V - 1

Capítulo 5

CAPACITORES

5.1 Introdução

Os capacitores, equipamentos capazes de acumular energia elétrica, possuem

larga utilização nas instalações elétricas atualmente, seja para melhorar o fator

de potência das instalações industriais, seja para compensar o reativo nas

subestações de distribuição ou transmissão, elevando a tensão.

Com esse trabalho, procuramos apresentar as características construtivas,

elétricas e funcionais dos capacitores, além de suas aplicações nos sistemas

de potência.

V - 2

5.2 Características Gerais

5.2.1 PRINCÍPIOS BÁSICOS

Quando dois condutores, separado um do outro por um meio isolante ou

dielétrico, se acham sujeitos a uma diferença de potencial, um campo elétrico

existe no dielétrico.

A capacitância é a propriedade de um sistema de condutores e dielétricos que

permite o armazenamento de energia elétrica quando existem diferenças de

potencial entre os condutores. Admite-se que a energia elétrica seja

armazenada no meio dielétrico.

Se nesse sistema de condutores e dielétricos existe uma superfície

considerável para o armazenamento de eletricidade, o conjunto forma um

capacitor.

Os capacitores são equipamentos capazes de acumular eletricidade. São

constituídos basicamente de duas placas condutoras dispostas frente a frente

em paralelo e separadas por um meio isolante (podendo ser o ar, papel,

plástico, etc). O gap compreendido entre as duas placas está sujeito a um

campo eletrostático originado pela fonte de tensão que é ligada diretamente às

faces das placas.

Fig. V.1 - Esquema representativo de um capacitor

V - 3

O gerador G poderá ser um gerador qualquer de corrente contínua ou

alternada ou mesmo um acumulador (bateria). As placas paralelas são

denominadas eletrodos. As linhas de fluxo entre os eletrodos são imaginárias.

O material isolante colocado entre eles é denominado dielétrico. A energia

eletroestática fica acumulada entre as placas e em menor intensidade na

vizinhança das placas.

Um capacitor acumula energia elétrica durante a carga, e a restitui ao circuito

na descarga. A quantidade de energia armazenada no capacitor depende dos

seguintes fatores:

a) Grandeza da tensão aplicada entre as placas.

b) Forma geométrica e grandeza da superfície das placas.

c) Dielétrico entre as placas.

Cada linha de fluxo tem origem numa carga de 1 Coulumb. Considerando todas

as linhas de fluxo do campo eletrostático, pode-se afirmar que elas se originam

de uma carga de Q Coulumbs.

Se uma determinada quantidade de carga elétrica Q (AxS) representada por Q

linhas de fluxo é transportada de uma placa a outra e cuja área é de S m2, logo

a densidade de carga elétrica do dielétrico é de:

D = Q (C / m2) (1)

S

Se uma determinada tensão V (volts) é aplicada entre os eletrodos por uma

distância de d (m), a intensidade de campo elétrico pode ser determinada pela

equação:

E = V (V / m) (2)

d

V - 4

5.2.2 CAPACITÂNCIA

De modo geral a capacitância é dada por:

C = ε A (3)

d

Onde

C - capacitância do meio

ε - permissividade do meio

A - seção das placas onde está contido o isolante

d - distância entre as placas

Ou seja, a capacitância independe da tensão.

A unidade que mede a capacidade de carga de um capacitor é o Farad (F).

Logo, é a capacidade de carga elétrica de um capacitor, quando uma carga

elétrica de 1 Coulumb (6,25 x 1018 elétrons, já que a carga elétrica de 1 elétron

é de 1,6 x 10-19 C) é armazenada no meio dielétrico, sob a aplicação da tensão

de 1V entre os seus terminais das placas paralelas.

Na prática, utilizam-se os submúltiplos do farad, pois ele é uma unidade de

elevada grandeza, a saber:

- 1 milifarad (1 mF): 10-3 F;

- 1 microfarad (1 µF): 10-6 F;

- 1 nanofarad (1 nF): 10-9 F;

- 1 picofarad (1 pF): 10-12 F;

Quando surge uma tensão nos terminais de um capacitor, uma corrente de

carga passa a circular no interior do mesmo, ocasionando um acúmulo de

energia em seu campo elétrico. Durante ¼ de ciclo, a energia média

acumulada nos terminais de um capacitor pode ser dada pela seguinte

equação:

E = ½ C Vm2 (J) (4)

V - 5

onde

C - capacidade do capacitor, em F;

Vm – tensão aplicada, em volts, valor de pico;

5.2.3 LIGAÇÃO DOS CAPACITORES

Os capacitores podem ser ligados em série ou em paralelo ao circuito. A

capacidade equivalente de uma associação em série de uma quantidade

determinada de capacitores é dada pela equação:

1 = 1 + 1 + 1 + ...... + 1 (5)

Ce C1 C2 C3 Cn

Onde

Ce - capacidade equivalente do conjunto, em F;

C1, C2, C3,......, Cn - capacidade individual de cada unidade capacitiva,

em F.

Temos, portanto, que a capacidade equivalente de um circuito, com vários

capacitores ligados em série, é menor do que a capacidade do capacitor de

menor capacidade do conjunto. Por exemplo, dois capacitores colocados em

série, cujas capacidades sejam, respectivamente, 10 nF e 20 nF, resulta numa

capacidade equivalente de:

nFCC

CCCe

CCCe67,6

2010

20*10

21

2*1

2

1

1

11=

+

=

+

=∴+=

V - 6

Fig. V.2 – Associação de capacitores em série

Já a capacidade equivalente da associação em paralelo de um determinado

número de capacitores é dada pela equação a seguir:

Ce = C1 + C2 + C3 ++ Cn (6)

Conclui-se que a capacidade equivalente de um circuito, com vários

capacitores ligados em paralelo, é igual a soma individual das unidades

capacitivas. Considerando que os capacitores anteriores de 10 nF e 20 nF

sejam ligados paralelo, determinar a capacidade do circuito equivalente.

Ce = C1 + C2 = 10 nF + 20 nF = 30 nF

Fig. V.3 – Associação de capacitores em paralelo

V - 7

5.3 Características Construtivas

Um capacitor de potência é constituído pelos seguintes componentes:

5.3.1 CAIXA

Conhecida também como carcaça, a caixa é o invólucro da parte ativa do

capacitor. É confeccionada em chapa de aço inoxidável ferrítico com espessura

adequada ao volume da unidade. Após passarem por um processo de limpeza

química, as caixas metálicas recebem tratamento superficial anticorrosivo para

fins de instalação ao tempo. Na caixa do capacitor estão as seguintes partes:

Fig. V.4 – Capacitor de baixa tensão

a) Placa de identificação

Reúne todos os dados característicos necessários à identificação do capacitor,

como pode ser visto na figura V.5

V - 8

Fig. V.5 – Placa de identificação do capacitor

b) Isoladores

Correspondem aos terminais externos das unidades capacitivas.

c) Olhais para levantamento

Servem para alçar a unidade capacitiva.

d) Alça para fixação

Servem para fixar a unidade capacitiva na sua estrutura de montagem.

Fig. V.6 – Componentes externos e dimensões de uma unidade capacitiva

V - 9

Fig. V.7 – Principais componentes externos e internos do capacitor

5.3.2 ARMADURA

É a parte ativa do capacitor, constituída de folhas de alumínio enroladas com o

dielétrico, (figura V.9) com espessura compreendida entre 3 a 6 µm e padrão

de pureza de alta qualidade, a fim de manter em baixos níveis de perdas

dielétricas e as capacitâncias nominais de projeto.

Fig. V.8 – Armadura e resistor interno de descarga

5.3.3 DIELÉTRICOS

A geração mais antiga de unidades capacitivas eram fabricadas com papéis

Kraft com cerca de 18 µm muito refinados impregnados com PCB. O papel

Kraft tinha muitas deformidades ou falhas. Muitas camadas de papel eram

V - 10

usadas entre as camadas de chumbo para evitar pontos fracos no projeto. Com

este projeto o nível de esforço era baixo, mas as perdas dielétricas eram mais

altas do que os projetos de capacitores atuais. As perdas dielétricas elevadas

resultavam em pontos com temperaturas elevadas. Temperaturas elevadas

aceleram a deterioração da capacidade dielétrica do capacitor. Falhas no

material dielétrico resultavam em arcos contínuos, chamuscavam e geravam

gases que estufavam os invólucros dos capacitores e eventualmente rompiam

as caixas.

Hoje os capacitores são feitos com filme de polipropileno (ao invés de papel

Kraft) e com fluidos dielétricos com características superiores aqueles com

PCB. Os filmes de polipropileno são muito finos, puros e uniformes e com

poucas falhas de projeto. Este projeto mais recente requer apenas duas ou três

camadas de filme. Apesar de aumentar o nível de esforço, reduz as perdas

dielétricas que resultam em temperatura inferior para os pontos mais quentes.

Como resultados dessas mudanças, as unidades capacitivas atuais não

envelhecem rapidamente, além de proporcionar em um capacitor de potência

10 vezes maior que aqueles fabricados há 40 anos atrás e com conseqüente

aumento da isolação e perdas dielétricas muito baixas, conforme pode ser

verificado na figura abaixo.

Estufamento ou casos de ruptura agora são muito raros. Pelo fato das

camadas de filme serem finas e de alta qualidade, falhas de elemento não

causam arcos contínuos ou chamuscamento, ao invés das folhas de chumbo

V - 11

juntas. Unidades capacitivas para aplicações em sistemas de potência são

feitas com filme dielétrico de polipropileno, folha de alumínio e produtos

impregnantes. A maior diferença entre unidades está no projeto interno do

capacitor, por exemplo, o número de elementos em paralelo e série e se a

proteção é por fusível externo, interno, ou sem fusível. Elementos capacitivos

em uma unidade são conectados na matriz. As exigências elétricas da unidade

capacitiva determinam o número de elementos em paralelo e em série. Do

mesmo modo, exigências do banco determinam se as unidades capacitivas são

conectadas em paralelo ou em série. Por exemplo, flutuações em banco de

capacitores devem ser minimizadas com aplicações de filtros. Assim, os

projetistas devem selecionar uma unidade capacitiva com muitos elementos em

paralelo por grupo e muitas unidades capacitivas em série dentro do banco de

capacitores. Além disso, o projeto deve ter uma unidade capacitiva com

elementos que são desconectados quando falham e não curto circuitam os

elementos remanescentes no grupo.

5.3.4 LÍQUIDO DE IMPREGNAÇÃO

O líquido atualmente utilizado para impregnação dos capacitores é uma

substância biodegradável, com estrutura molecular constituída de carbono e

hidrogênio, conhecida como Ecóleo 200 (hidrocarboneto aromático sintético) ou

Wemcol II. A utilização desse líquido foi iniciada no final da década de 70,

quando o governo brasileiro proibiu o emprego do ascarel por causa das

substâncias não biodegradáveis e cancerígenas que ele apresentava. Além

disso, o Ecóleo 200 e o Wemcol II apresentam características físicas

superiores às do ascarel.

Existem ainda capacitores a seco, que são isentos de impregnação e

encapsulados em resina biodegradável. A utilização de capacitores secos

elimina o risco de vazamentos, evitando a contaminação ambiental.

V - 12

5.3.5 RESISTOR DE DESCARGA

Cessando-se a tensão nos terminais do capacitor faz-se necessário o

escoamento da carga armazenada entre as suas placas, para que um contato

com os terminais não resulte em perigo. O resistor de descarga é adicionado

entre os terminais do capacitor justamente para transformar a energia

acumulada em perda por efeito joule, reduzindo para 5 V o nível de tensão num

tempo máximo de 1 min para os capacitores de tensão nominal de até 660 V e

5 min para capacitores de tensão superior a 660 V. O resistor de descarga

pode ser instalado interna ou externamente à unidade capacitiva, sendo mais

comumente instalado internamente (figura V.8).

Fig. V.9 – Armadura: características construtivas

5.3.6 PROCESSO DE CONSTRUÇÃO

A parte ativa dos capacitores é constituída de eletrodos de alumínio separados

entre si pelo dielétrico de polipropileno associado ao papel Kraft, formando o

que se denomina armadura, bobina ou elemento; conforme se mostra na figura

V.9.

Esses elementos são montados no interior da caixa metálica e ligados

adequadamente em série, paralelo ou série-paralelo, de forma a resultar na

potência reativa desejada ou na capacitância requerida em projeto.

V - 13

O conjunto é colocado com temperatura controlada por um período aproximado

de sete dias, tempo suficiente para que processe a secagem das bobinas, com

a retirada total da umidade. Neste processo aplica-se uma pressão negativa de

ordem de 10-3 mmHg no interior da caixa, acelerando a retirada da umidade.

Se a secagem não for perfeita, pode permanecer no interior da unidade

capacitiva uma certa quantidade de umidade, o que certamente provocará,

quando em operação, descargas parciais no interior, reduzindo a sua vida útil

com a conseqüente queima da unidade.

Concluído o processo de secagem, mantendo-se ainda sob vácuo toda

unidade, inicia-se o processo de impregnação, utilizando-se o líquido

correspondente, após o que a caixa metálica é totalmente vedada.

O processo continua com a pintura da caixa, recebendo posteriormente os

isoladores, terminais e placas de identificação. Finalmente a unidade capacitiva

se destina ao laboratório do fabricante onde serão realizados todos os ensaios

previstos por norma, estando, então pronta para o embarque.

5.4 Características Elétricas

5.4.1 CONCEITOS BÁSICOS

a) Potência Nominal

Os capacitores são normalmente designados por sua potência nominal reativa,

contrariamente aos demais equipamentos, cuja característica é a potência

nominal aparente.

A potência nominal de um capacitor em kvar é aquela absorvida do sistema

quando este está submetido à tensão e freqüências nominais, a uma

temperatura ambiente não superior a 20º C (ABNT). Conhecida a potência

V - 14

nominal do capacitor, calcula-se a sua capacitância, através da seguinte

equação:

C = 100 x Pc (7)

2 x π x f x Vn

Onde

Pc - potência nominal do capacitor, em kvar;

f - freqüência nominal, em Hz;

Vn - tensão nominal, em kV;

C – capacitância, em F.

Para capacitores de até 660 V, a potência nominal não ultrapassa normalmente

50 kvar, em unidades trifásicas e a 30 kvar, em unidades mono. Os capacitores

de tensão de isolamento de 2,3 a 15 kV, por sua vez, são geralmente

monofásicos com potência padronizadas de 50, 100 e 200 kvar.

b) Freqüência Nominal

A freqüência nominal de operação dos capacitores é um importante parâmetro,

uma vez que a potência nominal é diretamente proporcional a essa freqüência.

Normalmente a freqüência nominal de operação dos capacitores é 60 Hz.

c) Tensão Nominal

Os capacitores são normalmente fabricados para tensão nominal do sistema

entre frases ou entre fase e neutro respectivamente para unidades trifásicas e

monofásicas.

Os níveis de tensão para capacitores de baixa tensão, que são aplicados em

sistemas industriais de pequeno e médio porte são: 220, 380, 440 e 660 V,

independentemente de que sejam unidades monofásicas ou trifásicas.

V - 15

Já os capacitores de tensão primária são normalmente fabricados para tensões

de 2.300, 3.810, 4.800, 6.600, 7.967, 13.800 V. Para tensões superiores,

somente são fabricados sob encomenda.

d) Tensão Máxima de operação

A tensão máxima de operação dos capacitores deve ser inferior a 110% da sua

tensão nominal.

Não é conveniente especificar a tensão do capacitor superior à tensão nominal

do sistema o qual vai operar, porque a sua potência nominal fica reduzida na

proporção inversa do quadrado da tensão. Ou seja, um capacitor de 8,764 kV e

capacitância nominal de 3,456 F fornece uma potência nominal de:

Pc1 = 2 x π x f x C x Vn = 2 x π x 60 x 3,456 x 8,7464 = 100Kvar

1.000 1.000

Colocando-se este capacitor em operação num sistema cuja tensão nominal

seja de 13,8/√3 = 7,967 kV, a nova potência fornecida será:

Pc1 = 2 x π x 60 x 3,456 x 7,967 = 82,7K var

1.000

Neste caso, verificou-se uma perda de potência de 17,3%. Por outro lado, se a

regulação do sistema é precária, o capacitor poderá ficar submetido a

sobretensões que reduzem drasticamente a vida útil. Nesta situação, muitas

vezes prefere-se utilizar, por exemplo, unidades capacitivas de 7,967 kV em

detrimento das unidades de 8,764 kV.

V - 16

e) Sobretensão

Segundo a NBR 5282/77, os limites de sobretensões para capacitores devem

ser:

• 110% da tensão nominal em regime de operação contínua,

• Acima de 110% da tensão nominal durante períodos curtos de operação,

não superiores a 300 ocorrências ao longo da sua vida útil. Neste caso,

tem-se:

- duração de 6 ms; 2,2 Vn;

- duração de 15 ms; 2,0 Vn;

- duração de 1 s; 1,75 Vn;

- duração de 15 s; 1,40 Vn;

- duração de 1min; 1,30 Vn;

- duração de 5 min; 1,5 Vn.

f) Sobrecargas

Os capacitores podem suportar uma sobrecarga admissível de até 135% da

sua potência nominal, com tensão não superior a 110% da sua tensão nominal,

acrescida das eventuais tensões harmônicas. Esta sobrecarga inclui a potência

reativa capacitiva gerada pelo aumento da tensão superior ao seu valor

nominal, considerando-se que a freqüência do sistema permaneça alterada

inalterada. Além disso, está considerada neste limite de sobrecarga a potência

gerada pelas eventuais tensões harmônicas a que são submetidas às unidades

capacitivas, como no caso de instalação contendo fornos a arco. Os

capacitores podem operar continuamente com no máximo 180% da sua

corrente nominal, em valor eficaz, com até 110% da sua tensão nominal,

corrente e freqüências nominais, considerando as eventuais correntes

harmônicas.

Se a elevação de tensão no sistema é mantida com a operação dos

capacitores, pode ocorrer uma saturação no núcleo do transformador,

resultando na formação de harmônicos, podendo chegar ao limite de provocar

V - 17

o fenômeno de ressonância entre o capacitor e o transformador. Por isso no

momento de carga leve da instalação deve-se desligar o banco de capacitores.

g) Perdas dielétricas

Os capacitores produzem perdas joule devido á corrente que flui no seu meio

dielétrico. As perdas médias obtidas nas unidades capacitivas são:

- Dielétrico de papel Kraft: 1,2 W / kvar

- Dielétrico de papel Kraft e filme: 1 W / kvar ;

- Dielétrico de filme: 0,6 W/ kvar.

Chama-se tangente do ângulo de perdas (tg δ) a relação entre as perdas do

capacitor e a sua potência reativa.

5.5 Dimensionamento dos Dispositivos de Manobra e proteção de

Banco Capacitores

5.5.1. DISPOSITIVOS DE MANOBRA

Os bancos de capacitores trifásicos de baixa tensão podem ser manobrados

através dos seguintes equipamentos:

a) Chave Seccionadora Tripolar

A chave seccionadora tripolar deve ser de abertura em carga, e sua corrente

mínima é dada pela equação:

Ich ≥ 1,35 Ic (8)

V - 18

Onde:

Ich – corrente mínima da chave, em A

Ic - corrente do banco de capacitores;

b) Contatores Magnéticos

A corrente mínima nominal dos contatores é dada pela equação:

Ico ≥ 1,5 Ic (5)

Os contatores são normalmente utilizados quando se deseja manobrar o banco

de capacitores a distancia ou automaticamente, através de sensores de tensão,

fator de potência etc.

c) Disjuntores Eletromagnéticos

Os disjuntores são muitos empregados na manobra de banco de capacitores. A

corrente de ajuste da unidade térmica deve ser feita através da seguinte

equação:

Ia ≥ 1,35 Ic (10)

No caso da compensação individual de motores de indução trifásicos através

de capacitores é economicamente importante secionar simultaneamente o

motor e o capacitor ou banco. Neste caso, a potência do banco de capacitores

V - 19

deve ficar limitada a 90% da potência do motor em operação a vazio. Em

média, os motores trifásicos com velocidade síncrona de 1.800 rpm

apresentam uma corrente cerca de 27% da corrente nominal quando

funcionam a vazio. Logo, a potência máxima do banco de capacitores trifásicos

pode ser dada aproximadamente pela equação abaixo:

Pc ≤ 0,420 x Vm x Im (11)

Onde:

Pc – Potência máxima trifásica do banco de capacitores, em Kvar;

Vm – Tensão nominal entre fases do motor, em kvar;

Im – corrente nominal do motor, em A.

A figura V.10 mostra um esquema básico de ligação simultânea de um banco

de capacitores e o motor correspondente.

Fig. V.10 - Ligação simultânea de um banco de capacitores e o motor (partida direta)

V - 20

Fig. V.11 - Ligação simultânea de um banco de capacitores e o motor (chave estrela-triângulo)

MOTORES DE 60 Hz COM ROTOR EM CURTO CIRCUITO (motores de gaiola) RPM 3600 1800 1200 900 720 600

POLOS 2 4 6 8 10 12 HP KVAr I% KVAr I% KVAr I% KVAr I% KVAr I% KVAr I% 1,0 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 1,50 1,5 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 1,50 2,0 0,75 0,75 0,75 1,50 1,50 1,50 2,5 0,75 0,75 0,75 1,50 1,50 1,50 3,0 1,50 14 1,50 15 1,50 20 2,00 27 2,50 35 3,50 41 3,5 1,50 1,50 1,50 2,00 2,50 3,50 4,0 1,50 1,50 1,50 2,00 2,50 3,50

4,5 1,50 1,50 1,50 2,00 2,50 3,50 5,0 2,00 12 2,00 13 2,00 17 3,00 25 4,00 32 4,50 37 7,5 2,50 11 2,50 12 3,00 15 4,00 22 5,50 30 6,00 34

10,0 3,00 10 3,00 11 3,50 14 5,00 21 6,50 27 7,50 31 15,0 4,00 9 4,00 10 5,00 13 6,50 18 8,00 23 9,50 27 20,0 5,00 9 5,00 10 6,50 12 7,50 16 9,00 21 12,00 25 25,0 6,00 8 6,00 10 7,50 11 9,00 15 11,00 10 14,00 23 30,0 7,00 8 7,00 9 9,00 11 10,00 14 12,00 18 16,00 22 40,0 9,00 8 9,00 9 11,00 10 12,00 13 15,00 16 20,00 20 50,0 12,00 8 11,00 9 13,00 10 15,00 12 19,00 15 24,00 19 60,0 14,00 8 14,00 8 15,00 10 18,00 11 22,00 15 27,00 19 75,0 17,00 8 16,00 8 18,00 10 21,00 10 26,00 14 32,50 18

100,0 22,00 8 21,00 8 25,00 9 27,00 10 32,50 13 40,00 17 125,0 27,00 8 26,00 8 30,00 9 32,50 10 40,00 13 47,50 16 150,0 32,50 8 30,00 8 35,00 9 37,50 10 47,50 12 52,50 15 200,0 40,00 8 37,50 8 42,50 9 47,50 10 60,00 12 65,00 14 250,0 50,00 8 45,00 7 52,50 8 57,50 9 70,00 11 77,50 13 300,0 57,50 8 52,50 7 60,00 8 65,00 9 80,00 11 87,50 12 350,0 65,00 8 60,00 7 67,50 8 75,00 9 87,50 10 95,00 11 400,0 70,00 8 65,00 6 75,00 8 85,00 9 95,00 10 105,00 11 450,0 75,00 8 67,50 6 80,00 8 92,50 9 100,00 9 110,00 11 500,0 77,50 8 72,50 6 82,50 8 97,50 9 107,50 9 115,00 10

Tabela V.1 – Potência máxima dos capacitores que devem ser ligados nos motores

V - 21

FP Atual Fator de Potência Corrigido

0,92 0,93 0,94 0,95 0,96 0,97 0,98 0,99 1,00 0,50 1,306 1,337 1,369 1,403 1,440 1,481 1,529 1,589 1,732 0,51 0,261 1,292 1,324 1,358 1,395 1,436 1,484 1,544 1,687 0,52 1,217 1,248 1,280 1,314 1,351 1,392 1,440 1,500 1,643 0,53 1,174 1,205 1,237 1,271 1,308 1,349 1,397 1,457 1,600 0,54 1,133 1,164 1,196 1,230 1,267 1,308 1,356 1,416 1,559 0,55 1,093 1,124 1,156 1,190 1,227 1,268 1,316 1,376 1,519 0,56 1,054 1,085 1,117 1,151 1,188 1,229 1,277 1,337 1,480 0,57 1,016 1,047 1,079 1,113 1,150 1,191 1,239 1,299 1,442 0,58 0,979 1,010 1,042 1,076 1,113 1,154 1,202 1,262 1,405 0,59 0,943 0,974 1,006 1,040 1,077 1,118 1,166 1,226 1,369 0,60 0,907 0,938 0,970 1,004 1,041 1,082 1,130 1,190 1,333 0,61 0,873 0,904 0,936 0,970 1,007 1,048 1,096 1,156 1,299 0,62 0,840 0,871 0,903 0,937 0,974 1,015 1,063 1,123 1,266 0,63 0,807 0,838 0,870 0,904 0,941 0,982 1,030 1,090 1,233 0,64 0,775 0,806 0,838 0,872 0,909 0,950 0,998 1,068 1,201 0,65 0,743 0,774 0,806 0,840 0,877 0,918 0,966 1,026 1,169 0,66 0,712 0,743 0,775 0,809 0,946 0,887 0,935 0,995 1,138 0,67 0,682 0,713 0,745 0,779 0,816 0,857 0,905 0,965 1,108 0,68 0,652 0,683 0,715 0,749 0,786 0,827 0,875 0,935 1,049 0,69 0,623 0,654 0,686 0,720 0,757 0,798 0,846 0,906 1,049 0,70 0,594 0,625 0,657 0,691 0,728 0,769 0,817 0,877 1,020 0,71 0,566 0,597 0,629 0,663 0,700 0,741 0,789 0,849 0,992 0,72 0,538 0,569 0,601 0,635 0,672 0,713 0,761 0,821 0,964 0,73 0,510 0,541 0,573 0,607 0,644 0,685 0,733 0,793 0,936 0,74 0,483 0,514 0,546 0,580 0,617 0,658 0,706 0,766 0,909 0,75 0,456 0,487 0,519 0,553 0,590 0,631 0,679 0,739 0,882 0,76 0,429 0,460 0,492 0,526 0,563 0,604 0,652 0,712 0,855 0,77 0,403 0,434 0,466 0,500 0,537 0,578 0,626 0,685 0,829 0,78 0,376 0,407 0,439 0,473 0,510 0,551 0,599 0,659 0,802 0,79 0,350 0,381 0,413 0,447 0,484 0,525 0,573 0,633 0,776 0,80 0,324 0,355 0,387 0,421 0,458 0,499 0,547 0,609 0,750 0,81 0,298 0,329 0,361 0,395 0,432 0,473 0,521 0,581 0,724 0,82 0,272 0,303 0,335 0,369 0,406 0,447 0,495 0,555 0,698 0,83 0,246 0,277 0,309 0,343 0,380 0,421 0,469 0,529 0,672 0,84 0,220 0,251 0,283 0,317 0,354 0,395 0,443 0,503 0,646 0,85 0,194 0,225 0,257 0,291 0,328 0,369 0,417 0,477 0,620 0,86 0,167 0,198 0,230 0,264 0,301 0,342 0,390 0,450 0,593 0,87 0,141 0,172 0,204 0,238 0,275 0,316 0,364 0,424 0,567 0,88 0,114 0,145 0,177 0,211 0,248 0,289 0,337 0,397 0,540 0,89 0,086 0,117 0,149 0,218 0,220 0,261 0,309 0,369 0,512 0,90 0,058 0,089 0,121 0,155 0,192 0,233 0,281 0,341 0,484 0,91 0,030 0,061 0,093 0,127 0,164 0,205 0,253 0,313 0,456 0,92 0,000 0,031 0,063 0,097 0,134 0,175 0,223 0,283 0,426 0,93 0,000 0,032 0,066 0,103 0,144 0,192 0,252 0,395 0,94 0,000 0,034 0,071 0,112 0,160 0,220 0,363 0,94 0,000 0,037 0,079 0,126 0,186 0,329 0,95 0,000 0,041 0,089 0,149 0,292 0,96 0,000 0,048 0,108 0,251 0,97 0,000 0,060 0,203 0,98 0,000 0,143 0,99 0,000

Tabela V.2 – Índices para determinar a potência dos capacitores na correção do Fator de

Potência

5.6 Exemplos

a) Uma instalação, com fator de potência 0,76, tem como carga principal dois

motores de indução de 200 HP cada, 600 rpm, que trabalham em regime

8

V - 22

variado. Deseja-se evitar a continuação da incidência da sobretaxa de baixo

fator de potência.

Solução

Para escapar da sobretaxa de baixo fator de potência, é necessário que se

atinja o valor mínimo de 0,92. Dado que a carga significativa são dois grandes

motores, e que estes trabalham em regime muito variado , façamos a correção

capacitiva de cada motor individualmente .

Adotando-se para os motores o fator de potência da instalação global (0,76) e

pretendendo-se sua correção para o fator de potência 0,92 supondo

rendimento 95% nos motores:

Pu = 200HP = 147 kW

P = 147 = 155 kW ( potência real absorvida pelo motor )

0,95

A tabela V.2 nos indica o multiplicador que deveremos aplicar a P, para obter a

correção do fator de potência de cada motor, de 0,76 para 0,92: 0,43 kvar/ kW.

Assim, cada motor deveria receber 155 x 0,43 = 66,65 KVAr, ou arredondado,

70 KVAr, porém a potência reativa limite verificada na tabela V.1 para motores

com essa especificação (200 Hp, 600 rpm) é de 65 KVAr, portanto usaremos

esse valor limite para a correção, ou seja 65,00 KVAr.

b) Calcular a potência máxima que deve ter um banco de capacitores

monofásicos, ligados conforme a figura V.10 para corrigir o fator de potência do

motor 150cv, 4 pólos, 380 V/60 Hz, cuja corrente nominal é de 194,2 A.

Considerando o banco como uma unidade capacitiva trifásica, ou seja:

V - 23

Pc ≤ 0,420 x Vm x Im

Pc ≤ 0,420 x 0,38 x 194,2

Pc ≤ 30,9 kvar

A potência unitária dos capacitores, no caso da utilização de unidades

capacitivas monofásicas, é de:

Puc = 30,9 = 10,3 kvar

3

Logo, cada capacitor deve ter uma potência nominal de 10 kvar. Caso se fosse

utilizar uma unidade trifásica, sua potência seria 30 kvar. Consultando-se a

tabela V.1, se obteria o mesmo resultado.

Se a potência do capacitor ou do banco de capacitores obrigar a utilização de

uma chave independente do motor para manobrar o referido banco, a chave

que desligar o motor deve ser intertravada com a chave que desligar o banco

de capacitores.

Se o motor é acionado através de uma chave estrela-triângulo o capacitor ou

banco deve permanecer ligado à rede durante a manobra de comutação da

chave, da posição estrela para a posição final em triângulo.

No caso de motores com rotor bobinado, os capacitores devem ser ligados aos

terminais de saída da chave de comando do motor, restringindo-se a sua

potência às condições estabelecidas para os motores de indução com rotor em

curto-circuito. Se o motor de indução, com rotor em curto-circuito é acionado

através de uma chave compensadora automática ou não, o capacitor deve ser

ligado aos terminais de saída da referida chave.

V - 24

5.7 Dispositivos de Proteção

Cada capacitor componente de um banco deve ser protegido individualmente

contra curto-circuito interno, a fim de se evitar a ruptura de sua caixa metálica,

resultando na formação de gases, devido à queima de seus componentes. O

valor da corrente de curto-circuito é função do tipo de configuração do banco.

5.7.1 CAPACITORES TRIFÁSICOS

A proteção de uma unidade capacitiva trifásica de baixa tensão é feita

normalmente com a utilização de fusíveis do tipo NH ou diazed de atuação

lenta.

Já as unidades trifásicas de alta tensão, de pouco uso, devem ser protegidos

por chaves fusíveis dotadas de elo fusível próprio para 1,65 vezes a corrente

nominal do capacitor, ou por fusíveis de elevada capacidade de ruptura.

5.7.2 CAPACITORES MONOFÁSICOS

Da mesma forma indicada anteriormente, a proteção das unidades capacitivas

monofásicas deve ser feita através de fusíveis do tipo NH ou diazed.

Quando os capacitores monofásicos são ligados através de banco, a proteção

individual é feita utilizando os fusíveis NH ou diazed, se as unidades forem de

baixa tensão, ou elos fusíveis ou fusíveis de alta capacidade de ruptura se as

unidades forem de alta tensão. Os capacitores monofásicos de baixa tensão

são normalmente ligados em bancos na configuração triângulo e a proteção

através de fusíveis deve estar de acordo com a disposição do diagrama da

figura V.12, a mesma utilizada para unidades de alta tensão.

V - 25

Fig. V.12 – Diagrama de ligação de um banco capacitor monofásico de baixa tensão

5.8 Aplicações dos Capacitores – Derivação

A maior incidência da aplicação de capacitores nas instalações industriais e

comerciais é para corrigir o fator potência, geralmente acima do limite

estabelecido pela legislação em vigor e que é de 0,92. Além disso, são

utilizados com muita intensidade nos sistemas de distribuição das

concessionárias e nas subestações de potência, com a finalidade de reduzir as

perdas e elevar a tensão do sistema.

Ao instalar-se um capacitor numa indústria é como se fosse instalada uma

fonte de potência reativa, onde as necessidades de carga daquele projeto

seriam supridas, não havendo mais necessidade de se utilizar à potência

reativa do sistema elétrico para tal finalidade. Por esse motivo, as

concessionárias aplicam multas severas aos consumidores que não respeitam

as limitações legais do fator de potência, pois, caso contrário, elas teriam que

suprir esta potência a um custo extremamente mais elevado do que se teria

com a instalação de capacitores nas proximidades das cargas consumidoras.

Outros objetivos da instalação de capacitores-derivação nas instalações

industriais seriam:

� Redução das perdas nos circuitos terminais;

V - 26

� Liberação da potência instalada na transformação;

� Liberação da capacidade de carga dos circuitos terminais e de

distribuição;

� Melhoria do nível de tensão;

� Melhoria na operação dos equipamentos de manobra e proteção.

A aplicação correta dos capacitores-derivação numa instalação industrial deve

ser precedida de um estudo rigoroso para evitar o dimensionamento de

unidades desnecessárias no ponto de aplicação de duvidosa utilidade.

Os capacitores somente corrigem o fator de potência no trecho compreendido

entre a fonte geradora e o seu ponto de instalação. A partir daí, os efeitos

sentidos pelo sistema com a presença de um banco de capacitores limitam-se

à elevação de tensão, com uma conseqüência da redução da queda de tensão

no trecho a montante do seu ponto de instalação.

Para melhor entendimento, basta observar com atenção a figura V.13 onde se

pode perceber o funcionamento de um banco de capacitores num sistema em

que a corrente totalmente reativa capacitiva é fornecida à carga, liberando o

alimentador de parte desta tarefa. Para efeitos práticos, considerar toda a sua

potência como normalmente capacitiva.

Fp = 0,85 (Pa = 4 MW, Pr = 25 Mvar, Pt = 47 MVA)

Fp = 0,75 (Pa = 4MW, Pr = 35 Mvar, Pt = 53 MVA)

Fig. V.13 Conseqüência da aplicação do capacitor-derivação

V - 27

5.9 Sobretensões de Manobra

5.9.1. CHAVEAMENTO DE CAPACITORES

Quando um banco de capacitores é desconectado pode apresentar condições

potencialmente perigosas de ocorrência de sobretensões.

Isto ocorre porque no momento em que a corrente que alimenta o capacitor é

interrompida o mesmo retém o valor da tensão que existia entre os seus

terminais no momento da interrupção.

5.9.2. RESSONÂNCIA SÉRIE

Em sistemas trifásicos existe a possibilidade de ocorrência de sobretensões

devido a condutores abertos. Estas sobretensões podem ser sustentadas se a

abertura de uma (ou duas) fases permanecer por tempo suficiente para que

seja atingida a condição de regime permanente.

A condição de condutor aberto pode acontecer em um esquema de religamento

unipolar, um ou mais pólos de uma chave seccionadora permanecendo

abertos, situação de “pólo preso” de disjuntores, interrupção de fusíveis ou

mesmo ruptura do próprio condutor. As sobretensões poderão, nestes casos,

surgir como resultado de um circuito ressonante formado por elementos

indutivos e as capacitâncias (por exemplo de banco de capacitores) existentes

no sistema.

A ressonância em tensão (ressonância série) poderá acontecer se, ocorrendo à

abertura de condutor, aqueles elementos venham a constituir um circuito série.

V - 28

Fig. V.14 – Capacitores de baixa tensão

Fig. V.15 – Capacitores de média tensão

Fig. V.16 – Bancos capacitores de alta tensão

V - 29

5.10 Correção do Fator de Potência

5.10.1 - CONCEITO

A maioria das cargas dos modernos sistemas de distribuição de energia

elétrica é indutiva. Os motores, transformadores, reatores de iluminação e

fornos de indução, dentre inúmeros outros equipamentos são cargas indutivas.

A principal característica das cargas indutivas é que elas necessitam de um

campo eletromagnético para operar. Por esta razão, elas consomem dois tipos

de potência elétrica:

� Potência ativa ( kW ) para realizar o trabalho de gerar calor, luz, etc.

� Potência reativa ( kvar ) para manter o campo eletromagnético.

A potência ativa é medida em watts (W) ou kilowatts (kW). A potência reativa

não produz trabalho útil, mas circula entre o gerador e a carga, exigindo do

gerador e do sistema de distribuição uma corrente adicional. A potência reativa

é medida em kilovolt –amperes-reativos ( kvar ) .

A potência ativa e a reativa, juntas, formam a potência aparente, que é medida

em kilovolt – amperes (kVA).

Um triângulo retângulo é freqüentemente utilizado para representar as relações

entre kW, kvar e kVA, como mostra a figura V.17

V - 30

Fig V.17 Triângulo Retângulo de Potência

O fator de potência (cosφ ) pode ser expresso como a relação entre a potência

ativa, em kW, e a potência aparente, em kVA . Outra definição seria a relação

entre a corrente ativa, isto é, a que produz energia ativa, e a corrente total.

Cosφ = fator de potência = Ps

Pa

Onde,

Pa –potência ativa ou real, medida em kW

Pr – potência reativa, medida em kvar

Ps – potência aparente, medida em kVA

5.10.2 - CAUSAS DO BAIXO FATOR DE POTÊNCIA

Para a instalação industrial podem ser apresentadas as seguintes causas que

resultam num baixo fator de potência;

� Motores de indução trabalhando em vazio durante um longo período de

operação;

� Motores superdimensionados para máquinas a eles acopladas;

V - 31

� Transformadores em operação a vazio ou em carga leve;

� Grande número de reatores de baixo fator de potência suprindo lâmpada

de descarga (lâmpada fluorescente, vapor de mercúrio, Vapor de sódio e

etc);

� Fornos a arco;

� Fornos de indução eletromagnética;

� Máquinas de solda a transformador;

� Equipamentos eletrônicos;

� Grande número de motores de pequena potência em operação durante

um longo período;

Tratando-se de instalações industriais, há predominância de motores elétricos

de indução no valor total da carga, fazendo–se necessário tecer algumas

considerações sobre a sua influência no comportamento do fator de potência. A

potência reativa absorvida por um motor de indução aumenta muito levemente,

desde sua operação a vazio, até a sua operação a plena carga.

Entretanto, a potência ativa absorvida da rede cresce proporcionalmente com o

aumento das frações de carga acopladas ao eixo do motor. Como resultado

das variações das potências através e reativas na operação dos motores de

indução, desde que o trabalho a vazio até a plena carga, o fator de potência

varia proporcionalmente a esta variação, tornando-se importante, desta

maneira, o controle operativo dos motores por parte do responsável pela

instalação. Para exemplificar, reduzindo-se a carga solidária ao eixo de um

motor de indução de 50 cv a 50% de sua carga nominal, o fator de potência cai

de 0,85 obtido durante o regime de operação nominal, para 0,78, enquanto a

potência reativa, originalmente igual a 22,9 kvar, reduz-se a 13,2 kvar. Se a

redução da carga fosse de 75% da nominal, o fator de potência cairia para 0,84

e a potência reativa atingira o valor de apenas 16,8 kvar.

V - 32

5.11 Posicionamento do Capacitor na Instalação para Correção do

Fator de Potência

Os pontos indicados para a localização dos capacitores numa instalação

industrial são:

5.11.1 - NO SISTEMA PRIMÁRIO

Neste caso, os capacitores devem ser localizados após a medição no sentido

da fonte para a carga. Em geral, o custo final de sua instalação, principalmente

em subestações abrigadas, é superior a um banco equivalente, localizado no

sistema secundário. A grande desvantagem desta localização é a de não

permitir a liberação de carga do transformador ou dos circuitos secundários da

instalação consumidora.

Assim, a sua função se restringe somente à correção do fator de potência e só

depois à liberação de carga da rede da concessionária.

5.11.2 - NO SECUNDÁRIO DO TRANSFORMADOR DE POTÊNCIA

Neste caso, a localização dos capacitores geralmente ocorre no barramento do

QGF (Quadro Geral de Força). Tem sido a de maior utilização na prática, por

resultar, em geral em menores custos finais. Tem a vantagem de liberar

potência do(s) transformador(es) de força e de poder instalar-se no interior da

subestação, local normalmente utilizado pelo próprio QGF.

V - 33

5.11.3 - NO PONTO DE CONCENTRAÇÃO DE CARGA ESPECÍFICA

Quando uma carga especificada, com no caso de um motor, apresenta baixo

fator de potência, deve-se fazer a sua correção, alocando um banco de

capacitores nos terminais de alimentação.

Por motivo econômico, quando um capacitor for instalado junto a um motor de

indução, a chave de comando deverá também seccionar e energizar o

capacitor. Nestas condições, a capacidade dos condutores que ligam o

capacitor ao circuito terminal do motor não deverá ser inferior a 1/3 da

capacidade do circuito de alimentação que supre os terminais do motor.

5.12.BANCO DE CAPACITORES MEDIA TENSÃO

Utilizados nas áreas Industrial e Concessionárias de Energia Elétrica,

em circuitos de Transmissão e Distribuição, podendo ser aplicados em

Derivação (Shunt) ou em Série (Banco Série) nos circuitos elétricos de

transmissão e distribuição.

As ligações normalmente utilizadas para bancos de capacitores

derivação são:

- Triângulo ou Delta;

- Estrela com Neutro Aterrado ou Isolado;

- Dupla Estrela com Neutro Isolado.

Os principais benefícios com a instalação do Banco de Capacitores são:

- Correção de Fator de Potência;

- Liberação da Capacidade da Fonte;

- Redução de Perdas;

- Melhoria da Regulação do Sistema;

- Melhoria do Nível de Tensão na Carga

Uma análise simples e comparativa quanto às unidades capacitivas de

potências de 400 kvar e as de 800 kvar e suas vantagens é descrita a seguir

pela tabela e são baseadas fundamentalmente na quantidade de material ativo

e passivo de cada unidade. Para uma melhor compreensão, o material ativo de

V - 34

um capacitor corresponde ao filme de polipropileno, à folha de alumínio e ao

fluído impregnante, enquanto que o material passivo está relacionado aos

isoladores, buchas e à caixa de aço inoxidável.

Embora o conteúdo ativo em uma unidade capacitiva de 800 kVAr é

incrementado de 35 %, o material passivo é reduzido de 33%, resultando em

uma melhor utilização do material e um preço relativamente mais baixo.

Com relação à similaridade entre 02 unidades de 400 kVAr e 01 unidade

de 800 KVAr, as mesmas possuem o mesmo stress dielétrico, igual número de

elementos e o mesmo material ativo com uma substancial diferença na

quantidade de buchas, isoladores e caixa inoxidável referente ao material

passivo, conforme pode ser visto na figura abaixo.

Dentre as vantagens de se utilizar capacitores de alta potência e, por

conseguinte, uma alta taxa de material ativo pode-se destacar:

• Menor número de capacitores para um mesmo banco de capacitores;

• Projeto mais compacto e conseqüente redução de espaço;

•Melhor utilização do material com menor quantidade de partes passivas;

• Menor quantidade de partes mecânicas (buchas, racks metálicos);

• Menor risco de falhas mecânicas;

• Maior confiabilidade;

• Menor taxa de falha;

V - 35

• Custo total menor.

5.13 - CONSIDERAÇÕES GERAIS DE PROTEÇÃO DE BANCOS DE

CAPACITORES

Proteção de banco de capacitores em derivação requer um

entendimento das capacidades e limitações das unidades capacitivas

individuais, equipamento elétrico associado e performance do sistema de

potência esperado. Ênfase em proteção é colocada em duas áreas: minimizar

danos da falha e evitar operações falsas e indesejáveis.

A evolução do projeto interno e de materiais de unidades capacitivas tem

tido maiores conseqüências no projeto de banco de capacitores e na proteção.

Arcos elétricos e rupturas de invólucros não são mais as maiores causas de

desligamento involuntário pela proteção do banco de capacitores. A maioria

das atuações das proteções de banco de capacitores hoje são causadas por

animais ou por outra causa como contaminação ou por erros humanos.

Relés numéricos redundantes podem proporcionar proteção de banco de

capacitores com as seguintes funções:

• Proteção de sobretensão.

• Proteção de subtensão (perda de potencial).

• Proteção diferencial por fase do capacitor.

• Proteção de desbalanço de tensão do neutro.

Essas funções proporcionam proteções para os seguintes casos:

• A função de sobretensão protege o capacitor contra danos causados

por sobretensões sustentadas no sistema. Além disso, a tensão do sistema é

reduzida com a remoção do banco de capacitores de operação.

• A função de subtensão previne danos de sobretensões transitórias e

outros problemas relacionados à energização do banco de capacitores através

de um transformador sem carga paralela significativa. Isto é realizado abrindo o

disjuntor do banco de capacitor depois de cinco segundos após a perda de

tensão do barramento, uma condição que indica a eliminação de uma falta na

barra 230 kV ou um desligamento geral do sistema.

V - 36

• Elemento capacitivo em falta ou falta para o casco do elemento

capacitivo.

• Defeito na bucha ou defeito nas conexões da unidade capacitiva.

• Faltas no banco de capacitores ou nas unidades capacitivas, por

exemplo, uma falta com arco elétrico no banco.

• Sobretensão contínua causada por elementos capacitivos em falta.

• Formação de arcos entre gavetas em dois grupos série, se as

conexões não estiverem sido isoladas.

5.14 – CAPACIDADES E LIMITAÇÕES DA UNIDADE CAPACITIVA

IEEE Std 18-1992 especifica os valores padrões para os capacitores de

potência em derivação conectados na transmissão e nos sistemas de

distribuição. No entanto, sempre consulte as mais recentes normas IEEE e

ANSI aplicáveis.

Unidades capacitivas não devem fornecer menos que 100% e não mais

que 115% da potência reativa nominal para a tensão senoidal e freqüência

nominais, medidos a uma temperatura constante de 25°C no invólucro e

internamente.

Capacitores devem ser capazes de operações contínuas contanto que

nenhuma das seguintes limitações forem excedidas:

� 110 % do valor nominal da tensão eficaz, e 1.2 x √2 da tensão de

pico da tensão nominal eficaz, incluindo harmônicas mas

excluindo transitórios.

� 180% do valor nominal da corrente eficaz, incluindo corrente

fundamental e harmônica.

� 135% do valor nominal da potência reativa (kVAr). Esse valor

deve incluir os seguintes fatores e não devem ser excedidos por

seus efeitos combinados:

- Potência reativa causada por tensão acima do valor de placa na

freqüência fundamental, mas dentro das limitações permitidas.

- Potência reativa causada por tensões harmônicas superpostas à

freqüência fundamental.

V - 37

- Potência reativa superior ao dado de placa causada por tolerâncias de

fabricação.

• Unidades capacitivas com valores nominais acima de 600V devem ter

um dispositivo de descarga interna para reduzir a tensão residual para 50V ou

menos em 5 minutos.

5.15.COMPONENTES DO BANCO DE CAPACITORES

Células capacitivas – Responsáveis pela injeção de reativochamados

elos fusíveis de proteção, que devem romper-se quando há alguma solicitação

do sistema ou defeito na célula, isolando-a do circuito.

Reatores: Servem para atenuar os surtos de tensão no momento da

manobra.

Chave tetrapolar de aterramento – Deve ser fechada após 10 segundos

da desenergização dos bancos para descarregamento completo das células.

Chave de abertura em carga – Dispositivo que serve para energizar ou

desenergizar o banco, e realiza abertura e fechamento em carga, podendo ser

à óleo ou à vacuo.

Chave seccionadora – Serve para isolar o barramento do banco, ou os

barramentos, em caso de mais de um banco por instalação.

DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE PROTECÃO,COMANDO E CONTROLE

PARA BANCOS DE CAPACITORES

POTÊNCIA FORMAÇÃO ELO Nº.

ELOS COR. DESEQ. RTC AJUSTE AJUSTE COMANDO

(MVAr) (kVAr) FUSÍVEL

ROMP/GRUPO ADMISSÍVEL PROTEÇÃO PROT. V MÍN. V MÁX.

0,6 12X50 6K 1 3,4A 10/5A 2A 115V 120V 0,6 6X100 12K 0 0A 7,5/5A 1A 115V 120V 1,2 24X50 6K 2 6,8A 10/5A 3,5A 115V 120V 1,2 12X100 12K 1 6,8A 10/5A 3,5A 115V 120V 1,2 6X200 25K 0 0A 7,5/5A 1A 115V 120V 1,5 30X50 6K 2 6,7A 10/5A 3,5A 115V 120V 1,8 36X50 6K 3 10,25A 15/5A 3,5A 115V 120V 1,8 18X100 12K 1 6,6A 10/5A 3,5A 115V 120V 2,4 24X100 12K 2 13,6A 15/5A 5A 115V 120V 2,4 12X200 25K 1 13,75A 15/5A 5A 115V 120V 3,6 36X100 12K 3 20,5A 30/5A 3,5A 115V 120V

V - 38

3,6 18X200 25K 1 13,2A 15/5A 4,5A 115V 120V 4,2 42X100 12K 3 20,2 30/5A 3,5A 115V 120V 4,8 48X100 12K 4 27,25A 30/5A 5A 115V 120V 4,8 24X200 25K 2 27,25A 30/5A 5A 115V 120V 7,2 36X200 25K 3 41A 50/5A 4,5A 115V 120V

OBS. 1:

FORAM ADOTADAS AS RTC'S PADRONIZADAS, DE ACORDO COM A ESPECIFICAÇÃO CELPE

PARA TRANSFORMADORES DE CORRENTE, EM-035/98.

TIPO 1: TC PROTEÇÃO; CLASSE 15kV; 10B100; RTC'S: 7,5-10-15/5A

TIPO 2: TC PROTEÇÃO; CLASSE 15kV; 10B100; RTC'S: 15-20-25 x 30-40-50/5A

OBS. 2: A COLUNA Nº ELOS ROMP/GRUPO SE REFERE AO NÚMERO MÁXIMO DE ELOS FUSÍVEIS

ROMPIDOS POR GRUPO, DO BANCO, QUE AINDA POSSIBILITA A OPERAÇÃO DO MESMO.

(SOBRETENSÃO NAS CÉLULAS REMANESCENTES INFERIOR AO LIMITE PERMISSÍVEL).

OBS. 3: A COLUNA COR. DESEQ. ADMISSÍVEL INDICA O VALOR DA CORRENTE PELO NEUTRO

DO BANCO QUANDO DA PERDA DO NºMÁXIMO DE ELOS P/GRUPO.

V - 39

BANCO DE CAPACITORES 15 KV DUPLA ESTRELA COM NEUTRO

FLUTUANTE

V - 40

5.16.COMPONENTES DO BANCO DE CAPACITORES – 230 kV

A Figura a seguir mostra o diagrama unifilar de um projeto do capacitor

sem fusível numa subestação de 230 kV. Nesse projeto, há cinco blocos de

banco de capacitores e cada bloco tem a potência nominal de 83.53 MVAR.

Cada bloco de capacitor tem os seguintes componentes:

• Um fechamento do disjuntor sincronizado (tensão zero) para reduzir o

transitório da corrente (“inrush”) durante a energização do banco e para isolar o

banco durante problemas com o sistema ou com o banco.

• Um reator em série com o banco de capacitor para reduzir o transitório

da corrente de energização (inrush) de alta magnitude e transitórios de alta

freqüência durante o chaveamento back to back.

• Duas metades de cada fase, cada metade com um capacitor de baixa

tensão com um transformador de potencial alimentando as entradas de um relé

numérico conectado diferencialmente.

V - 41

• Um capacitor de baixa tensão, um transformador de corrente e um

divisor resistivo no neutro do banco de capacitores alimentam a entrada de um

relé numérico para uma proteção de desequilíbrio do banco.

• Uma chave seccionadora entre o disjuntor e o barramento isola o bloco

de capacitores do sistema de potência e abre um espaço para um trabalho

seguro da equipe de manutenção.

• Três pára-raios de metal oxido reduzem os surtos de tensão causados

pelo chaveamento do capacitor ou de descargas atmosféricas e protege os

equipamentos da subestação.

• Um reator em série com o circuito do disjuntor principal para reduzir os

transitórios de energização (inrush) do capacitor e os transitórios de

fechamento de fim de linha ou falta nas proximidades do barramento da

subestação (outrush).

• Um disjuntor principal operará como retaguarda para atuação da

proteção no caso de falha do disjuntor do banco de capacitores. A

seccionadora de transferência do disjuntor principal transfere o disjuntor

durante a manutenção e faz o isolamento do sistema de potência para garantir

um trabalho seguro.

• Todos os disjuntores são especificados para manobrar corrente

capacitiva e equipados com um controle de fechamento sincronizado para

reduzir as sobretensões e sobrecorrentes transitórias durante o chaveamento

do banco de capacitores.

• Relés numéricos para a proteção contra faltas no sistema, condições

anormais no sistema e problemas no banco de capacitores. A proteção para

essa instalação é discutida com mais detalhes nas seções a seguir.

• Um controlador lógico programável (PLC) para executar a inserção e a

remoção automática do capacitor baseada numa escala sazonal de nível de

tensão pré programada. Além disso, o PLC disponibiliza uma forma de

balancear as operações do disjuntor, de controlar as seqüências de

energização, dispara alarmes e executa algumas funções e monitoramentos.

• Foram feitos estudos pelo programa de transitórios eletromagnéticos

(EMTP) para selecionar os valores otimizados de corrente de energização de

reatores (inrush), de fechamento de final de linha ou faltas nas proximidades da

barra (outrush), pára-raios e disjuntores.

V - 42

5.15.Bibliografia

[1] MAGALDI, Miguel. Noções de Eletrotécnica – 4ª edição. 1977 –

Guanabara Dois.

[2] MAMEDE FILHO, João. Instalações Elétricas Industriais. Livros

Técnicos e Científicos S.A.

[3] Catálogos da Inducon e Inepar.

[4] Artigo VI SBQEE – Seminário Brasileiro de Qualidade de Energia Elétrica - EXPERIÊNCIA DA CEMIG NA UTILIZAÇÃO DE UNIDADES CAPACITIVAS DE ALTA POTÊNCIA (800kVAr) NO BANCO DE CAPACITORES DA SE DE TAQUARIL E SUAS VANTAGENS TÉCNICO-ECONÔMICAS NO TOCANTE À QUALIDADE DE ENERGIA

[5] SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, BRASIL LTDA -

PROTEÇÃO DE BANCO DE CAPACITORES SEM FUSÍVEIS USANDO RELÉS DIGITAIS

V - 43

5.12 Bibliografia

[1] MAGALDI, Miguel. Noções de Eletrotécnica – 4ª edição. 1977 – Guanabara

Dois.

[2] MAMEDE FILHO, João. Instalações Elétricas Industriais. Livros Técnicos e

Científicos S.A.

[3] MAMEDE FILHO, João. Manual de Equipamentos Elétricos Vol I e II.

Livros Técnicos e Científicos S.A.

[4] Catálogos da Inducon e Inepar.

[5] Artigo VI SBQEE – Seminário Brasileiro de Qualidade de Energia Elétrica - EXPERIÊNCIA DA CEMIG NA UTILIZAÇÃO DE UNIDADES CAPACITIVAS DE ALTA POTÊNCIA (800kVAr) NO BANCO DE CAPACITORES DA SE DE TAQUARIL E SUAS VANTAGENS TÉCNICO-ECONÔMICAS NO TOCANTE À QUALIDADE DE ENERGIA

[6] SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, BRASIL LTDA - PROTEÇÃO DE BANCO DE CAPACITORES SEM FUSÍVEIS USANDO RELÉS DIGITAIS

Relatório de alterações – George Silva Paiva – 27/06/2007:

� Refeito todo o item 5.3.3 - Dielétricos, por desatualização; � Inclusão de texto no item 5.12.BANCO DE CAPACITORES MEDIA

TENSÃO � Retirado item 5.13.MANUTENCÃO EM BANCOS DE CAPACITORES

DE 15 E 69 Kv por não dar pertinência objetiva ao assunto ; � Incluído o item 5.13 - CONSIDERAÇÕES GERAIS DE PROTEÇÃO DE

BANCOS DE CAPACITORES � Incluído o item 5.14 – CAPACIDADES E LIMITAÇÕES DA UNIDADE

CAPACITIVA � Incluído o item 5.16 - COMPONENTES DO BANCO DE

CAPACITORES – 230 Kv � Correções de colocação de frases e digitação; � Incluída a Bibliografia utilizada