% maior (850 A). Para duas ou três barras por fases os valores são 1290 A e 1770 A. Se forem consideradas as resistências de contato das conexões entre as barras verticais e horizontais, a corrente que produziria a mesma elevação de temperatura seria da ordem de 20% menor que estas. Para estes painéis, na forma atual, poderem ter capacidade até 2700A será necessária uma razoável área de venezianas e, em alguns casos, ventilação forçada. O objetivo a alcançar foi obter os VALORES MÁXIMOS DE CORRENTES QUE CONDUZIRIAM À MÁXIMA ELEVAÇÃO DE TEMPERATURA PERMITIDA NO ENSAIO nas condições de ventilação natural e ventilação forçada: As condições consideradas foram: Barras de cobre possíveis 1 x 40x10 ou 2x40x10 ou 3x40x10 mm Elevação máxima de temperatura na emenda aparafusada e prateada de 75 K (ver Anexo E) ou uma elevação máxima de temperatura em qualquer parte da barra em contato com o isolador de 90 K. Se as barras não tiverem prateamento nuas - o limite seria de 50 K (pior) Área livre de ventilação inferior igual a 240 cm2 (a superior deve ser pelo menos 10% mais) Ventilação natural (com a área livre acima e sem ventilador) Ventilação forçada com um ventilador com vazões de 180 a 690 m3/h A dissipação de potencia nos barramentos e nas conexões foi considerada. Como, pela foto mostrada no Anexo A, pode haver usos com outras cargas térmicas dentro do painel, p.ex. disjuntores, foram consideradas duas situações de carga adicional de 360 W No que diz respeito aos cálculos de elevação de temperatura, o revestimento da barra tem forte impacto sobre as temperaturas alcançadas. Para isoladores convencionais a Cognitor dispõe de muitas referencias e casos já validados. Para o isolador inovador usado neste painel este consultor não possui nenhum caso conhecido para estimar o impacto da área oculta pelo isolador na capacidade de corrente

5 COGNITOR Página 5 de 22 Para uma avaliação mais detalhada poder-se-ia realizar um teste simples conforme a figura no Anexo F. Consistiria em colocar dentro de um pequeno painel (ou mesmo ao ar livre sem nenhum vento) um trecho de barra 40 x 10 mm nua e outro com o isolador circulando-se corrente entre 500 A e 900 A e medindo-se a elevação de temperatura em poucos pontos. Como a informação ainda não é disponível os cálculos foram feitos supondo que são barras de cobre nuas, que é o caso que leva à menor capacidade de condução de corrente para uma dada máxima elevação de temperatura. Caso os mencionados testes sejam feitos, a Cognitor reverá os valores aqui obtidos considerando a informação. Ressaltamos que a colocação das barras horizontais na posição horizontal (como mostrado nos desenhos) é a mais desfavorável possível para o aspecto de elevação de temperatura Foram calculadas as correntes máximas que se pode alcançar com uma carga térmica adicional de 360W para ventilação forçada nas seguintes situações: -Ventilação natural -Ventilador com vazão de 180m³/h -Ventilador com vazão de 300m³/h -Ventilador com vazão de 500m³/h -Sobre teto ventilado com vazão de 690m³/h Nota: Os valores de vazão já estão levando em consideração o filtro. Os resultados são mostrados na Tabela 1 Tipo de barra ( ** ) 180 m 3 /h 300 m 3 /h 500 m 3 /h 690 m 3 /h 1x 40x10 2x 40x10 3x 40x A (76K) 1350 A (76K) 1750 A (76K) 1100 A (72K) 1600 A (71K) 2100 A (75K) ( **) Sem ventilação forçada mas com as venezianas 1250 A (74K) 1850 A (72K) 2300 A (75K) 1400 A (74K) 2050 A (75K) 2550 A (76K) 1550 A (77K) 2200 A (74K) 2750 A (76K)

6 COGNITOR Página 6 de ENSAIO DE CORRENTES SUPORTÁVEIS DE CURTA DURAÇÃO E DE CRISTA Foi considerado um curto circuito alimentado pelo inicio da barra horizontal mostrada na Figura 1 e um curto circuito na parte final / inferior do barramento vertical. Conforme a Figura 1 tanto a distancia entre fases dos barramentos horizontais e verticais como a distancia entre suportes foram consideradas como 100 mm. Os valores das forças e tensões mecânicas obtidas estão mostrados na Figura 3 e na Tabela 2. Tabela 2 - Esforços eletrodinâmicos e tensões mecânicas com 65 kaef com duração de 1 s e 2.2 x 65 = 143kA cr. Parâmetro Resultados Valor aceitável Máxima força nos isoladores em < 5000 N a cada 100 mm A força se distribui compressão / tração / flexão uniformemente e a analise será feita apenas via tensão mecânica Máxima tensão mecânica em condutores - - σh (N/ mm 2 ) Máxima tensão mecânica em condutores - - σt (N/ mm 2 ) Máxima tensão mecânica σh + σt < 50 N / mm2 100 N / mm2 (N/mm 2 ) Pior caso para 1x40x10 mm Seção transversal da barra (mm 2 ) 400mm 2 > 403 mm 2 ( OK) Para barra de 1 x 40x 10 mm Seção transversal da barra (mm 2 ) Para barra de 2 x 40x 10 mm Seção transversal da barra (mm 2 ) Para barra de 3 x 40x 10 mm 800 mm 2 > 403 mm 2 ( OK) 1200 mm 2 > 403 mm 2 ( OK) COMENTARIOS E SUGESTÕES Para os efeitos térmicos da corrente de curto circuito de 65 ka durante 1s é necessária uma seção transversal mínima de cobre, de 403 mm 2. A 1 x 40x10 mm atende no limite enquanto nas duas situações restantes atende com folga. Para o caso da configuração da barra de cobre 1 x 40 x 10 mm a temperatura alcançada pela barra no curto circuito será próxima da temperatura de recozimento do cobre (200 C). Do ponto de vista do cobre este valor é aceitável. Do ponto de vista do isolador este valor é maior que o valor máximo da classe temperatura do isolador (130 C). Entretanto o valor da classe de temperatura é relativo à temperatura de uso permanente e não a uma temperatura com duração inferior a poucos minutos (do momento do curto ate retornar á temperatura ambiente da sala) e que pode ocorrer raramente ao longo da vida útil. O ponto de fusão do material dos isoladores é de 262 C e possivelmente durante um ensaio de curto circuito com barra de 1x40x10 mm a temperatura não seria suficiente para que ocorresse um problema verificável.

7 COGNITOR Página 7 de 22 É sugerido consultar o fabricante do material perguntando se haveria alguma consequência da aplicação (digamos uma vez por ano) da temperatura de 200 C. durante 1s voltando a temperatura ao valor ambiente logo após Para as configurações com duas ou três barras por fase os valores alcançados são muito menores e atendidos com folga. 4. ENSAIO DE ARCO INTERNO O painel não dispõe de janelas de alivio de sobrepressão e os valores mostrados na simulação do ensaio de arco interno partem da suposição que se houver um arco interno os gases sairão pelas venezianas de ventilação que tem área total de passagem de 240 cm2. (saída apenas pela abertura superior). O objetivo é apenas calcular a sobrepressão interna que seria alcançada já que, em um ensaio de arco interno, se os gases saíssem pela veneziana frontal, queimariam os indicadores de algodão e certamente o equipamento não passaria no ensaio. Fizemos também um calculo supondo haver uma tampa de despressurização com 40 x 40 = 1600 cm2 Caso não haja uma tampa de despressurização para que o equipamento passasse no ensaio de arco interno, seria necessário dispor de um dispositivo rápido que, em caso de arco interno, fechasse a abertura inferior rapidamente. O resultado da simulação está na Tabela 3 considerando ou não a área de despressurização e o volume liquido de ar no compartimento Para avaliar os efeitos do arco este consultor utiliza dois indicadores de desempenho para permitir estimar se um determinado projeto é ou não aceitável. Os indicadores são mostrados na coluna direita da tabela. Vamos utilizar o valor de pico da sobrepressão e a integral da curva sobrepressão x tempo como critérios principais. Tabela 3_- Valores calculados para corrente prospectiva de 65 ka ef por 300ms. Indicador de desempenho Sem tampa de Com tampa de despressurização (só abertura ventilação) despressurização (400x400 mm) Máxima sobrepressão acima da pressão atmosférica ΔP (% ) Integral da curva de sobrepressão COMENTARIOS E SUGESTÕES Valor aceitável < < 83 Os valores calculados dos parâmetros usados para avaliar o projeto estão na faixa aceitável se houver tampa de despressurização. Os valores utilizados por este consultor como valores aceitáveis não querem dizer que o equipamento não passaria no ensaio se fossem utilizados valores maiores. Querem dizer apenas que não há casos reais com medições de sobrepressão registradas em relatórios de ensaios que demostrem que passariam. Foi suposto que na construção do painel são utilizadas chapas de espessura 2,0 mm exceto nas janelas de alivio de sobrepressão.

8 COGNITOR Página 8 de COMENTARIOS FINAIS No que diz respeito aos cálculos de elevação de temperatura, o revestimento da barra tem forte impacto sobre as temperaturas alcançadas. Para isoladores convencionais a Cognitor dispõe de muitas referencias e casos já validados. Para o isolador inovador usado neste painel este consultor não possui nenhum caso conhecido para estimar o impacto da área oculta pelo isolador na capacidade de corrente Para uma avaliação completa é necessário realizar um teste simples conforme a figura no Anexo F. Consistiria em colocar dentro de um pequeno painel (ou mesmo ao ar livre sem nenhum vento) um trecho de barra 40 x 10 mm nua e outro com o isolador circulando-se corrente entre 500 A e 900 A e medindo-se a elevação de temperatura em poucos pontos. Como a informação ainda não era disponível, os cálculos foram feitos supondo que são barras de cobre nuas. Caso os mencionados testes sejam feitos a Cognitor reverá os valores aqui obtidos considerando a informação. Todas as simulações foram feitas com a ferramenta computacional SwitchgearDesign desenvolvida pelo autor deste relatório e de propriedade de Cognitor. Nos artigos listados no Anexo A é mostrada a metodologia de calculo e exemplos utilizados para validação das simulações. Estes artigos podem ser baixados livremente no site Os métodos de cálculos podem ser melhor entendidos nas seções do livro PAINÉIS, BARRAMENTOS E SECIONADORES E EQUIPAMENTOS DE SUBESTAÇÕES DE TRANSMISSÃO e DISTRIBUIÇÃO que pode ser baixado livremente em

9 COGNITOR Página 9 de 22 Figura 1 Vista do painel e dimensões de calculo em mm (LVSW2_BRUM_1x40x10)

10 COGNITOR Página 10 de 22 Figura 2a Elevação de temperatura 1 x 40 x 10 mm Sem ventilação foçada com 150 W adicionais A

11 COGNITOR Página 11 de 22 Figura 3 Esforços eletrodinâmicos 65 kaef em barra 1 x 40x10mm com 100mm de distancia entre fases e 100 mm entre isoladores

12 COGNITOR Página 12 de 22 Figura 3b Esforços eletrodinâmicos 65 kaef em barra 3 x 40x10mm com 100mm de distancia entre fases e 100 mm entre isoladores ( O valor das forças gráfico superior é igual e a tensão mecânica menor que na Figura 3a)

13 COGNITOR Página 13 de 22 Figura 4- Ensaio de arco interno com corrente de 65 ka ef (saída de gases por área de 240cm2 - sem tampa de despressurização)

14 COGNITOR Página 14 de 22 (saída de gases por área de 1225cm2 - COM tampa de despressurização)

15 COGNITOR Página 15 de 22 ANEXO A IDENTIFICAÇÃO DO EQUIPAMENTO E NORMAS TECNICAS. A identificação do projeto do equipamento é feita nos desenhos mostrados no Anexo A, pelas dimensões mostradas na Figura 1 e demais dados indicados na Tabela Características do equipamento. As normas técnicas de referencia utilizadas neste estudo são: IEC : Low-voltage switchgear and controlgear assemblies - Part 1: General rules IEC : Power switchgear and controlgear ASSEMBLIES (PSC-ASSEMBLIES) NBR IEC : Conjunto de Manobra e Controle de Baixa Tensão.Parte 1: Conjunto com Ensaios de Tipo Totalmente Testados (TTA) e Conjuntos com Ensaios de Tipo Parcialmente Testados (PTTA). IEC TR 61641(2008) Enclosed Low Voltage Switchgear Assemblies Guide for testing under Conditions of Arcing due to Internal Fault. IEC TR Ed. 1.0 b:1987, A method of temperature-rise assessment by extrapolation for partially type-tested assemblies (PTTA) of low-voltage switchgear and controlgear IEC A method for assessing the short circuit withstand strength of partially type tested assemblies (PTTA) IEC Short-circuit currents - Calculation of effects - Part 1: Definitions and calculation methods. IEC Short-circuit currents Calculation of effects Tabela 5 Características do equipamento Característica e item da Norma Valores 4.1.1) Tensão operacional nominal ( Ue ) e número fases 480V (trifásico) 4.1.2) Tensão nominal de isolamento (Ui) ) Tensão suportável de impulso atmosférico (Uimp) Tensão suportável de frequência industrial a seco (1min) 12kV cr --- kvef 4.8) Freqüência (f r ) 60 Hz 4.2) Corrente nominal no circuito de entrada Diversos valores 4.2) Corrente nominal no barramento horizontal Diversos valores 4.3) Corrente suportável de curta duração (I k ) 8.2.3/ ka 4.3) Duração do curto circuito (t k ) 1 s 4.4) Valor de crista da corrente suportável (I p ) / x 2,2 =143 ka cr 4.5) Corrente condicional de curto circuito (presumida) - 4.6) Corrente de curto circuito com fusível - 4.7) Fator de diversidade ) Local de instalação (interno ou externo) Interno

16 COGNITOR Página 16 de 22 Característica e item da Norma Valores 6.1) Mobilidade (estacionário ou móvel) Estacionário 7.2.1) Grau de proteção IP44 Tensão dos circuitos auxiliares 24V CC e 220 V CA Altitude no local de uso <1000 m Espessura das Chapas (mm) Estrutura: 2,65 mm Fechamento: 1,9 mm Dimensões dos painéis em mm (L0 x L1 x L2) 2100 (altura) x 800 (largura) x 600 (profundidade). Dissipação de potencia (W) Ver Tabela 1. Ventilação (detalhes e vazão) Ver Tabela 1 Barramento Principal (mm) Ver Seção 1 Barramento secundário (mm) Ver Seção 1 Barramento terra (mm) Ver Seção 1 Barramento Material: Cobre Isoladores suporte: Tensão nominal Resistência a flexão Resistência à tração Resistência à compressão Ver texto e Anexo D Distancia entre isoladores do barramento principal mm Ver Tabela 4 Distancia entre isoladores do barramento CCM mm Ver Tabela 4 Distancia entre fases no barramento principal mm Ver Tabela 4 Distancia entre fases do barramento CCM. mm Ver Tabela 4 Tratamento das Barras Com termo retratil

17 COGNITOR Página 17 de 22 ANEXO B METODOLOGIA DE CÁLCULO, VALIDAÇÃO E REFERENCIAS. O método de cálculo e informações sobre a validação das simulações são apresentados nos seguintes artigos de autoria do autor deste relatório:. 1) Painéis, quadros e barramentos: Falta algo nas normas IEC e nas especificações de usuários Autoria: Sergio Feitoza Costa Publicado na edição de junho 2010 da Revista O SETOR ELÉTRICO - pag.146 Download 2) VALIDAÇÃO DE SIMULAÇÕES DE ENSAIOS DE ARCO INTERNO, DE FORÇAS ELETRODINÂMICAS E DE ELEVAÇÃO DE TEMPERATURA (e partes do código-fonte). Autoria: Sergio Feitoza Costa Publicado na edição de junho 2010 da Revista ELETRICIDADE MODERNA - pag.194 Download 3) VALIDATION OF SIMULATIONS OF ELECTRODYNAMICAL FORCES, TEMPERATURE-RISE AND INTERNAL ARC TESTS IN SWITCHGEAR (& main parts of a code) Author: Sergio Feitoza Costa Presented at the CIGRE Technical Seminar "Modeling and Testing of Transmission and Distribution Switchgear" March 24, 2010 Brisbane - Australia Download : 4) SIMULATION, IEC STANDARDS AND TESTING LABORATORIES: joining pieces for high quality substations Author :Sergio Feitoza Costa 5) CFD, IEC STANDARDS AND TESTING LABORATORIES: JOINING THE PIECES FOR HIGHER QUALITY HV EQUIPMENT. Author: Sergio Feitoza Costa Paper PS1-06 in the Cigrè International Technical Colloquium - Rio de Janeiro - September ) SIMULATIONS AND CALCULATIONS AS VERIFICATION TOOLS FOR DESIGN AND PERFORMANCE OF HIGH-VOLTAGE EQUIPMENT Co-authors: M. Kriegel, X. Zhu, M. Glinkowski, A. Grund, H.K. Kim, P. Robin-Jouan, L. Van der Sluis, R.P.P. Smeets, T. Uchii, H. Digard, D. Yoshida, S. Feitoza Costa CIGRE WG A3-20 publication A3-210 (2008) - Presented at the Congress Cigre - Paris ) CELDAS, CUADROS, CANALIZACIONES Y OTROS EQUIPOS DE TRANSMISION Y DISTRIBUCION: FALTA ALGO EN LAS NORMAS IEC Y EN LAS ESPECIFICACIONES DE USUARIOS Autoría: Sergio Feitoza Costa Publicado en Revista RBE Energía (Madrid / España) - Enero/Febrero pag

18 COGNITOR Página 18 de 22 ANEXO C - DESENHOS E FOTOS.

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