Dimensionamento de circuitos elétricos e cálculo de curto-circuito

Cálculo de curto-circuito de acordo com a norma IEC

O correto planejamento da instalação elétrica deve ser baseado na avaliação detalhada dos fins de instalação, confiabilidade de serviço e nível de segurança exigido. Utilizando as normas internacionais e nacionais as mesmas podem nos ajudar a projetar um sistema com alto nível de segurança e eficiência. A IEC 60909-0 é a norma técnica que estabelece um processo de resultados com precisão aceitável para o cálculo das correntes de curto-circuito nas três fases do sistema AC (exceto a bordo de navios e aviões). Nesses padrões são definidos diferentes valores de corrente de curto-circuito que podem ser calculadas.

Corrente de curto-circuito presumida = corrente que surgiria se o curto-circuito fosse substituído por uma ligação ideal de impedância desprezível, sem qualquer alteração da alimentação da entrada.

Corrente de curto-circuito simétrica = valor eficaz da componente AC simétrico de uma corrente de curto-circuito presumida.

Corrente de curto-circuito inicial simétrica   = é o valor eficaz da componente simétrica AC de uma corrente de curto-circuito presumida, aplicável no momento do curto-circuito.

Pico de curto-circuito i_p = é o valor máximo possível da corrente de curto-circuito presumida.

Queda da Componente i_dc da corrente de curto circuito = valor médio entre a proteção superior e inferior de uma corrente de curto circuito decaindo a partir de um valor inicial de zero.

Corrente curto-circuito simétrico I_b = valor eficaz de um ciclo integral da componente AC simétrica da corrente de curto-circuito presumida no instante da separação do contato do primeiro polo para abrir um dispositivo de comutação.

Estes valores também são calculados pelo software DOC, exibindo valores mínimos e máximos para as correntes de curto-circuito, tal como antes de escolher as proteções, é necessário fazer o cálculo exato dos valores da corrente de curto-circuito em diferentes pontos da instalação, de modo a conter os custos e garantir o nível de segurança.

Característica da instalação

O exemplo a seguir demonstra uma instalação alimentada por um transformador MT / BT de um sistema de barramento que consiste em duas secções, que, em caso de necessidade ou falha, o dispositivo pode ser isolado por meio de um disjuntor. Isto assegura pelo menos metade da instalação funcionando, mesmo em caso de uma falha grave.

O software calcula a corrente de curto-circuito no barramento de nível (ponto A), a fim de selecionar corretamente os dispositivos de proteção MT / BT, transformadores e os dispositivos acopladores.

Modelo de circuito elétrico

Para calcular as correntes de curto-circuito de um sistema eléctrico é necessário criar um circuito equivalente no qual os elementos que contribuem para a corrente de curto-circuito são modelados como fonte ideal com uma impedância em série (elementos ativos como utilidade, geradores, motores...), sendo que elementos que não contribuem para isso são modelados como impedância (elementos passivos como o cabo, transformadores, barramentos ...).

Na tabela abaixo são apresentados os cálculos das impedâncias de curto-circuito no local A.

Cálculo de curto-circuito das três fases no ponto A

Sabendo o valor máximo das impedâncias simétricas de curto-circuito do equipamento, é possível calcular facilmente o curto-circuito inicial trifásico simétrico da corrente de curto-circuito como: 

Onde c é o fator de tensão imposta pela norma IEC, que assume valor igual a 1,1 para o máximo de cálculos de curto-circuito atuais de redes com abastecimento de MT. O ZeqA é a impedância de curto-circuito equivalente no ponto A que se refere a rede de sequência positiva na figura 1.

E, consequentemente,     

A terceira fase da corrente de curto-circuito é a corrente sem a contribuição do motor, de modo a ser calculado considerando a impedância equivalente igual a:

Então é possível calcular o valor de pico da corrente das três fases do curto circuito como:

Onde k pode ser calculada a partir da razão entre a resistência e reatância da impedância no ponto de falha no gráfico abaixo:

A máxima componente DC da corrente de curto-circuito pode ser calculada de acordo com a seguinte equação:

A corrente de curto-circuito considerada para especificar o valor de interrupção de um dispositivo de protecção é o curto-circuito simétrico de interrupção I_b, esta corrente tem de ser calculada num instante definido, que pode ser, por exemplo, 20 ms de acordo com a seguinte equação:

Estes são apenas os valores máximos da corrente de curto-circuito em um ponto da rede, para um trabalho de configuração de um sistema trifásico de curto-circuito, obviamente, a seleção de dispositivos de proteção e do conjunto das unidades de disparo exige também o cálculo dos valores máximos e mínimos das correntes de curto-circuito em diferentes pontos da instalação para três fases, duas fases, fase e neutro e de fase à terra.

O cálculo das correntes de curto-circuito em caso de duas fases e monofásico requer o cálculo das componentes de sequência zero, por outro lado, para realizar o cálculo do valor mínimo das correntes de curto-circuito é necessário realizar o cálculo da resistência dos cabos e barramentos a uma temperatura de referência superior a 20 °C, isso significa uma quantidade excessiva de cálculos que exigem muito tempo.

Cálculo das correntes de curto-circuito com o software DOC

O DOC calcula o valor mínimo e máximo de curto-circuito em todos os pontos da rede, considerando uma ou mais condições de funcionamento de forma precisa. Após o cálculo, é possível ver todas as correntes de curto-circuito definidas pelo padrão IEC, como no exemplo abaixo, a corrente de curto-circuito trifásico calculado pelo DOC no barramento considerando a mesma condição do primeiro exemplo apresentado.

Como mostrado na foto acima, na mesma janela é possível selecionar e verificar todas essas correntes de curto-circuito para duas fases e fase única de curto-circuito, na opção avançada é possível definir os instantes para o cálculo da queda da componente idc da corrente de curto-circuito e da interrupção da corrente de curto circuito Ib (como padrão são sempre calculados em 10 ms, mas no exemplo foi solicitado também o cálculo para 20ms).

O fator de tensão da IEC 60909 é definido igual a cmax = 1,1 mas a verificação do valor mínimo da corrente de curto-circuito é calculada na base de linhas e barramentos com o fator de tensão igual a cmin = 0,95, de acordo com o padrão IEC, como precaução com a tolerância negativa na tensão nominal. Toda a resistência de cabos e sistemas de barramento é calculada para a temperatura do condutor, no final do período de curto-circuito.

Por exemplo, na figura abaixo são mostradas as correntes de curto-circuito para sistemas de rede BTS1.

Todas as correntes de curto-circuito também são calculadas e visualizadas no local de instalação de dispositivos de proteção, como descrito no quadro abaixo, a corrente de interrupção máxima de curto-circuito simétrico é utilizada para a seleção de interrupção da capacidade dos dispositivos de proteção e o valor do pico é comparado com o curto-circuito definindo a capacidade do dispositivo de Icm.

A contribuição do motor é automaticamente calculada para o máximo da corrente de curto-circuito, somente quando superior a 5% da corrente de curto-circuito calculada sem considerar os motores, como alternativa os motores são considerados próximos de zero para o cálculo mínimo do curto-circuito, em conformidade com a norma IEC.

O cálculo da rede em diferentes condições de operação está habilitado no DOC pelo uso da opção “calcular” no menu "Ferramentas", onde é possível criar um número ilimitado de condições de funcionamento, e nas opções de cálculo definir o tipo de cálculo entre o cálculo de apenas a configuração de um sistema ou de um dimensionamento considerando-se todas as condições de funcionamento possíveis.

Estes dois comandos usados em conjunto permitem a seleção de seções de cabos e dispositivos de proteção adequados para todas as configurações de operação com uma redução de tempo incrível.

Modelo de diagrama do software DOC

Conclusão

O software DOC é uma ferramenta precisa para o projeto de sistema elétrico MT e BT, os projetistas podem utilizar o desenho do diagrama como uma parte dos cálculos de curto-circuito, ele executa a análise do fluxo de carga, discriminação, dimensionamento de cabos e seleção automática dos componentes, respeitando os requisitos da norma IEC.

Adicionalmente, o módulo de configuração permite o desenho de um painel de forma rápida com uma vista frontal dos paineis de BT. O software possui a possibilidade de impressão da documentação técnica completa e detalhada na ferramenta "Gerenciamento de documentação do projeto".

Para qualquer informação adicional sobre o DOC visite o site www.abb.com.br e a página do youtube "DOC Electrical calculations".