Alumínio versus cobre em projetos de painéis elétricos

Edição 96 – Janeiro de 2014
Dicas de Instalação
Por Sérgio Feitoza Costa e Marlon de Campos*

Os requisitos mais onerosos a serem atendidos nos projetos de painéis elétricos e dutos elétricos são:

•  As temperaturas não ultrapassar em operação normal para evitar o envelhecimento precoce;
•  A capacidade de suportar as sobrepressões causadas pelo arco interno;
• Suportar as forças eletrodinâmicas de curto-circuito agindo nos isoladores e condutores.

A título de exemplo, as forças eletrodinâmicas dependem das distâncias entre fases (D1 na Figura1) e entre os suportes dos isoladores (D2). Com D2 menor, o sistema torna-se mecanicamente mais forte, porém, mais oneroso devido aos maiores gastos com isoladores e montagens. Um barramento com maior seção reta é mais resistente, mas gasta mais cobre ou alumínio. O desafio do projetista é encontrar o ponto ideal considerando o objetivo a ser atingido (mais barato, mais seguro, etc.).

O objetivo deste artigo é comparar aplicações de cobre e de alumínio em painéis e barramentos e mostrar que as simulações de ensaios são úteis para obter produtos usando menos alumínio, cobre e isoladores. Um caso teste é apresentado. O dimensional do painel (Figuras 1 e 2) foi escolhido para representar um produto de tamanho reduzido permitindo avaliar em pequeno laboratório se os resultados das simulações são confiáveis. O tamanho reduzido torna mais severos os aspectos de elevação de temperatura, forças eletrodinâmicas e sobrepressões de arco interno. No caso teste é apresentada uma solução utilizando perfil de alumínio IWBC. Esta solução é comparada com soluções convencionais.

 

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No Anexo 2 do artigo, disponível em http://www.cognitor.com.br/DesignOptimization.pdf, são apresentados os resultados de testes de laboratório para validação das simulações que foram aqui utilizadas. Os cálculos foram feitos com o software SwitchgearDesign_307, conforme apresentado em http://www.cognitor.com.br/InfoSoftPT.pdf.

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Estudo de caso para painel elétrico de baixa tensão

 

O objetivo é encontrar o melhor compromisso técnico-econômico, passando nos ensaios, para o projeto de um painel elétrico de corrente nominal de 630 A, 85 kA de curto-circuito e capacidade de arco interno de, pelo menos, 65 kA durante 0,3 s, considerando o seguinte:

–       O menor número possível de isoladores no barramento (forças eletrodinâmicas);

–       Tipo do perfil do barramento (ensaio de elevação de temperatura e forças eletrodinâmicas);

–       Usar ou não ventilação com área determinada (ensaio de elevação de temperatura);

–       A área de alívio de pressão e do volume interno líquido (ensaio de arco interno);

• A espessura da chaparia do invólucro (suportabilidade de sobrepressões e burn through);

–       Não importa se o barramento é feito de cobre ou de alumínio.

 

Os custos utilizados na comparação econômica estão na Tabela 1. São ordens de grandeza dos valores. Para criar algumas restrições de projeto, comuns no dia a dia, foram considerados:

•  Invólucro com dimensões 1400 x 700 x 220 mm;
•  As dimensões alternativas de barramentos mostradas na Tabela 3;
•  A distância fase-fase deve permanecer entre 40 mm e 60 mm;
•  Elevação de temperatura: o valor máximo em qualquer ponto é 65 K. Há potência dissipada de 150 W adicional à potência dissipada pela circulação de corrente nos barramentos e disjuntores. O disjuntor tem resistência de 20 µ? por fase vista dos terminais.
•  Forças eletrodinâmicas de curto-circuito: a tensão mecânica máxima aceitável é Q x σ 0.2 usado no método das normas IEC 61117 e IEC 60865-1. Os valores usados para σ _0.2 serão 250 N/mm² (cobre) ou 120 N/mm² (alumínio).
• Sobrepressão do arco interno: o invólucro é feito de uma chapa de aço com espessura definida e a construção é tal que a sobrepressão máxima aceitável, sem falhar no ensaio, é de 100% (1,0 bar) acima da pressão atmosférica. Os critérios de ensaio são os do documento IEC/TR 61641 (2008).

Figura 1 – O caso teste de painel elétrico com invólucro com 1.400 x 700 x 220 mm.

Figura 2 – Configuração para testes de elevação de temperatura (maior fonte de calor é o disjuntor) e de curto-circuito (menor distância fase-fase = maior força).

Tabela 1 – Ordem de grandeza de custos utilizados para a comparação econômica

Estratégias para reduzir falhas nos testes sem sobredimensionamento

Comparamos quanto custaria o equipamento para atender aos limites usuais de suportabilidade para aquele ensaio e quanto custaria se projetado com 25% de margem de segurança (Tabela 2).

 

Tabela 2 – Limites de suportabilidade e estratégias para reduzir a possibilidade de falhas em ensaios

Otimizando o projeto para ensaio de elevação de temperatura

Foi simulado ensaio de elevação de temperatura encontrando-se o valor da corrente que produz elevação de temperatura de 65 K e também 75% de 65 K (~50 K) no ponto mais quente (conexão do disjuntor com o barramento). Os valores estão na Tabela 3. Considerou-se como projeto ideal aquele com menor custo por potência transmitida (TP = 1,732* tensão nominal fase-fase * corrente).

Tabela 3 – Alternativas de projeto versus custos para elevação de temperatura no ponto quente 65 K (sem margem de segurança) ou 50 K (com margem). Resistência do disjuntor 2

0 µ? mais 150 W. Área de ventilação = nenhuma ou 100 cm²

Nota 1 – Pintado ou utilizando cobertura termorretrátil.
Nota 2 – Sem ventilação = selado ****** Vent + sem vent. = abertura de ventilação 100 cm² sem filtro e sem ventilação forçada ******* Vent + ventilador = abertura de ventilação 100 cm² com filtro e um ventilação forçada por meio de um exaustor.
Nota 3 – barra 1 x 50 x 10 mm cobre – Corrente nominal para 35 K = 852 A.
Nota 4 – barra 2 x 80 x 5 mm alumínio – Corrente nominal para 35 K = 1.150 A.

Figura 3 – Comparação de custos / potência transmitida (USD kVA) (elevação de temperatura).

Otimizando para ensaio de corrente de curto-circuito (forças eletrodinâmicas)

O objetivo foi encontrar a maior distância possível entre os suportes da barra vertical, sem passar a tensão mecânica aceitável (q x σ _0.2 in IEC 60865). Foram simuladas as alternativas apresentados na Tabela 4.

 

Tabela 4 – Alternativas de projeto / Custos para forças eletrodinâmicas (65 kA rms x 143 kAcr).

Solução para o ensaio de arco interno

O objetivo de projeto será manter a “integral da curva de sobrepressão” abaixo de 20 e pico de pressão abaixo de 2,2 bar para uma corrente de 65 kA durante 0,3 s. Iremos considerar a área do dispositivo de alívio de pressão como 90% da face superior (630 x 200 mm). Diferentes distâncias entre centros das fases foram utilizados para mostrar o impacto da corrente de arco e sobrepressão. Ver resultados na Tabela 5.

Tabela 5 – Ensaio de arco interno. Área de alívio = 630 x 200 mm – Fator de ocupação = 80%

Conclusões sobre o projeto ideal

Dependendo dos custos atribuídos a cada componente do painel elétrico como materiais, mão de obra, montagem e os objetivos a alcançar (segurança, custo mínimo de fabricação, durabilidade) diferentes estratégias de projeto podem ser seguidas para chegar ao projeto ideal. Se, no nosso caso de teste, olharmos apenas para o parâmetro “Custo / potência Transmitida (USD / kVA)” conclui-se que há grande potencial para o uso de perfis de barramentos de alumínio mecanicamente mais resistentes (Web Profile ou 2 x U).

Muitos projetistas não entendem bem a diferença entre o uso apenas de alumínio (alumínio com conexões de alumínio) e conexões de alumínio + cobre. Apenas a última pode ter um envelhecimento prematuro e não a primeira. Assim, o uso do alumínio para painéis elétricos tem um potencial que não se reflete no mercado comercial. Aqui está uma boa oportunidade para os pequenos e médios fabricantes.

 

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Sem o uso de simulações deste trabalho não poderia ser feito devido ao número de testes de laboratório, que seriam necessárias e os custos associados. Os autores enfatizam a necessidade de uma nova norma IEC criando regras básicas para o uso de simulações para extrapolar os resultados dos testes de laboratório ou mesmo para substituir alguns testes.

Um projeto de proposta completa está disponível desde 2010 no link: http://www.cognitor.com.br/GUIDE_Simulations_v0_October2010.pdf

 

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*Sergio Feitoza Costa é engenheiro eletricista, com mestrado em sistemas de potência. É diretor da Cognitor, Consultoria, P&D e Treinamento.

Marlon Campos é engenheiro eletricista e atua como gerente técnico na Macro Painel.