← Preparação pra engenharia · Núcleo Neon · onde a estrada termina

Um curto fase-terra

Quanta corrente passa quando um fio encosta na carcaça de um painel de 380 V, e qual disjuntor aguenta. Este é um cálculo de Sistemas Elétricos de Potência, do 4º ou 5º ano. Você não precisa entender tudo agora. O objetivo é ver onde a estrada termina.

começar ↓

Se o disjuntor for fraco para o curto, ele deixa de desarmar e explode. O número Icu, em kA, escrito na lateral de todo disjuntor de painel, saiu de uma conta como esta.

Cada passo aqui vem duas vezes: com letra, que é como o livro escreve, e sem letra, que é a mesma coisa com os números no lugar. A ideia é você olhar e reconhecer que o pesado não são as contas. O Passo 6 é uma divisão. O Passo 7 é multiplicar por 3. O difícil é saber por que cada coisa entra.

O problema

~ rede 13,8 kV Scc 250 MVA trafo 500 kVA Z = 5% · ∆ / Y aterrado painel 380 V Icu = ? curto fase-terra
O unifilar. A pergunta: quantos ampères passam no curto, e qual disjuntor aguenta.
dadovalor
força da rede no ponto de ligaçãoScc = 250 MVA
transformador500 kVA, 13,8 kV / 380 V
impedância do transformadorZ = 5%
ligação do transformadortriângulo (∆) / estrela aterrada

As ferramentas que esse cálculo usa

ferramentao que éonde se aprende
números complexos (j)número com duas partes, para corrente alternadaCálculo, Circuitos 2
sistema por unidade (pu)tudo vira fração do normalSistemas de Potência
componentes simétricasquebrar um problema torto em três certinhosSistemas de Potência
operador a = 1∠120°um giro de 120 grausSistemas de Potência

Passo 1 · As bases: o que vale "1"

Em vez de carregar 380 V e 500 000 VA pela conta inteira, o engenheiro diz: 500 kVA vale 1 e 380 V vale 1. Tudo vira fração disso. É o sistema por unidade, o pu.

com letra
Ibase = Sbase ÷ (√3 · Vbase)
sem letra
√3 × 380 = 1,732 × 380 = 658,2
Ibase = 500 000 ÷ 658,2 = 759,7 A

1 pu de corrente vale 759,7 A. Esse número volta no fim, para transformar o resultado de fração em ampère de verdade.

Passo 2 · A impedância da rede

Impedância (Z) é o que segura a corrente alternada. Quanto mais forte a rede, menor a impedância dela.

com letra
Zrede = Sbase ÷ Scc
sem letra
Zrede = 0,5 ÷ 250 = 0,002 pu

Uma rede de 250 MVA contra um trafo de 0,5 MVA é uma rede enorme, e por isso a impedância dela é quase nada.

Passo 3 · A impedância do transformador

Os 5% da plaqueta já estão em pu, porque porcentagem é fração do normal.

com letra
Ztrafo = Z% ÷ 100
sem letra
Ztrafo = 5% = 0,05 pu

Repara no tamanho: o trafo tem 25 vezes mais impedância que a rede inteira. Ele é quem manda na corrente de curto de um painel de baixa tensão.

Passo 4 · O pulo do gato: componentes simétricas

Num curto trifásico as três fases sofrem igual, e o problema fica certinho. Num curto fase-terra só uma fase encosta, e o problema fica torto.

Em 1918 o engenheiro Charles Fortescue mostrou que qualquer sistema torto de três fases é a soma de três sistemas certinhos:

abc acb a, b, c positiva (1)ordem normal a→b→c negativa (2)ordem ao contrário a→c→b zero (0)as três juntas, iguais
A sequência zero é a única em que as três fases apontam para o mesmo lado ao mesmo tempo. Ela só tem por onde voltar se existir terra.
com letra
Ia = I0 + I1 + I2
Ib = I0 + a²I1 + aI2
Ic = I0 + aI1 + a²I2
a tradução
A corrente de verdade de cada fase é a soma dos três pedaços certinhos, cada um girado do seu jeito. O a gira 120°, o a² gira 240°. No livro isso vem como uma matriz, que é só essa tabela organizada.

Passo 5 · A impedância de cada sequência

com letra
Z1 = Zrede + Ztrafo
Z2 = Zrede + Ztrafo
Z0 = Ztrafo
sem letra
Z1 = j(0,002 + 0,05) = j0,052
Z2 = j0,052 pu
Z0 = j0,050 pu
Por que o Z₀ não tem a rede? A sequência zero é as três fases iguais. O lado de 13,8 kV do trafo é ligado em triângulo, e o triângulo prende a sequência zero lá dentro: ela circula no delta e não chega na rede. É o detalhe que separa quem entendeu de quem decorou, e ele muda o resultado final.

O j marca que a impedância é do tipo indutiva, de bobina. O tamanho dela é o número depois do j.

Passo 6 · A corrente de sequência

Para o curto fase-terra, Fortescue mostrou que as três sequências ficam em série, uma atrás da outra, e as três correntes ficam iguais.

Z₁Z₂Z₀ E I₁ = I₂ = I₀
A tensão E empurra por um caminho só, então a mesma corrente atravessa as três impedâncias.
com letra
I1 = E ÷ (Z1 + Z2 + Z0)
sem letra
j0,052 + j0,052 + j0,050 = j0,154
I1 = 1 ÷ j0,154 = −j6,494 pu

E = 1 pu, que é a tensão normal da rede. O −j diz que a corrente está atrasada 90° da tensão, que é o comportamento de bobina. Para o tamanho, vale o 6,494.

Passo 7 · A corrente de curto de verdade

Na fase que encostou, os três pedaços somam, porque a primeira linha da tabela do Passo 4 é 1, 1, 1.

com letra
Ifalta = I0 + I1 + I2 = 3 · I1
sem letra
3 × 6,494 = 19,48 pu
19,48 × 759,7 = 14 800 A = 14,8 kA

Passo 8 · Comparando com o curto trifásico

com letra
I3φ = E ÷ Z1
sem letra
1 ÷ 0,052 = 19,23 pu
19,23 × 759,7 = 14,6 kA
A surpresa. O fase-terra deu 14,8 kA e o trifásico deu 14,6 kA. Muita gente aprende que o trifásico é sempre o pior, e aqui ele perdeu. O motivo está no Passo 5: o Z₀ ficou com 0,050 porque o triângulo cortou a rede fora dele, enquanto o Z₁ ficou com 0,052. Um caminho mais fácil deixa passar mais corrente. Por isso o engenheiro calcula os dois e usa o maior.

Passo 9 · O pico: o primeiro soco

No primeiro instante a corrente dá um pico maior ainda, por causa da inércia magnética do sistema. A norma IEC 60909 dá esse pico pelo fator κ, o kappa.

com letra
κ = 1,02 + 0,98 · e−3R/X
ip = κ · √2 · I
sem letra
e−0,6 = 0,549
κ = 1,02 + 0,98 × 0,549 = 1,558
ip = 1,558 × 1,414 × 14,8 = 32,6 kA

O e é o número de Euler, 2,718, o mesmo que manda no capacitor carregando. O R/X é a parte que esquenta dividida pela parte magnética, e aqui foi usado 0,2 como exemplo.

a resposta de engenheiro

14,8 kA, com pico de 32,6 kA

O disjuntor desse painel precisa de capacidade de interrupção (Icu) acima de 15 kA e tem que aguentar o pico de 32,6 kA sem se desmontar. Na prateleira isso vira um disjuntor de 25 kA, que é o degrau comercial seguinte.

Bancada · a instalação é outra, e a conta refaz sozinha

mexe nos dados da sua instalação e os nove passos recalculam. os exercícios 1, 2 e 4 lá embaixo se respondem aqui

ligação do transformador

O que esta conta deixa de fora. Ela é a versão de aula, e um projeto real acrescenta pelo menos quatro coisas. O Z₀ do transformador foi tomado igual ao Z₁, quando na prática ele fica entre 85% e 100% dele, e é por essa folga que o empate do exercício 4 sai perfeito aqui e apenas quase perfeito no campo. O cabo entre o trafo e o painel tem impedância e derruba a corrente de curto lá na ponta. Motores girando na instalação devolvem corrente para o curto nos primeiros ciclos e somam. E a IEC 60909 manda usar um fator c de 1,05 em baixa tensão para o pior caso, o que sobe os 14,8 kA para 15,5 kA. É justamente esse 1,05 que tira o disjuntor de 15 kA da mesa e leva para o de 25 kA.

Onde isso mora na faculdade

tijolousado no passoonde está
isolar letratodosaula 1 desta trilha
fração e divisão1, 2, 6Matemática · divisão
raiz e potência1, 9Matemática · potências
porcentagem2, 3Matemática · regra de três
exponencial, o e9Matemática · exponencial
seno e cosseno4Cálculo · Fourier
estrela e triângulo5Elétrica · o fechamento
o kA do disjuntora respostaElétrica · vinte kA
números complexos (j)5, 6faculdade, Circuitos 2
matrizes4faculdade, Álgebra Linear
sistemas de potênciatudo juntoúltimo ano
pra pensar
  1. Se o trafo fosse de 8% em vez de 5%, o curto ficaria maior ou menor? Por quê?
  2. Se a rede fosse mais fraca, com Scc = 50 MVA, quanto daria o Zrede?
  3. No Passo 7, por que multiplica por 3?
  4. Se o trafo fosse estrela aterrada dos dois lados, o Z₀ incluiria a rede?
  5. Com o trafo em 1000 kVA no lugar de 500, a corrente de curto dobra, cai pela metade ou fica igual?
ver as respostas 1. Menor, porque impedância maior segura mais corrente: I = E ÷ Z · 2. 0,5 ÷ 50 = 0,01 pu, cinco vezes a do enunciado · 3. Porque as três sequências têm a mesma corrente e, na fase do curto, elas somam: I₀ + I₁ + I₂ = 3·I₁ · 4. Sim: sem o triângulo para prender, a sequência zero passaria para o outro lado e o Z₀ cresceria até ficar igual ao Z₁. Aí Ifalta = 3 ÷ 3Z₁ = 1 ÷ Z₁, que é exatamente o trifásico: os dois empatam. É o triângulo do enunciado que fazia o fase-terra passar na frente · 5. Quase dobra. O Z% da plaqueta não muda, mas a base muda junto: a corrente base dobra e o Zrede em pu também, então o resultado sobe quase na mesma proporção. Põe 1000 kVA na bancada e confere.
pra levar

O curto fase-terra deu 14,8 kA, maior que o trifásico, e o pico chegou a 32,6 kA. Tudo isso saiu de uma divisão, uma multiplicação por 3 e uma raiz de 2. O que a faculdade acrescenta é o porquê de cada termo entrar, e isso se aprende um tijolo de cada vez.

Núcleo Neon · preparação pra engenharia · onde a estrada termina · o caderno é do João; as contas foram conferidas uma a uma na arrumação pro site