Laboratórios de Alta Potência do Centro de Pesquisas de Energia Elétrica – Cepel: Características, Atividades e Papel na Indústria Nacional

1 – Introdução

Fabricantes e usuários de equipamentos elétricos têm se empenhado em melhorar cada vez mais a qualidade de seus produtos e instalações. Especificações são mais exigentes quanto à segurança pessoal e material e são requeridos desempenhos cada vez melhores dos equipamentos.

Toda natureza de contribuições: empíricas, teóricas e experimentais, favorece o desenvolvimento de produtos que atendam a essas condições cada vez mais severas. Devido à complexidade dos diversos fenômenos físicos envolvidos na operação dos equipamentos e à alta incerteza sobre as variáveis que afetam estes fenômenos, uma avaliação somente teórica não é suficiente para se alcançarem projetos satisfatórios. Para abranger os parâmetros relevantes para esses fenômenos, são necessárias simulações experimentais que representem as solicitações e condições operacionais às quais os equipamentos são submetidos de modo mais fidedigno possível. As atividades experimentais integram todas as etapas do projeto: o desenvolvimento, em que há uma interação entre as avaliações teóricas e empíricas e a experimental, até convergir em um projeto final, e na validação, em que são executados ensaios baseados em normas técnicas nacionais e internacionais ou em procedimentos específicos. Em todas as etapas, é primordial a contribuição da infraestrutura laboratorial, com equipamentos e instalações adequados e equipe técnica capacitada. Assim, a atuação dos laboratórios é de vital importância para o progresso da indústria de equipamentos elétricos.

Para atender às necessidades do setor elétrico quanto a estudos em diversas áreas de conhecimento, foi criado o Centro de Pesquisas de Energia Elétrica (Cepel), que, dentre outros campos de atuação, dispõe de amplas instalações laboratoriais para contribuir ativamente para o progresso da indústria nacional, como os laboratórios de química analítica, de corrosão, de metalografia e metalurgia, de iluminação de propriedades elétricas e magnéticas, de calibração, dentre outros. Para avaliação de fenômenos elétricos de grande escala, o Cepel conta com os laboratórios de Alta Tensão, destinados à realização de ensaios dielétricos, e os de Alta Corrente e Alta Potência, para avaliar fenômenos de potência e corrente elevadas.

Dentre as ocorrências às quais os equipamentos elétricos estão sujeitos, as que envolvem potência elevada são especialmente críticas quanto à segurança dos equipamentos e das instalações em que estão inseridos. Devido ao fato de tais ocorrências envolverem fenômenos que geram altos esforços mecânicos, elevação de temperatura e, em muitos casos, plasma de alta energia, a avaliação experimental é essencial para contemplar toda a complexidade destes eventos. Os laboratórios de Alta Corrente e Alta Potência do Cepel vêm simulando tais eventos, seja por meio de estudos e pesquisas que requerem experimentos, seja por meio da execução de ensaios prescritos por normas técnicas nacionais ou internacionais.

O objetivo deste trabalho é: apresentar os laboratórios de Alta Corrente e Alta Potência do Cepel, suas características nominais e faixas de operação (item 2.1), descritivo de suas instalações (item 2.2), suas principais atividades (item 2.3) e o seu papel em relação ao progresso da indústria de equipamentos elétricos de alta tensão e o setor elétrico brasileiro, que acaba por refletir-se na sociedade como um todo (item 3).

2 – Instalações laboratoriais de Alta Corrente e Alta Potência

Os laboratórios de Alta Corrente e Alta Potência do Cepel foram colocados a serviço do setor elétrico no início dos anos 1980. Desde então, são os únicos na América do Sul capazes de atender à demanda de ensaios com potência elevada, tanto do mercado nacional, quanto de países vizinhos.

2.1 – Características nominais

O Laboratório de Alta Corrente, com capacidade nominal de 140 MVA durante 5 segundos ou 21 MVA em regime permanente, possibilita obter correntes de até 230 kA em curto-circuito ou 50 kA em regime permanente, com tensões de 110 V até 6000 V (monofásico) ou 3500 V (trifásico). O Laboratório de Alta Potência, com capacidade nominal de 1000 MVA durante 1 segundo, permite a execução de ensaios trifásicos com tensões de até 60 kV e monofásicos com tensões de até 100 kV. Por utilizar como fonte a rede elétrica, a operação do laboratório condiciona-se às normas operativas do sistema elétrico interligado nacional. Pelos valores atuais de potência de curto-circuito disponível, é permitido ao Cepel utilizar até 750 MVA trifásicos durante 0,3 s. Com esta capacidade, tem sido possível ao Cepel, nestes cerca de 40 anos de atuação dos laboratórios, atender à maior parte das necessidades de ensaios de potência demandadas no país.

2.2 – Infraestrutura

Os laboratórios de Alta Corrente e de Alta Potência dispõem, cada um, de quatro ambientes principais:

– a subestação, que recebe a linha de transmissão da rede elétrica: fonte dos laboratórios.

– os ambientes em que os circuitos elétricos de ensaio são montados, compostos por vários tipos de equipamentos, tais como resistores, capacitores, indutores, sistemas de medição e equipamentos de manobra.

– as áreas de montagem, com diferentes recursos mecânicos que possibilitam representar as montagens dos equipamentos conforme sua utilização nas instalações reais.

– as salas de controle, onde são realizados os comandos remotos nos equipamentos em todas as etapas dos ensaios e as medições dos parâmetros requeridos em normas e especificações.

As instalações dos laboratórios possibilitam a execução de atividades experimentais dentro de suas faixas de operação, sendo compostas por diferentes tipos de equipamentos e dispositivos, dentre estes:

– No Laboratório de Alta Corrente: 6 transformadores de potência de curto-circuito 39 MVA – 5 s, 5 chaves de fechamento síncrono de 5 kV, 16 chaves seccionadoras de 138 kV, 72 reatores indutivos cobrindo faixa de 0,005 Ω – 200 Ω, 3 caixas de resistores compostas por 324 resistores de 1,8 Ω.

– No Laboratório de Alta Potência: 3 transformadores de potência de curto-circuito 349,6 MVA – 1 s, 3 chaves de fechamento síncrono de 40 kV, 3 chaves seccionadoras de 72,5 kV, 78 reatores indutivos cobrindo faixa de 0,001 Ω – 250 Ω, em 60 Hz, 108 caixas de resistores compostas por 2592 resistores de 32 Ω, 50 reatores capacitivos cobrindo faixa de 15 nF-2μF.

A Figura 1 apresenta os circuitos elétricos dos laboratórios, em que os equipamentos, citados acima, são inseridos conforme o tipo de ensaio a ser executado.

Figura 1 – Circuitos elétricos dos laboratórios de: (a) Alta Corrente e (b) Alta Potência.

Estes laboratórios contam com sistemas de medição das grandezas elétricas: tensão e corrente e de condições ambientais: temperatura e umidade, necessários para a medição de vários parâmetros relevantes para as diferentes atividades experimentais realizadas. Com o objetivo de se garantir a segurança da equipe técnica e de evitar interferências eletromagnéticas nas medições, são utilizados sistemas de fibras ópticas convertendo os sinais elétricos medidos na área de ensaios em sinais ópticos e transferindo-os até a sala de controle. Na sala de controle, os sinais ópticos são convertidos em sinais elétricos digitais, para processamento nos sistemas de aquisição de dados.

Como dispositivos de conversão nos sistemas de medição para correntes elétricas, são utilizados transformadores de corrente e derivadores resistivos. Para medir tensões, são utilizados divisores de tensão, e para medir temperatura e umidade, termohigrômetros.

A Figura 2 apresenta o diagrama esquemático simplificado dos sistemas de medição.

Figura 2 – Diagrama esquemático dos sistemas de medições.

2.3 – Principais atividades realizadas

Desde o início de operação, foram realizados mais de 3 mil ensaios nos laboratórios de Alta Corrente e Alta Potência do Cepel, envolvendo diferentes tipos de equipamentos com ampla faixa de características nominais. Dentre os principais ensaios prescritos em normas técnicas, destacam-se:

 Corrente suportável de curto-circuito e elevação de temperatura em vários tipos de equipamentos, tais como chaves seccionadoras, transformadores de correntes, transformadores de potência, reguladores de tensão, reatores, para-raios, disjuntores, painéis de baixa e alta tensão, barramentos blindados e cabos.
 Ensaios de interrupção em dispositivos fusíveis de distribuição, disjuntores de baixa tensão.

 Arco elétrico em painéis de baixa e alta tensão e em cadeias de isoladores.

 Descarga atmosférica e curto-circuito em cabos condutores e OPGW – Optical Ground Wire (único laboratório no Brasil avaliado pela Anatel para esses ensaios).

 Ensaios de estabelecimento e interrupção de corrente em disjuntores, religadores de tensão e chaves de aterramento.

A Figura 3 mostra três exemplos de ensaios realizados nos laboratórios.

Figura 3 – Exemplos de ensaios realizados nos laboratórios de Alta Corrente e Alta Potência: (a) arco interno em painel, (b) curto-circuito em cabo tipo OPGW e (c) manobra em chave de aterramento.

Além destes ensaios de norma, foram realizados muitos estudos experimentais, requeridos em projetos P&D, ao longo da história dos laboratórios. Como exemplos, podemos citar:

– Limitação de corrente de curto-circuito em dispositivos limitadores com tecnologia baseada em supercondutor. Curtos-circuitos em sistemas de baixa impedância dão origem a valores muito altos de correntes. Para a interrupção dessas correntes, são necessários disjuntores de alta capacidade de interrupção, em manobras com certo grau de risco. Os limitadores de corrente baseados em supercondutores não interrompem essas correntes, mas reduzem drasticamente esses valores, facilitando muito a interrupção por um disjuntor de capacidade bem menor. Além disso, esses limitadores, por serem compostos por elementos supercondutores, são extremamente rápidos e não interferem no sistema durante o regime normal de operação.

– Desenvolvimento e validação de modelo de arco elétrico para estudos de Religamento Monofásico, em parceria com Furnas e UFRJ, em que, para se atingir um modelo confiável, foram implementadas e adaptadas instalações laboratoriais específicas, de modo a gerar resultados experimentais que possibilitassem elaborar um modelo teoricamente robusto para o arco elétrico. A motivação deste estudo foi o fato de o religamento monofásico ser um meio eficaz para a extinção de curtos-circuitos monofásicos, oferecendo baixo risco à estabilidade e à confiabilidade do sistema.

A Figura 4 ilustra os ensaios dos projetos descritos acima.

Figura 4 –Ensaios realizados nos laboratórios de Alta Corrente e Alta Potência nos seguintes projetos P&D: (a) Limitação de corrente de curto-circuito em dispositivos limitadores com tecnologia baseada em supercondutor, (b) Desenvolvimento e validação de modelo de arco elétrico secundário para estudos de Religamento Monofásico.

3 – Contribuição das atividades desenvolvidas nos laboratórios de Alta Corrente e Alta Potência para o progresso da indústria nacional

A interação entre os fabricantes de equipamentos e os laboratórios contribui para a evolução da qualidade dos produtos desenvolvidos, seja na fase inicial do desenvolvimento, partindo de uma tecnologia ainda incipiente, seja em uma fase posterior, em que projetos de equipamentos já são satisfatórios, mas que precisam ser otimizados, devido à contínua necessidade de redução de custos sem implicar perda de qualidade. Ao longo da história dos laboratórios de Alta Corrente e Alta Potência, tem havido resultados concretos dessa interação. Nos anos 1980, e no início dos anos 1990, era preponderante a concepção de novas tecnologias e novos projetos nem sempre bem fundamentados tecnicamente, com consequente alto índice de reprovação destes novos equipamentos. Nas décadas posteriores, cresceu muito o número de ensaios com o objetivo de conciliar redução de custo sem perda de qualidade.

Este item apresenta, em 3.1, 3.2 e 3.3, baseando-se em uma amostra expressiva de ensaios realizados no Cepel, as principais falhas em três ensaios frequentemente realizados nos laboratórios: arco elétrico devido à falha interna em painéis, interrupção em dispositivo fusível tipo expulsão e curto-circuito em transformador de potência. Já em 3.4, apresenta-se o impacto da realização destes ensaios na taxa de aprovação dos equipamentos.

3.1 – Principais falhas em ensaios de arco elétrico devido à falha interna em painéis

Dos critérios de aprovação do ensaio de arco interno em painéis [1], as falhas têm se concentrado na queima dos sensores indicadores, feitos de tecido, que servem para simular a pele de uma pessoa próxima ao equipamento durante essa ocorrência. Estes sensores podem ser vistos na Figura 3.a em forma de um conjunto de blocos com seção retangular em meio às chamas provocadas no ensaio. A Figura 5 apresenta a taxa de falhas em função dos critérios de reprovação definidos em normas de ensaios.

Figura 5 – Taxa de falhas em função dos critérios de reprovação definidos em normas para ensaios de arco elétrico devido à falha interna em painéis: falha 1 – arremesso de portas e tampas; falha 2 – queima de indicadores horizontais ou verticais; falha 3 – abertura de portas e lados acessíveis; falha 4 – desconexão do cabo de terra.

3.2 – Principais falhas em ensaios de interrupção em dispositivo fusível tipo expulsão

O ensaio de interrupção em dispositivos fusíveis de distribuição consiste em cinco grupos de ensaio [2]. Os grupos 1, 2 e 3 são realizados com 20% a 100% da máxima capacidade de interrupção, simulando falta entre transformadores ou circuitos protegidos e os dispositivos. O grupo 4 é realizado com valor de corrente correspondente à que ocorre no dispositivo instalado no primário do transformador no caso de uma falha no secundário. O grupo 5 é realizado com corrente de sobrecarga para determinar a eficácia de expulsão do elo fusível e a ação de queda do porta-fusível na falta de forças de pressão de gás resultante do arco.

A Figura 6 apresenta a taxa de falhas em função dos critérios de reprovação definidos em normas de ensaios.

Figura 6 – Taxa de falhas em função dos critérios de reprovação definidos em normas de ensaios de interrupção em dispositivo fusível tipo expulsão: falha 1 – arremesso do porta-fusível; falha 2 – não interrupção; falha 3 – não sinalização; falha 4 – falha na fixação da base; falha 5 – tempo de arco acima do limite.

3.3 – Principais falhas em ensaios de curto-circuito em transformador de potência

O defeito de maior incidência em ensaios de curto-circuito em transformadores de potência [3] é a variação de reatância acima dos limites tolerados em norma (núcleo circular concêntrico < 2 % e para núcleo não circular concêntrico < 7,5 %).

A Figura 7 apresenta as principais falhas apresentadas em ensaios de curto-circuito em transformador de potência.

Figura 7 – Principais falhas apresentadas em ensaios de curto-circuito em transformador de potência: falha 1 – explosão; falha 2 – quebra de calços; falha 3 – variação de indutância acima do permitido por norma; falha 4 – quebra de isoladores do barramento de baixa tensão.

3.4 – Índice de aprovação dos principais equipamentos ensaiados

Com o objetivo de avaliar quantitativamente a importância da interação de fabricantes com laboratórios no desempenho de seus equipamentos, foi feito o levantamento da relação entre a taxa de aprovação em ensaios com o número de vezes em que os fabricantes utilizaram-se dos laboratórios de Alta Potência do Cepel para a avaliação dos seus produtos em termos de projeto, materiais e fabricação, tendo como base normas de ensaios específicas [4]. A Figura 8 apresenta a curva média desta relação.

Figura 8 – Taxa de aprovação nos ensaios em função do número de vezes em que os clientes ensaiam seus equipamentos.

4 – Considerações finais

Desde o início dos anos 1980, o setor elétrico brasileiro conta com os laboratórios de Alta Corrente e Alta Potência do Centro de Pesquisas de Energia Elétrica (Cepel) para suprir a necessidade da realização de avaliações experimentais e estudos que envolvam correntes e potências elevadas.

O laboratório de Alta Corrente, com capacidade de atingir níveis de corrente de 230 kA em curto-circuito ou 50 kA em regime permanente, e o laboratório de Alta Potência, com potência instalada de 1000 MVA durante 1 s, têm atendido à maior parte das demandas do setor elétrico nacional nestes cerca de 40 anos em operação. Para isso, estes laboratórios dispõem de ampla infraestrutura em termos de instalações, diversos tipos de equipamentos, dispositivos e sistemas de medição e equipe técnica capacitada.
Desde o início de sua operação, foram realizados mais que 3 mil ensaios nos laboratórios de Alta Corrente e Alta Potência do Cepel, envolvendo diferentes tipos de equipamentos, como ensaios de corrente suportável de curto-circuito, elevação de temperatura, arco elétrico de potência e estabelecimento e interrupção.

Em relação a alguns equipamentos mais frequentemente ensaiados, cubículos, dispositivos fusíveis de tipo expulsão e transformadores de potência, observou-se que os casos de reprovação dos equipamentos são, em maior parte, decorrentes de pontos específicos, que merecem maior atenção dos fabricantes, que têm se beneficiado dos resultados dos ensaios para corrigi-los.

Apesar da dificuldade de se avaliar quantitativamente a influência da realização sucessiva de ensaios na evolução do desempenho dos equipamentos, as informações apresentadas neste trabalho, baseadas no histórico de ensaios realizados, mostram uma tendência de que quanto maior o número de ensaios realizados pelos fabricantes, maior a taxa de aprovação. Isto traz benefícios tanto para os fabricantes quanto para os usuários e, consequentemente, para a confiabilidade do sistema elétrico nacional e também para a sociedade como um todo.

5 – Referências bibliográficas

[1] International Electrotechnical Comission. IEC 62271-200: High-Voltage Switchgear and Controlgear – Part 200: AC Metal-Enclosed Switchgear and Controlgear for Rated Voltages above 1 kV and up to and Including 52 kV. 2011.

[2] Associação Brasileira de Normas Técnicas. ABNT NBR 7282: Dispositivos Fusíveis de Alta Tensão — Dispositivos Tipo Expulsão — Requisitos e Métodos de Ensaio. 2011.

[3] Associação Brasileira de Normas Técnicas. ABNT NBR 5356-5: Transformadores de Potência Parte 5: Capacidade de Resistir a Curtos-Circuitos. 2007.

[4] Rodrigues, M. G., Amorim, T. P., Xavier, C. S., Siqueira, C. C., Silva, M. F. C., Gonçalves, M. M., Bianchi, R. – Análise Estatística dos Ensaios Realizados no Laboratório de Alta Potência no Cepel – XXIV SNPTEE, GRUPO VIII, 2017.

*1 Fábio Augusto da Silva possui graduação em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Minas Gerais (1999), bolsa de pós-graduação por essa mesma Universidade em Sistemas de Medição de Alta Corrente e Alta Tensão, desenvolvida no Centro de Pesquisas de Energia Elétrica – CEPEL de set/2000 a ago/2002. Engenheiro contratado pela Fundação de Apoio à Educação, Pesquisa e Desenvolvimento Científico do Cefet-RJ – FUNCEFET-RJ, para atuação no Cepel de ago/2002 a jan/2006 nos Laboratórios de Alta Potência e Alta Corrente. Pesquisador do Cepel de fev/2006 até a presente data, atuando como gerente de laboratório, desenvolvendo técnicas de medição, elaboração de procedimentos e relatórios técnicos e de ensaios, bem como supervisionando e coordenando as equipes de ensaios em equipamentos do setor elétrico. Com mais de 15 anos de atuação relacionados a técnicas de ensaios em alta corrente e com diversos trabalhos publicados na área, sendo um deles premiado como o melhor trabalho pelo Comitê de Estudos A3 (equipamentos de Alta Tensão) do Cigre, no XIV Eriac (Encontro Regional Ibero-americano do Cigre), em 2011. Contato: fasilva@cepel.br

*2 Marcelo Guimarães Rodrigues possui graduação em Engenharia Elétrica com Ênfase em Sistema de Potência pela Universidade Federal Fluminense (1994), mestrado em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (1997), doutorado em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (2004) e MBA Executivo em Liderança e Gestão de Empresas Estatais (2013) pelo ICPD (Instituto CEUB de Pesquisa e Desenvolvimento). É pesquisador do Centro de Pesquisas de Energia Elétrica – Cepel desde maio de 2002, onde atua como responsável pelo Laboratório de Alta Potência e gerenciou o projeto P&D Modelagem de Arco Elétrico para Estudos de Religamento Monofásico – Parte Experimental. Participou, na Coppe/UFRJ, do projeto do sistema de proteção contra descargas atmosféricas do Sistema de Vigilância da Amazônia. É representante do Cepel no STLNA (Short-Circuit Testing Liaison of America) e tem publicações em eventos técnicos e revistas nacionais e internacionais. Contato: mrodrig@cepel.br