Aparelhagem de 7,2 kV, 6300 A e 63 kA: Porque é tão difícil de construir?

Nota:
Este artigo destina-se a leitores que procuram uma explicação de engenharia mais aprofundada sobre aparelhagem de média tensão de alta corrente.
Nível: Avançado

Este artigo assume que 7,2 kV é a tensão nominal da aparelhagem. Se 7,2 kV for a tensão nominal real do sistema, a classe de tensão do equipamento e o nível de isolamento exigidos devem ser confirmados separadamente.

Uma classificação de tensão de 7,2 kV não é invulgar.

Uma classificação de corrente de 6.300 A é tecnicamente alcançável.

Uma classificação de curto-circuito de 63 kA também é alcançável.

No entanto, combinar as três classificações num único sistema de aparelhagem cria um problema de engenharia excecionalmente difícil.

A razão não é apenas o facto de os números serem elevados. A verdadeira dificuldade é que a solução para um requisito torna frequentemente outro requisito mais difícil.

O que significam os quatro valores?

Valor	O que afeta principalmente
6.300 A	Aquecimento contínuo, dimensão do condutor e design dos contactos
7,2 kV	Isolamento, distância de isolamento elétrica e tensão de interrupção
63 kA	Forças de defeito, resistência de curta duração e capacidade do disjuntor
78,6 MVA	Escala do sistema, importância e consequências de falha

A principal dificuldade estrutural provém da combinação de componentes condutores de 6.300 A, requisitos de isolamento de 7,2 kV e resistência a curto-circuito de 63 kA dentro da mesma aparelhagem.

Porque é que a combinação é tão difícil?

A aparelhagem deve ser:

• Suficientemente grande para suportar 6.300 A
• Suficientemente aberta para remover o calor
• Suficientemente separada para suportar 7,2 kV
• Suficientemente rígida para sobreviver a 63 kA
• Suficientemente flexível para acomodar a expansão térmica
• Suficientemente rápida para interromper um defeito
• Suficientemente fechada para controlar um arco interno

Estes requisitos entram em conflito uns com os outros.

É por isso que um painel normal de 3.150 A ou 4.000 A não pode ser simplesmente convertido num painel de 6.300 A através da instalação de barramentos maiores.

Conflito 1: Condutores grandes, espaço de isolamento e resistência mecânica

A alta corrente exige que a aparelhagem seja preenchida com cobre, enquanto a média tensão requer um espaço de isolamento vazio em redor desse cobre.

Para suportar 6.300 A, a aparelhagem necessita de componentes condutores de grandes dimensões, incluindo:

Ao mesmo tempo, o equipamento de 7,2 kV deve manter uma distância suficiente entre:

Isto cria o primeiro conflito fundamental: os condutores tornam-se maiores, mas não podem ser simplesmente agrupados de forma compacta.

O defeito de 63 kA requer um suporte mais forte

O requisito de curto-circuito de 63 kA torna a disposição ainda mais difícil.

Durante um defeito, os barramentos são expostos a enormes forças eletromagnéticas. Um defeito de 63 kA RMS pode produzir um primeiro pico de corrente superior a 150 kA.

Utilizando um fator de pico típico de 2,5:

63 kA × 2,5 = 157,5 kA de pico

Esta corrente instantânea pode:

• Afastar as fases
• Aproximar barramentos paralelos
• Dobrar condutores
• Rachar isoladores
• Torcer os terminais do disjuntor
• Danificar juntas
• Mover a estrutura do disjuntor

Os barramentos necessitam, portanto, de suportes fortes e pouco espaçados.

Os barramentos devem continuar a ser capazes de expandir

Os barramentos expandem-se à medida que aquecem durante o funcionamento normal. O sistema pode, portanto, necessitar de:

A estrutura deve permitir uma expansão térmica lenta, mantendo-se rígida durante um curto-circuito.

Os suportes adicionais melhoram a resistência a defeitos, mas também:

Aumentar o espaçamento entre fases pode melhorar o isolamento e reduzir a força eletromagnética, mas também torna a aparelhagem:

• Mais larga
• Mais profunda
• Mais pesada
• Mais cara
• Mais difícil de transportar
• Mais difícil de instalar numa sala de quadros existente

O projetista deve, portanto, equilibrar:

• Secção do condutor
• Distância de isolamento
• Espaçamento entre fases
• Espaçamento entre suportes de barramento
• Expansão térmica
• Acesso para manutenção
• Dimensões gerais do armário

A certa altura, o equipamento pode deixar de se assemelhar a uma aparelhagem blindada convencional e começar a parecer-se mais com uma aparelhagem de gerador ou um sistema de barramento de central elétrica.

Conflito 2: Dissipação de calor versus proteção do invólucro

Depois de os condutores, contactos e suportes terem sido instalados na aparelhagem, o problema seguinte é remover o calor que produzem.

A 6.300 A, mesmo uma resistência muito pequena pode gerar um calor substancial.

A perda elétrica num condutor ou ligação segue esta relação:

Perda de potência = Corrente × Corrente × Resistência

Suponha que uma junta tem uma resistência de apenas 10 micro-ohms, ou 0,00001 ohm.

O calor gerado nessa junta seria:

6.300 × 6.300 × 0.00001 = 397 W

Isto significa que uma ligação com uma resistência extremamente baixa pode ainda produzir quase 400 W de calor continuamente.

O circuito primário completo contém muitas fontes de calor possíveis:

Para um arrefecimento eficaz, o projetista pode querer:

No entanto, a proteção contra arco interno requer um invólucro controlado e resistente à pressão.

A aparelhagem deve:

• Suportar a pressão interna
• Manter as portas e coberturas fechadas
• Impedir que as chamas escapem em direção ao pessoal
• Controlar o movimento de gases quentes
• Direcionar a pressão através de um caminho de exaustão seguro

Isto cria o segundo conflito fundamental:

A alta corrente requer um fluxo de ar eficaz, enquanto a proteção contra arco interno requer compartimentos controlados e resistentes à pressão.

Um índice IP elevado torna o problema mais difícil. Um invólucro hermeticamente selado oferece melhor proteção contra poeira e água, mas também retém o calor e restringe o fluxo de ar.

O fabricante deve, portanto, equilibrar:

• Elevação da temperatura
• Fluxo de ar
• Segurança contra arco interno
• Proteção ambiental
• Fiabilidade dos ventiladores
• Acesso para manutenção

O arrefecimento não é apenas uma questão de adicionar ventiladores. O invólucro, o caminho de ventilação e o sistema de alívio de pressão devem ser projetados em conjunto.

Conflito 3: Mais barramentos paralelos versus partilha desigual de corrente

Uma barra de cobre extremamente espessa nem sempre é a melhor forma de transportar 6.300 A.

Os sistemas de alta corrente utilizam normalmente vários condutores paralelos para cada fase.

Por exemplo, se quatro barramentos partilharem a corrente igualmente:

6.300 A ÷ 4 = 1.575 A por barramento

No entanto, a corrente pode não se dividir igualmente na prática.

A partilha de corrente é afetada por:

• Diferentes comprimentos de condutores
• Resistência de junta desigual
• Efeito pelicular
• Efeito de proximidade
• Posição do barramento
• Campos magnéticos de fases próximas
• Arrefecimento desigual
• Pressão de contacto diferente

Um condutor pode transportar mais corrente do que os outros e tornar-se um ponto quente local.

Adicionar mais cobre reduz a resistência básica, mas também torna a distribuição de corrente AC e o comportamento eletromagnético mais complicados.

O design deve, portanto, considerar a disposição completa do barramento trifásico, e não apenas a área total da secção transversal do cobre.

Conflito 4: Baixa resistência de contacto versus construção extraível

Uma ligação aparafusada fixa pode ser feita de forma grande, forte e altamente condutora.

Um disjuntor extraível é muito mais difícil.

Os seus contactos primários devem ser:

• Móveis
• Alinhados com precisão
• De baixa resistência
• Mecanicamente duráveis
• Devidamente isolados
• Capazes de suportar 6.300 A continuamente
• Capazes de suportar o pico de curto-circuito

O projetista pode adicionar mais dedos de contacto e aumentar a sua pressão para reduzir a resistência.

Mas isto cria:

• Maior força de inserção
• Um carro de disjuntor mais pesado
• Mais desgaste mecânico
• Maior sensibilidade ao alinhamento
• Manutenção mais difícil
• Maior risco de partilha desigual de corrente

Se alguns dedos de contacto perderem pressão, os contactos restantes podem transportar corrente excessiva e sobreaquecer.

Por esta razão, um disjuntor de montagem fixa com seccionadores separados pode ser mais prático do que um VCB extraível convencional.

O disjuntor pode ser o verdadeiro estrangulamento

Podem ser fabricados barramentos de cobre de grandes dimensões.

A questão mais difícil é se o disjuntor consegue:

1. Suportar 6.300 A continuamente
2. Permanecer estável durante o primeiro pico de corrente de defeito
3. Abrir rapidamente quando a proteção atua
4. Interromper 63 kA em segurança
5. Suportar a tensão que recupera através dos contactos abertos
6. Manter o nível de isolamento de 7,2 kV exigido

O disjuntor requer baixa resistência e alta pressão de contacto durante o funcionamento normal.

Durante um defeito, deve também abrir rapidamente e interromper uma corrente extremamente elevada.

Deve, portanto, estar fortemente fechado, ser mecanicamente estável e capaz de uma abertura rápida ao mesmo tempo.

Um disjuntor normal de 4.000 A não pode normalmente tornar-se um disjuntor de 6.300 A apenas através da instalação de terminais externos maiores.

O caminho de corrente interno completo deve ser projetado e testado para 6.300 A.

Sobre a potência

A 400 V e 6.300 A, a potência aparente trifásica é de aproximadamente 4,36 MVA:
1,732 × 0,4 kV × 6,3 kA = 4,36 MVA

A 7,2 kV e com a mesma corrente, a potência aparente sobe para aproximadamente 78,6 MVA:
1,732 × 7,2 kV × 6,3 kA = 78,6 MVA

O circuito de 7,2 kV transfere, portanto, cerca de 18 vezes mais potência aparente.

A potência mais elevada não torna os condutores diretamente mais quentes. Se a corrente e a resistência do condutor forem as mesmas, as perdas resistivas também são semelhantes.

No entanto, a classificação de 78,6 MVA mostra a escala do sistema. Um circuito pode estar ligado a um grande gerador, transformador, sistema de compressor ou processo industrial. Uma falha ou um disparo desnecessário poderia, portanto, desligar dezenas de megawatts de carga.

Isto pode exigir:

• Proteção de alta velocidade e fiável
• Proteção diferencial e de falha de disjuntor
• Monitorização contínua da temperatura
• Arrefecimento fiável
• Ligações de barramento blindado de grandes dimensões
• Monitorização de estado mais abrangente

Como a proteção contra arco interno altera o invólucro

A proteção contra arco interno não é a razão original pela qual a aparelhagem necessita de barramentos maiores. No entanto, uma vez projetado o caminho de corrente de 7,2 kV e 6.300 A, a contenção do arco cria outro requisito estrutural importante.

Durante o funcionamento normal, a aparelhagem transporta até 6.300 A. Se uma falha de isolamento, uma ligação solta ou um objeto estranho criar um defeito interno, a corrente pode subir em direção ao nível de curto-circuito disponível — neste caso, 63 kA.

As três classificações contribuem de forma diferente:

Classificação	Efeito durante um defeito interno
6.300 A	Requer grandes condutores, contactos, juntas e caminhos de arrefecimento
7,2 kV	Permite que um arco permaneça estabelecido através de um entreferro
63 kA	Determina a corrente de defeito disponível e a gravidade potencial do evento

Um arco interno cria plasma de gás a aproximadamente 10.000 °C, com temperaturas locais a atingir os 20.000 °C perto da saída do arco. Estas são temperaturas de plasma locais, não a temperatura média dentro da aparelhagem completa. No local do arco, o metal e o isolamento próximo podem derreter ou vaporizar quase imediatamente.

O gás e o material vaporizado aquecidos rapidamente causam um aumento acentuado da pressão. A aparelhagem pode, portanto, exigir:

• Portas e sistemas de fecho reforçados
• Divisórias internas resistentes à pressão
• Abas de alívio de pressão
• Um plenum de exaustão superior
• Condutas externas de alívio de pressão
• Uma área de descarga controlada longe do pessoal

A sala elétrica também deve ser considerada. A Siemens observa que as salas de aparelhagem de média tensão podem exigir saídas ou condutas de alívio de pressão, e que a estrutura do edifício pode necessitar de suportar a pressão gerada por um arco interno.

Isto cria outro conflito de design:

O caminho de corrente de 6.300 A requer um arrefecimento eficaz durante o funcionamento normal, enquanto a proteção contra arco interno requer um fluxo de ar controlado e resistente à pressão durante um defeito.

Os sistemas de ventilação e de alívio de pressão devem, portanto, ser projetados em conjunto. As aberturas de arrefecimento normais não podem simplesmente permitir a libertação de chamas ou gases quentes em direção ao pessoal.

Um exemplo de aparelhagem resistente ao arco de 63 kA

A quantidade de espaço de instalação adicional depende da plataforma de aparelhagem testada. Não existe uma regra universal que estabeleça que a construção resistente ao arco adiciona uma altura ou percentagem fixa a cada painel.

Para referência, o SafeGear HD da ABB é uma plataforma de aparelhagem resistente ao arco de 5/15 kV, 63 kA específica que utiliza um plenum de alívio de pressão superior. A ABB especifica uma distância mínima do chão ao teto de aproximadamente 129,5 polegadas, ou 3,29 metros, para a disposição do plenum e a folga da caixa de ventilação.

Este valor é apenas um exemplo de um produto real. Não deve ser tratado como a altura de sala exigida para todos os projetos de 7,2 kV, 6.300 A.

Um sistema de 6.300 A pode exigir um diferente:

• Altura do painel base
• Disposição de arrefecimento
• Tamanho do plenum
• Secção transversal da conduta de exaustão
• Área de descarga segura
• Altura do teto da sala de quadros

As dimensões exatas devem provir da disposição geral testada pelo fabricante.

O ponto importante é:

A proteção contra arco interno pode adicionar um espaço superior substancial, condutas de exaustão, reforço estrutural e requisitos de sala de quadros, mas a quantidade é específica para o design do equipamento testado.

As ligações podem tornar-se outro problema importante

A 6.300 A, as ligações comuns de cabos de média tensão podem tornar-se impraticáveis.

O sistema pode exigir:

• Muitos cabos paralelos por fase
• Barramento blindado de fases segregadas
• Barramento blindado de fases não segregadas
• Ligação direta por barra de cobre
• Barramento de fases isoladas em aplicações de gerador

O sistema de ligação deve também lidar com:

• Partilha de corrente igual
• Expansão térmica
• Isolamento de 7,2 kV
• Força de defeito de 63 kA
• Alinhamento mecânico
• Suporte estrutural
• Ventilação

A aparelhagem não pode ser projetada separadamente do gerador, transformador ou barramento blindado a ela ligado.

O caminho de corrente completo deve ser coordenado como um único sistema.

Alternativas mais práticas

Antes de selecionar um barramento de 6.300 A, o projetista do sistema deve considerar se a carga pode ser dividida.

Dividir o sistema em secções de barramento de corrente mais baixa

Em vez de utilizar um barramento de 6.300 A, o sistema pode ser dividido em duas secções de barramento independentes.

As disposições possíveis incluem:

• Duas secções de barramento de 3.150/4.000 A
• Entradas separadas de transformador ou gerador para cada secção
• Um acoplador de barramento normalmente aberto entre as secções

Isto permite que cada secção permaneça dentro de uma gama de aparelhagem de média tensão mais estabelecida.

Uma disposição de duas secções pode proporcionar:

• Disjuntores mais amplamente disponíveis
• Controlo mais fácil do aumento de temperatura
• Barramentos e ligações mais pequenos
• Manutenção mais fácil
• Melhor redundância
• Menor risco técnico e de teste

No entanto, as classificações não devem ser simplesmente somadas.

Duas secções de 3.150 A não formam um barramento de 6.300 A, a menos que as suas saídas sejam combinadas. Se forem combinadas através de um acoplador de barramento ou ligação comum, essa parte do sistema pode ainda necessitar de suportar os 6.300 A totais.

A solução prática é normalmente dividir as cargas entre as duas secções e manter o acoplador de barramento normalmente aberto. O acoplador pode então ser fechado temporariamente para transferência de carga, desde que a fonte e a secção de barramento restantes possam suportar a carga transferida.

Distribuir a potência a uma tensão mais elevada

Para a mesma potência, o aumento da tensão reduz a corrente.

Por exemplo, transmitir 78,6 MVA a 11 kV exigiria aproximadamente 4.130 A.

O cálculo é:

78,6 MVA ÷ 1,732 ÷ 11 kV = aproximadamente 4,13 kA

A 22 kV, a mesma potência exigiria aproximadamente 2.060 A.

O cálculo é:

78,6 MVA ÷ 1,732 ÷ 22 kV = aproximadamente 2,06 kA

Aumentar a tensão de distribuição pode simplificar grandemente:

• Barramentos
• Disjuntores
• Ligações
• Arrefecimento
• Suportes mecânicos

No entanto, também aumenta o nível de isolamento exigido.

Utilizar um sistema de disjuntor de gerador

Se o circuito estiver diretamente ligado a um grande gerador, o equipamento de gerador dedicado pode ser mais apropriado do que modificar a aparelhagem de distribuição convencional.

Os disjuntores de gerador são especificamente projetados para:

• Corrente contínua muito elevada
• Corrente de curto-circuito elevada
• Serviço de interrupção severo
• Comportamento de defeito da fonte do gerador
• Ligações de barramento blindado de grandes dimensões

Conclusão

Um sistema de aparelhagem de 7,2 kV, 6.300 A e 63 kA é difícil porque os requisitos trabalham uns contra os outros.

• 6.300 A requer mais cobre e mais arrefecimento.
• 7,2 kV requer mais espaço de isolamento.
• 63 kA requer suportes mais fortes e rígidos.
• A expansão térmica requer flexibilidade controlada.
• A segurança contra arco interno requer um invólucro forte e com gestão de pressão.
• O funcionamento do disjuntor requer tanto uma elevada pressão de contacto como uma abertura rápida.

O desafio central não é simplesmente construir um armário maior.

É criar um sistema que seja simultaneamente:

Eletricamente isolado, termicamente estável, mecanicamente forte, operacionalmente rápido e seguro durante um defeito interno.

É por isso que esta combinação pertence normalmente a equipamentos especializados de geradores ou da indústria pesada, em vez de aparelhagem de média tensão convencional.

Perguntas Frequentes

Não. É tecnicamente alcançável, mas requer normalmente equipamento de classe de gerador especializado ou equipamento de alta corrente personalizado, em vez de aparelhagem de MT convencional.

A aparelhagem de baixa tensão requer distâncias de isolamento muito menores. Barramentos grandes, disjuntores e contactos paralelos podem, portanto, ser instalados mais próximos uns dos outros.

Não. Barramentos maiores podem reduzir o aquecimento, mas não resolvem a capacidade do disjuntor, a distância de isolamento, a resistência de contacto, o arrefecimento, o tamanho do TC ou as forças de defeito de 63 kA.

Afeta a capacidade de defeito do disjuntor e a resistência mecânica exigida para barramentos, suportes, terminais e o invólucro.

É um requisito importante para a segurança do pessoal, mas o principal desafio estrutural é combinar condutores de 6.300 A, distâncias de isolamento de 7,2 kV e resistência a curto-circuito de 63 kA.

Sim. Dividir as cargas entre duas secções de barramento de corrente mais baixa pode permitir a utilização de plataformas de aparelhagem mais estabelecidas. No entanto, qualquer ligação comum deve continuar a ser dimensionada para a corrente que efetivamente transporta.