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Testes de Qualificação de Alta Corrente
de um Sistema de Detecção de Arco Voltaico
Bob Hughes, Veselin Skendzic, Dhruba Das e Joshua Carver, Schweitzer Engineering Laboratories, Inc.
Sumário—Os sistemas de detecção de arco voltaico (“arc-flash
detection” – AFD) fornecem um meio para redução da energia do
arco voltaico baseado no custo benefício ao possibilitar a
abertura rápida após o início de um evento com arco voltaico.
Para demonstrar que um sistema AFD vai operar corretamente
sob condições reais de arco voltaico, é necessária uma
metodologia de testes de qualificação. Os testes com sinais de
nível baixo (bancada) propiciam um ponto de partida econômico
e seguro para testar a operação correta de um sistema AFD.
Contudo, os testes com sinais de nível baixo não comprovam se o
sistema vai operar durante condições reais de faltas com arco
voltaico. Os testes de qualificação completos exigem que
condições reais de faltas com arco sejam criadas usando uma
corrente de falta, tensões do sistema e espaçamentos entre
condutores que sejam comparáveis ao ambiente de operação
esperado de um sistema AFD.
Testes de qualificação de um novo sistema AFD foram
executados em um laboratório de testes de alta corrente. Este
programa de testes demonstrou a confiabilidade e a velocidade
de abertura do sistema AFD para várias combinações da
corrente de falta, tensão do sistema, espaçamento entre
condutores e localização dos sensores do AFD. Os resultados dos
testes mostram o desempenho do sistema quando os sensores do
AFD são totalmente envolvidos pela explosão do arco, bem como
o desempenho do sistema quando uma autodiagnose é efetuada
durante um evento com arco voltaico. Este artigo fornece os
métodos de teste e os resultados dos testes de qualificação de alta
corrente do sistema AFD, demonstrando assim que o sistema
fornece AFD e abertura dentro das condições de operação
especificadas.
I. INTRODUÇÃO
Este artigo demonstra a redução dos riscos do arco voltaico
obtida pela utilização da função de detecção de arco voltaico
(“arc-flash detection” – AFD) de um relé de proteção. O nível
de risco de um arco voltaico é calculado usando um modelo
matemático da IEEE 1584-2002 [1]. Conforme descrito por
Mark Zeller e Gary Scheer em [2], a energia de alto risco
produzida por um evento com arco voltaico é proporcional à
tensão, corrente e duração do evento (V • I • t). Um relé de
proteção pode afetar diretamente a duração do evento,
resultando numa redução proporcional da energia do arco
voltaico. A referência [2] mostra que esta redução na energia
do arco voltaico é significativa.
II. EFEITOS DOS TEMPOS DE OPERAÇÃO DO RELÉ DE
PROTEÇÃO NA ENERGIA INCIDENTE
Um sistema usado como exemplo ilustra o efeito dos
tempos de operação do relé de proteção na energia incidente.
Este sistema está mostrado na Fig. 1.
O sistema de 60 Hz é solidamente aterrado e inclui um
cubículo “metal-clad” trifásico especificado para 4.160 V
(fase-fase) com espaçamento entre os condutores de 70 mm. A
distância de trabalho típica é 910 mm. A corrente de falta
sólida é fornecida como 36,000 A.
Barra de
4.16 kV
Ibf = 36 kA
Cubículo
Metal-Clad
Carga
Fig. 1. Sistema usado como exemplo.
A. Determine as Correntes da Falta com Arco
De acordo com [1], a impedância do arco reduz a corrente
da falta com arco para um valor menor do que o da corrente da
falta sólida. Para sistemas de média tensão, a corrente da falta
com arco é calculada como uma função da corrente da falta
sólida.
log Ia = 0.00402 + 0.983 log Ibf
log Ia = 0.00402 + 0.983 log(36) = 1.534
Ia = 10
1.534
(1)
= 34.2 kA
onde:
Ibf é a corrente da falta sólida (kA).
Ia é a corrente do arco (kA).
B. Determine a Duração do Arco
A duração do arco é determinada como o tempo necessário
para detectar o arco e interromper a corrente do arco. Para
disjuntores operados por relés de proteção, esta duração é a
soma dos dois tempos de operação seguintes:
• O tempo gasto para que o relé de proteção detecte a
condição de arco voltaico e, em seguida, para operar o
circuito de saída de trip. Para os propósitos deste
artigo, o tempo de trip do relé de proteção é definido
desde o início da corrente da falta com arco até o
2
instante que o circuito de saída de trip conduz
corrente.
• O instante em que o circuito de trip do disjuntor é
energizado pelo relé até o instante em que o disjuntor
interrompe a corrente da falta com arco. Para os
disjuntores com tecnologias modernas, a corrente da
falta com arco é normalmente interrompida no
cruzamento pelo zero da forma de onda AC. Este
tempo está tipicamente na faixa de 2 a 5 ciclos.
Para um relé de proteção operando com base num elemento
de sobrecorrente de tempo-inverso, o tempo de operação é
determinado pela combinação da magnitude da corrente da
falta com arco e da característica da curva de sobrecorrente de
tempo-inverso.
O tempo gasto pelo disjuntor para detectar o sinal de trip e
interromper a corrente do arco é normalmente especificado
pelo fabricante. É frequentemente fornecido em unidades de
ciclos AC e precisa ser convertido para segundos para ser
usado na equação da energia incidente.
Conforme observado anteriormente, os disjuntores
normalmente interrompem a corrente de falta em um
cruzamento pelo zero. Isso tem uma importante ramificação
na relação entre a detecção da falta com arco pelo relé de
proteção e o tempo de interrupção da corrente do disjuntor. Se
o tempo de operação do relé de proteção for reduzido
incrementalmente, não há alteração na duração global da falta
com arco até que o tempo de operação do relé de proteção seja
reduzido o suficiente para permitir que o disjuntor interrompa
a corrente numa passagem pelo zero anterior àquela que teria
ocorrido de outra forma. Para um sistema de 60 Hz, os
cruzamentos pelo zero são separados em 1/120 s. Num sistema
polifásico, cruzamentos pelo zero sucessivos das três fases vão
ocorrer a cada 1/360 s ou 2.8 ms. Logo, uma melhoria de 1 ms
no tempo de operação do relé de proteção não vai encurtar a
duração da falta com arco a não ser que isto seja exatamente o
necessário para permitir que o disjuntor interrompa a corrente
um cruzamento pelo zero anterior. De forma contrária, para
uma falta trifásica, uma melhoria de 2.8 ms garantirá
virtualmente que a duração da falta com arco seja reduzida por
um cruzamento pelo zero. Considerando a intensidade da
energia liberada durante o evento de uma falta com arco
voltaico, é fácil entender porque é desejável minimizar o
tempo de detecção do relé de proteção. A redução do tempo de
operação do disjuntor é muito mais difícil e pode ser bem cara,
levando a soluções alternativas como os desviadores de arco
(chaves curto-circuitadoras rápidas).
1) Exemplo Usando Proteção de Sobrecorrente
Temporizada
Usando as curvas de sobrecorrente temporizadas do relé,
assumimos que o tempo de operação do relé é 41 ciclos. O
tempo de operação do disjuntor é fornecido pelo fabricante
como 5 ciclos. O tempo total para eliminar a falta com arco é:
41 cycles + 5 cycles = 46 cycles
46 cycles •
1s
= 0.77 s
60 cycles
(2)
2) Exemplo Usando AFD
Neste exemplo, é assumido que o relé de proteção é capaz
de distinguir uma falta com arco voltaico dentro do cubículo
de uma falta externa fora do cubículo. No caso de uma falta
com arco, o relé vai operar em 4 ms ou menos. O tempo total
para eliminar a falta com arco é:
60 cycles
(3)
+ 5 cycles = 5.24 cycles
1s
Conforme declarado anteriormente, um disjuntor típico
pode somente interromper a corrente no cruzamento pelo zero.
Para determinar a duração exata da falta com arco voltaico,
precisamos conhecer o “point-on-wave” inicial para o evento
com arco voltaico. Para este exemplo, assumimos que a falta
começa no cruzamento pelo zero. Arredondamos 5.24 ciclos
até o próximo cruzamento pelo zero, que é 5.5 ciclos.
Convertendo para segundos, temos 0.092 s.
Este exemplo ilustra que pequenas variações no tempo de
AFD não altera necessariamente a duração da falta com arco.
4 ms •
C. Determine a Energia Incidente
Usando o modelo da IEEE 1584-2002 para calcular os
riscos de arco voltaico [1], a energia incidente é calculada em
duas etapas. Primeiro, a energia incidente normalizada é
calculada para um tempo de arco de 0.2 s e uma distância de
610 mm. Segundo, a energia incidente normalizada é
convertida para a energia incidente real efetuando-se o ajuste
para a tensão do sistema, tempo do arco e distância do ponto
do arco até o indivíduo.
Calcule a energia incidente normalizada:
log E n = K1 + K 2 + 1.081 log Ia + 0.0011 G
log E n = –0.555 – 0.113 + 1.081 log(34.2) + 0.0011• 70 = 1.067 (4)
E n = 101.067 = 11.67(J/cm 2 )
onde:
En é a energia incidente (J/cm2) normalizada.
K1 é –0.555 para configurações em caixas.
K2 é –0.113 para sistemas aterrados.
G é o espaçamento entre os condutores (mm).
Calcule a energia incidente real em cal/cm2 para a proteção
de sobrecorrente temporizada:
x
 t   610
E = Cf E n 
 x

 0.2   D



0.973

 0.77   610
2
E = 1•11.67 


0.973 

 = 30.44(cal/cm )
 0.2   910

onde:
E á a energia incidente (cal/cm2).
Cf é 1.0 para tensões acima de 1 kV.
t é o tempo do arco (s).
D é a distância do arco até o indivíduo (mm).
x é o expoente da distância de [1].
(5)
3
Calcule a energia incidente real em cal/cm2 para a detecção
de arco voltaico:
 0.092   610
E = 1•11.67 

0.973
 0.2   910

2
(6)
 = 3.64(cal/cm )

A redução na energia incidente de 30.44 para 3.64 cal/cm2
é significativa. O nível 30.44 corresponde ao risco de arco
voltaico Categoria 4 da norma NFPA 70E (NFPA – “National
Fire Prevention Association”) [3]. A especificação mínima
para equipamentos de proteção pessoal (“personal protective
equipment” – PPE) para indivíduos trabalhando neste cubículo
é de 40 cal/cm2. A classificação PPE Categoria 4 pode
representar equipamentos muito volumosos, dificultando o
trabalho.
De forma contrária, 3.64 cal/cm2 corresponde ao risco de
arco voltaico Categoria 1 da NFPA. A classificação PPE
Categoria 1 é bem mais leve e muito mais fácil de ser usada
no trabalho.
0.973
III. PRINCÍPIO DE OPERAÇÃO DO AFD
A. Luz Produzida por um Arco Voltaico
Um evento com arco voltaico produz um flash de luz muito
brilhante que pode ser usada para distinguir um arco voltaico
de uma falta externa. A medição da intensidade de luz típica
efetuada em nosso programa de teste mostrou que a
intensidade da luz do arco voltaico variava de 108,000 lux,
medida a 3 metros de distância da fonte do arco voltaico, até
mais de 249,900 lux. A leitura de fundo de escala de nosso
medidor de luz ia apenas até 249,900 lux. Vários dos eventos
com arco voltaico produziram medições da luz “fora-daescala”. Para efeito de comparação, a luz solar direta de um
dia ensolarado é de aproximadamente 100,000 lux. A
iluminação de um escritório claro produz somente 500 lux.
Logo, a intensidade da luz do arco voltaico é algumas ordens
de magnitude maior do que a luz ambiente disponível dentro
do cubículo. O arco voltaico produz um sinal de luz de
magnitude extremamente elevada que pode ser usado como
parte da determinação de que está ocorrendo um evento com
arco voltaico. O espectro de luz (cor) varia em função dos
materiais envolvidos no arco mas não pode, em geral, ser
diferenciado da luz solar direta.
B. Sobrecorrente Produzida por um Arco Voltaico
A luz proveniente de um arco voltaico é clara o suficiente
para fornecer um sinal confiável para um trip por arco
voltaico. Infelizmente, o trip por arco voltaico baseado na luz
não é seguro. Outras fontes de luz podem ser introduzidas no
cubículo com claridade suficiente para imitar um evento com
arco voltaico. Essas fontes incluem o flash de uma câmera,
lanterna de LED (“light-emitting diode”), caneta a laser
(“laser pointer”), e luz solar direta incidindo sobre um sensor.
Alguns exemplos dos valores da intensidade de fontes de luz
estão relacionados na Tabela I. Se projetadas diretamente
sobre a face do sensor, cada uma dessas fontes fornece luz
suficiente para ativar um sensor de luz do arco voltaico.
TABELA I
INTENSIDADE DAS FONTES DE LUZ
Fonte
Lux a 457 mm (18 in)
Flash de câmeras
234,000
Luz solar direta (a qualquer
distância)
100,000
Lanterna de LED AA de alta
intensidade
28,000
Lanterna de LED AA comum
4,560
Embora essas fontes não estejam geralmente presentes no
ambiente dos cubículos, não é razoável excluir todas as
possíveis fontes de luz de alta intensidade ao longo da vida do
cubículo. Para evitar que uma dessas fontes externas de luz
cause uma operação incorreta, os sistemas de proteção contra
arco voltaico baseados na luz são frequentemente
supervisionados por um elemento de sobrecorrente
instantâneo. Uma vez estabelecida, uma falta com arco
fornece uma carga não linear de baixa impedância que vai
absorver 60 a 100% da corrente de falta sólida disponível.
Este sinal de corrente relativamente elevado pode ser usado
para supervisionar com segurança o elemento baseado na luz
do arco voltaico.
No evento de uma condição de sobrecorrente sem o evento
do flash de luz, o relé não vai executar um trip por arco
voltaico. Ao invés disso, serão usados os elementos da
proteção de sobrecorrente convencional (ex., sobrecorrente de
tempo-inverso). Isso permite que o relé forneça ambas as
proteções de sobrecorrente convencional baseada na
coordenação de tempo e proteção rápida contra arco voltaico.
C. Os Sensores São Ativados Antes de Serem Danificados
Os sensores de luz do arco voltaico são expostos a
condições ambientais agressivas e podem frequentemente
estar localizados em áreas bem próximas da falta. Uma vez
que o evento com arco voltaico pode ocorrer em qualquer
ponto dentro do compartimento protegido, é quase garantido
que o sensor de luz seja exposto ao plasma do arco, partículas
ejetadas, alta temperatura, pressão, choque mecânico e
radiação infravermelha intensa. Dependendo do nível de
tensão e da distância do sensor até a falta, é até possível que o
sensor seja totalmente envolvido pelo arco, ficando exposto
aos campos magnéticos e elétricos de alta intensidade.
Adicionalmente, as informações dos sensores de arco
voltaico precisam ser transmitidas para um dispositivo de
proteção remoto e, finalmente, para o disjuntor capaz de
eliminar a falta.
Considerando a natureza crítica da função do sensor de luz
e a gravidade do ambiente de operação, é fácil perceber que os
sistemas de comunicação metálicos (baseados em fios) e o uso
de componentes eletrônicos ativos devem ser evitados em
favor de uma tecnologia simples baseada em sensores
passivos, tal como os sensores de luz baseados em fibra
óptica.
Os sensores usados nos testes foram construídos usando
fibras ópticas padrão industrial. Eles foram disponibilizados
em duas variantes: o loop de fibra óptica (fibra óptica
4
descoberta) e o sensor pontual de fibra óptica, que está
mostrado na Fig. 2. Os sensores do loop de fibra óptica são
otimizados para proteção de recursos de grande porte e
distribuídos, tais como barramentos de baixa e média tensão,
que podem envolver múltiplos compartimentos do cubículo. O
comprimento do loop (tipicamente de 1 a 50 m) pode ser
customizado para atender à aplicação. Os sensores pontuais
são otimizados para proteção de compartimentos individuais,
oferecendo localização precisa do evento de arco voltaico. Os
sensores podem estar localizados remotamente (longe do relé),
com o comprimento máximo da fibra atingindo 35 m.
Fig. 2. Sensor pontual de fibra óptica usado no teste.
A medição real da intensidade de luz é efetuada pelos
fotossensores localizados dentro do invólucro do relé. Os
materiais do sensor pontual, do loop e do cabo de fibra óptica
são especificados para suportar a mesma temperatura
ambiente de –40° a +85°C do relé de proteção. Contudo,
durante um evento com arco voltaico, as temperaturas no
plasma, ou perto do plasma, do arco voltaico são estimadas em
aproximadamente 16,000°C, bem fora da faixa de operação
normal.
Baseando-se numa investigação inicial, era esperado que
essas temperaturas extremas fossem danificar ou destruir os
sensores ópticos. Entretanto, a simplicidade e a robustez do
projeto dos sensores nos levaram a acreditar que eles
conduziriam um sinal de luz para o relé (executando sua
função) antes de serem danificados pelas temperaturas
extremas. Isso se baseia no raciocínio de que a luz trafega
mais rápido quando comparada ao tempo necessário para que
altas temperaturas sejam atingidas. Esta abordagem é ajudada
pela operação extremamente rápida do relé, com a decisão de
trip do relé sendo tomada dentro de 2 ms a partir do evento do
flash inicial. Uma vez que a decisão de trip tenha sido tomada,
uma operação adicional dos sensores se torna irrelevante. Um
dos objetivos dos testes foi validar essas suposições.
D. Autodiagnose dos Sensores de Luz
A integridade óptica e mecânica dos sensores de arco
voltaico é automática e periodicamente testada através do teste
de “loopback”. Um LED acopla a luz de teste em uma das
duas fibras ópticas do sensor de arco voltaico. Para um sensor
tipo loop, esta luz trafega através do cabo de fibra óptica de
volta para o sensor óptico do relé. Para um sensor pontual, a
luz trafega através do cabo de fibra óptica para a cúpula
translúcida do sensor pontual. A luz é espalhada pelas
propriedades ópticas da cúpula. Uma porção da luz espalhada
é acoplada ao cabo de fibra óptica adjacente e retorna para o
sensor óptico do relé. Para qualquer tipo de sensor, a luz
detectada durante a autodiagnose é comparada com valores
limites superior e inferior, verificando assim a integridade dos
componentes eletrônicos dos sensores de luz e medindo a
atenuação do caminho da fibra óptica. Um resultado da
autodiagnose que esteja fora dos limites do teste resulta em
um alarme de alerta, indicando que o sensor pode estar com
defeito, desconectado ou danificado.
A função da autodiagnose é extremamente importante,
considerando a natureza crítica da função da proteção contra
arco voltaico. Ela habilita a instalação fácil e amigável,
garantindo, ao mesmo tempo, que todos os componentes do
sistema estejam intactos e prontos para funcionar a qualquer
momento. Cortes, dobras e raspaduras na fibra óptica são
facilmente detectados e reportados para o operador. O sistema
também inclui uma função de medição da intensidade da luz
ambiente, a qual é usada para ajudar a definir o limite de
intensidade da luz, e uma função de oscilografia da luz, usada
para ajudar na análise de qualquer evento de trip.
Na operação diária, é bem possível que um evento com
arco voltaico possa ocorrer durante uma autodiagnose
periódica do sensor de arco voltaico. Esta possibilidade requer
que um dispositivo de proteção seja capaz de distinguir entre a
luz produzida por um arco voltaico e a luz produzida pela
autodiagnose. Um dos objetivos dos testes foi provar que a
autodiagnose não vai interferir no AFD.
IV. MÉTODO DE TESTE
Para os equipamentos do sistema elétrico de potência, é
normal haver testes de desempenho baseados em normas
industriais para uma operação correta do dispositivo. Por
exemplo, os medidores de eletricidade de alta precisão são
testados de acordo com as normas ANSI C12.20 e IEC 6205322. Os relés de proteção são testados de acordo com as séries
de normas IEEE C37.90 e IEC 60255. Infelizmente, não há
atualmente normas industriais para testes do desempenho de
um relé AFD. Como resultado, tivemos que desenvolver nosso
próprio método de teste.
A. Testes de Bancada e Limitações
Os testes iniciais foram executados na bancada de
engenharia usando sinais luminosos de nível baixo.
Desenvolvemos uma fonte de luz de nível baixo para testar a
capacidade de detecção de luz do relé. Além disso, projetamos
um dispositivo para calibração da intensidade da luz, com
capacidade de medir padrões de sensibilidade tridimensional.
Um dispositivo “testador de arco voltaico” especializado
(“arc-flash tester” – AFT) foi desenvolvido para fornecer um
flash de luz LED branca de alta intensidade, o qual pode ser
coordenado no tempo com um evento de sobrecorrente,
conforme mostrado na Fig. 3. O AFT é usado em combinação
com uma fonte de corrente externa para fornecer
simultaneamente um flash de luz e sobrecorrente para o relé
de proteção.
5
determinar a sensibilidade à localização do sensor no ambiente
real de um cubículo.
Fonte de Corrente
Corrente para o Relé
Relé de Proteção
Testador de Arco
Voltaico
2) Questões Relativas aos Ambientes Agressivos
Conforme descrito anteriormente, um sensor de arco
voltaico tem que ter capacidade para operar na presença de um
plasma extremamente quente gerado pelo arco voltaico. Além
disso, um arco voltaico produz uma onda de choque, depósitos
de vapores metálicos e fumaça. Um dos objetivos dos testes
foi determinar se o sensor de luz de fibra óptica funcionaria
corretamente neste ambiente, assim como verificar se o sensor
sofreu algum dano significativo após a luz do arco voltaico ter
sido detectada pelo relé.
V. DESENVOLVIMENTO DO MÉTODO DE TESTE
LED de Alta Potência
Fig. 3.
Sensor de Luz
O AFT fornece corrente e luz sincronizadas.
Os testes de bancada usando o AFT forneceram um método
prático, seguro e econômico para testar as funções do AFD
durante o desenvolvimento do produto. Contudo, o AFT não
pode simular totalmente o evento real com arco voltaico. Por
exemplo, o LED branco foi acionado por uma fonte de
corrente DC regulada. De forma contrária, a luz do arco
voltaico é gerada pela corrente AC da falta com arco. As
formas de onda da intensidade da luz para estas duas fontes
são bastante diferentes (em várias ordens de magnitude).
Além disso, o desenvolvimento do AFT exigiu que
fizéssemos algumas suposições sobre a cronometragem dos
tempos (relativos à forma de onda da corrente) e a intensidade
da luz do arco voltaico. Essas suposições precisaram ser
verificadas em um ambiente real de arco voltaico.
B. Necessidades para os Testes de Alta Corrente
Além das questões referentes à cronometragem dos tempos
e fonte de luz descritas acima, existem diversas outras
características de um ambiente de operação do arco voltaico
que requerem testar o relé na presença de um evento real com
arco voltaico.
1) Intensidade da Luz e Instalação dos Sensores
A intensidade real da luz de um arco voltaico é descrita na
literatura em termos gerais. Essas informações não são
suficientemente específicas para determinar os requisitos para
a instalação dos sensores de arco voltaico como uma função
da magnitude da corrente do arco, espaçamento entre
condutores e tensão do sistema. Um dos objetivos dos testes
de alta corrente foi determinar os requisitos para a instalação
dos sensores ópticos, incluindo a distância a partir do arco
voltaico e as limitações do comprimento do cabo de fibra
óptica. Para o sensor tipo loop, precisamos adicionalmente
determinar o comprimento mínimo da fibra óptica descoberta
exposta ao arco voltaico.
Em um cubículo real, existem obstruções na linha de visão
entre as localizações possíveis dos sensores e as localizações
das fontes de arco voltaico. Um dos objetivos dos testes foi
A. “Arcos em uma Caixa”
Nossa configuração básica para os testes for criada
adaptando-se a seção “Programa de Testes de Laboratório” da
norma IEEE 1584-2002 à nossa aplicação particular.
Tipicamente, os sistemas AFD são usados dentro dos
cubículos “metal-clad” e “metal-enclosed”. Consequentemente, usamos o procedimento “arcos em uma caixa
com eletrodos paralelos” da IEEE 1584-2002 Test Setup C em
uma caixa de testes metálica de cinco lados, 762 mm x
762 mm x 1,143 mm (30 in x 30 in x 45 in), conforme
mostrado na Fig.4.
Proveniente da Fonte
de Alta Corrente
Sensor de
Fibra Óptica
Descoberta
Isolador
Fibra
Óptica
Revestida
Sensor
Pontual
Fio
Fusível
Eletrodos de
Cobre
Fibra Óptica
Revestida
Caixa de Teste Metálica
762 mm x 762 mm x 1,143 mm
(30" x 30" x 45")
Para o
Relé
Para o
Relé
Fig. 4. Caixa de teste de arco voltaico.
A caixa de testes é equipada com até três eletrodos de
cobre de 6.35 mm (0.75 in) que entram na caixa pelo painel
superior de 762 mm x 762 mm (30 in x 30 in). O espaçamento
6
e o número de eletrodos podem ser ajustados para atender às
diversas configurações de baixa e média tensão.
B. Cenários dos Testes
O laboratório de testes de alta corrente forneceu vários
níveis de tensões e correntes de falta com arco para simular os
cenários de teste, conforme resumido na Tabela II.
TABELA II
SUMÁRIO DOS CENÁRIOS DE TESTE *
*
Classe de
Tensão
600 V
2,400 V
15 kV
Configuração
Trifásica
Fase-fase
Fase-fase
Espaçamento
(mm/in)
25.4/1
70/2.75
203/8
Tensão inicial
600
2,400
3,000
Corrente de
falta (kA)
2, 5, 15, 22
1, 4, 17, 35
0.8, 1.4, 5
Todos os testes foram executados a 60 Hz.
Devido às limitações da estação de testes, as faltas
trifásicas foram efetuadas apenas no nível de baixa tensão.
Para os testes de média tensão, somente foram efetuados testes
fase-fase. Isso é razoável, uma vez que as faltas com arco têm
probabilidade de iniciar como uma falta fase-fase ou fase-terra
e, em seguida, evoluir para uma falta trifásica. Nos testes de
um sistema AFD, estamos mais interessados em determinar a
rapidez com que a falta com arco fase-fase inicial pode ser
detectada.
C. Tensão da Falta com Arco
Outra limitação da estação de testes consiste na capacidade
de fornecer 15 kV para correntes de faltas elevadas. Isto não
teve impacto em nosso teste porque em uma falta com arco
real, uma vez que o arco tenha iniciado, a tensão nos eletrodos
é apenas uma fração da tensão de circuito aberto.
Como exemplo, para um espaçamento entre condutores de
152 mm (6 in), a tensão de arco é uma forma de onda não
senoidal com uma magnitude de apenas 250 V rms, conforme
mostrado na Fig. 5 (registrada durante um dos testes).
Fig. 5. Corrente e tensão da falta com arco.
A Fig. 5 demonstra a característica de carga não linear de
uma falta com arco. Uma vez estabelecido, o arco vai conduzir
tanta corrente de falta quanto estiver disponível na pequena
tensão de arco. A tensão aplicada inicialmente tem muito
pouca relação com a energia incidente e tensão da falta com
arco resultante. Isso pode ser visto matematicamente nas
fórmulas (4) e (5) da energia incidente da norma IEEE 1584-
2002. A tensão não tem efeito na En. Para E, a tensão apenas
afeta o fator de cálculo Cf. Como resultado, nossos testes da
classe de tensão 15 kV foram executados com um
espaçamento dos eletrodos de 203 mm (8 in), correspondendo
ao espaçamento grande encontrado no cubículo de 15 kV. A
tensão inicial aplicada foi somente 3,000 V porque o
laboratório de alta corrente não pôde fornecer correntes de
faltas elevadas para 15 kV.
D. Relés Sob Teste
Três relés de proteção de alimentadores foram usados
como os equipamentos a serem testados. Os relés foram
colocados junto à caixa de teste, protegendo-os da explosão
direta do arco voltaico. Cada relé foi equipado com quatro
sensores de arco voltaico. Isso forneceu 12 resultados do
desempenho dos sensores para cada teste de arco voltaico. O
tipo de sensor, pontual ou loop, e os comprimentos dos cabos
de fibra óptica foram variados para os testes.
E. Instalação dos Sensores Ópticos
Os sensores pontuais e de fibra óptica descoberta foram
instalados dentro da caixa de teste. Esses sensores estavam a
0.5 m de distância dos eletrodos. Precisamos também testar o
desempenho dos sensores em diferentes distâncias dos
eletrodos, especificamente para 1, 2 e 3 m. Essas distâncias
exigiram a utilização de stands de teste externos para instalar
os sensores pontuais e os sensores de fibra óptica descoberta.
F. Instrumentação do Laboratório
Três transformadores de corrente (TCs) de 2000:5 foram
instalados na barra de alimentação e conectados em série com
os três relés. TCs separados foram conectados ao registrador
de formas de onda do laboratório (“laboratory waveform
recorder” – LWR). Esses TCs mediram a corrente da falta
com arco de cada eletrodo.
O contato de saída de trip do relé de alta velocidade de
cada relé foi fornecido com uma tensão de 48 Vdc (“wetting
voltage”) e conectado a uma entrada do LWR. O LWR
registrou as correntes de falta e todas as saídas de trip dos três
relés. Isso permitiu ao LWR determinar com precisão o tempo
de operação do arco voltaico de cada relé, conforme medido
desde a aplicação da corrente de falta até a condução de
corrente pelo contato de saída de trip do relé.
O laboratório de teste estava também equipado com uma
câmera de alta velocidade capaz de registrar 2,000 quadros por
segundo (“frames-per-second” – fps). Esta câmera incluía
canais para aquisição de dados de entrada analógicos
instantâneos que registram o valor analógico de cada quadro
do vídeo. Essas entradas analógicas foram usadas para
registrar a corrente de falta e um dos contatos de saída de trip
do relé mostrados na parte superior da Fig. 6. A câmara de
vídeo de alta velocidade forneceu um método independente
para registrar a luz do arco voltaico, permitindo a comparação
com a corrente de falta e desempenho da saída de trip do relé.
7
VI. RESULTADOS DOS TESTES
A. Resultados do Primeiro Teste
O primeiro teste de alta corrente executado foi um teste
trifásico, 600 V, com uma corrente de falta de 2,000 A.
1) Dados do LWR
A forma de onda da corrente de falta e da saída de trip do
Relé 1 estão mostradas na Fig. 8. O tempo de trip desde o
início da corrente para o Relé 1 foi 3.1 ms. Para os Relés 2 e 3,
os tempos foram de 3.7 e 3.6 ms, respectivamente. A operação
dos contatos de saída do relé está mostrada por um traço azul
na parte inferior da figura.
Corrente de Falta Primária
IA
IB
IC
Fig. 6. Quadro do vídeo de alta velocidade mostrando o lado da nuvem
de plasma no instante do trip por arco voltaico, 3.4 ms a partir do início da
corrente de falta.
G. Início da Falta com Arco
Antes de cada teste, uma extensão de cabo 28 AWG
(American Wire Gauge) foi conectada ao redor dos eletrodos
para iniciar a falta com arco assim que a barra fosse
energizada. Isso está mostrado na Fig. 7.
25
30
35
40
45
50
3.1 ms
Saída de Trip do Relé 1
Fig. 8. A captura do LWR do primeiro teste mostra um tempo de trip igual
a 3.1 ms.
Fig. 7. Fio fusível 28 AWG nos eletrodos.
A duração real de cada teste de arco voltaico foi controlada
através do painel de controle do operador do laboratório e
disjuntores a vácuo associados. Para a maioria dos testes, a
duração do arco voltaico foi limitada a 3 ciclos AC, simulando
o tempo de eliminação da falta de um disjuntor de 3 ciclos. A
duração do arco voltaico foi mantida curta para limitar os
danos cumulativos para a caixa de testes e eletrodos. A saída
de trip dos relés sob teste ocorreu sempre no primeiro 0.25
ciclo da falta com arco. Logo, não havia nenhum requisito do
teste para permitir que a falta continuasse por mais tempo.
2) Resultados da Câmera de Alta Velocidade
A análise quadro-a-quadro dos dados da câmera de alta
velocidade mostra que a luz visível do arco voltaico está
atrasada no tempo em relação à aplicação da corrente por uma
média de 1.5 ms (três quadros a 2,000 fps). Isso foi
determinado efetuando-se uma análise passo a passo dos
quadros do vídeo até encontrar o primeiro quadro mostrando a
luz do arco voltaico.
O defasamento entre a aplicação da corrente e o surgimento
da luz é esperado porque a criação da nuvem de plasma requer
uma quantidade finita de tempo. Este defasamento coloca um
limite físico sobre o tempo que leva para um AFD óptico dar
trip. Simplificando, o relé não pode detectar um evento com
arco voltaico até que inicie o flash da luz. A Tabela III mostra
o tempo de trip desde a aplicação da corrente, conforme
medida pelo LWR, e a partir do aparecimento da luz. O tempo
de trip desde o primeiro flash de luz foi calculado subtraindo
1.5 ms do início dos resultados das correntes.
8
TABELA III
SUMÁRIO DOS TEMPOS DE TRIP DO PRIMEIRO TESTE
ilustrado no relatório de captura da forma de onda do relé
mostrado na Fig. 10.
Relé
A Partir da
Aplicação da
Corrente
A Partir do
Surgimento da
Luz
1
3.1
1.6
2
3.7
2.2
3
3.6
2.1
B. Testes Subsequentes
Um total de 20 testes baseados no procedimento “arcos em
uma caixa” foi executado. Esses testes abrangeram todos os
cenários de teste da Tabela II. Para os 20 testes, o tempo
médio de trip (conforme medido desde a aplicação da corrente
de falta até a condução de corrente pelo contato de saída de
trip do relé) foi de 3.7 ms. O tempo médio de trip desde o
início da luz visível é estimado em 2.2 ms. Isso é calculado
subtraindo o atraso de 1.5 ms entre a aplicação da corrente de
falta e o início da luz visível do valor medido de 3.7 ms.
C. Durabilidade dos Sensores
Esperávamos que os sensores ópticos fossem danificados
por um evento com arco voltaico. A expectativa para o uso do
sistema é que os sensores de arco voltaico precisem ser
substituídos após serem expostos a um evento com arco
voltaico. O calor, a fumaça e os depósitos de vapores
metálicos podem causar danos permanentes aos sensores,
afetando ou impedindo que esses sensores detectem um evento
subsequente com arco voltaico.
Os testes mostraram que os sensores realmente são muito
mais resistentes a danos causados por um arco voltaico do que
era previsto. Como parte dos testes de 17 kA e 35 kA, 2,400
V, instalamos um sensor pontual e um sensor do loop de fibra
óptica descoberta bem no meio dos eletrodos, conforme
mostrado na Fig. 9.
Loop e Pontual
Tempo de Trip (ms)
Fig. 10. Os sensores de arco voltaico reportam o evento completo.
A inspeção subsequente do sensor pontual indicou danos à
superfície externa do material do sensor. Isso pode ser
observado através do escurecimento do material branco do
sensor mostrado na fotografia da Fig. 9. Um resultado
inesperado foi que este sensor continuou a operar dentro das
especificações. Reutilizamos o sensor no próximo teste,
colocando-a a 1 m de distância do arco. O sensor danificado
ainda forneceu um sinal de fundo de escala para o relé.
Embora interessante sob o ponto de vista da engenharia, esta
reutilização nunca deve ser tentada na vida real. Todos os
sensores envolvidos em um evento com arco voltaico devem
ser substituídos, independentemente da aparente falta de
danos.
A inspeção subsequente do sensor tipo loop mostrou que
ele foi completamente derretido. Isto era esperado. A análise
do vídeo de alta velocidade mostrou que a fibra óptica
derreteu em aproximadamente 1.5 ciclo AC no evento. Isso
equivale a 1.25 ciclo após o relé ter executado o trip por arco
voltaico.
Esses testes demonstram que os sensores fornecem um
sinal luminoso para o relé antes de serem danificados pelo
evento com arco voltaico, mesmo se estiverem instalados
diretamente no caminho do arco.
VII. INSTALAÇÃO DOS SENSORES
Fig. 9. Sensor pontual e sensor tipo loop entre os eletrodos, antes (à
esquerda) e após (à direita) um teste de arco voltaico.
Logo após a corrente de falta ter sido aplicada, estes dois
sensores forneceram um sinal luminoso de fundo de escala,
permitindo ao relé efetuar um trip por arco voltaico. Isso está
Os sensores tipo pontual e tipo loop que foram instalados
dentro da caixa de teste a 0.5 m de distância dos eletrodos
forneceram, de forma consistente, um sinal luminoso de nível
100% para o relé. Isso indica que a luz recebida por estes
sensores é tão clara que o circuito fotodetector entra numa
condição saturada. Este é um resultado desejável para o AFD.
Os sensores tipo pontual e tipo loop também foram
instalados a distâncias de 1, 2 e 3 m dos eletrodos. Esses testes
mostraram o resultado esperado: os sensores instalados mais
perto do arco voltaico detectaram mais luz.
O comprimento dos cabos de fibra óptica variou durante o
teste desde um mínimo de 10 m até um máximo de 30 m.
Estes testes mostraram o resultado esperado: os cabos de fibra
9
óptica atenuaram a luz proporcionalmente ao seu
comprimento.
Para os sensores tipo loop, o comprimento da fibra óptica
descoberta exposta foi ajustado de 0.25 m até 2 m. Este ajuste
foi feito para determinar o efeito do comprimento da fibra
óptica exposta sobre a quantidade do sinal de luz recebido.
Estes testes mostraram o resultado esperado: o sinal luminoso
recebido por um sensor tipo loop é proporcional ao
comprimento da fibra óptica descoberta exposta ao arco
voltaico.
Baseando-se em uma análise abrangente desses dados,
foram feitas as seguintes recomendações para a instalação. Os
sensores pontuais devem ser instalados dentro de uma
distância de 2 m da fonte de luz do arco voltaico previsto, com
o comprimento máximo do cabo de fibra óptica de 35 m. Os
sensores tipo loop devem ser instalados dentro de uma
distância de 2 m da fonte de luz do arco voltaico previsto, com
um mínimo de 0.5 m de fibra óptica descoberta exposta,
permitindo um comprimento máximo do loop de 70 m,
incluindo as seções de fibra óptica descoberta e revestida.
VIII. TESTES DO CUBÍCULO
Nos testes baseados no procedimento "arcos em uma
caixa", não existem obstruções entre o arco voltaico e os
sensores. Uma linha clara de visão está sempre presente. De
forma contrária, o cubículo contém vários componentes, tais
como placas separadoras para isolação, as quais podem
bloquear a linha de visão direta entre o local do arco inicial e
os sensores.
Um teste do cubículo foi realizado para determinar o
desempenho dos sensores em seu ambiente operacional
esperado. O cubículo usado no ensaio foi um disjuntor da
Westinghouse Modelo 150-DHP-750C, especificado para 15
kV com corrente contínua de 1,200 A.
Um total de 12 sensores foi fixado em vários locais dentro
da célula do disjuntor. Cinco dos sensores foram instalados na
parede traseira da célula do disjuntor. Outros quatro sensores
foram colocados nas paredes laterais. A linha de visão destes
sensores foi bloqueada pelas paredes laterais isoladas do
carrinho do disjuntor. Os três sensores restantes foram
instalados no teto da célula do disjuntor. A linha de visão de
três desses sensores foi bloqueada pelos extintores de arco
(“arc chutes”).
Na preparação dos testes, foram instalados fios fusíveis ao
redor dos isoladores de porcelana separadores internos ao
disjuntor. O carrinho do disjuntor foi então instalado (inserido
no rack) na célula do disjuntor desenergizada. Com as equipes
de teste isoladas em uma sala de controle remota, a célula do
disjuntor foi energizada com uma tensão de circuito aberto de
8 kV (fase-terra), resultando em uma falta com arco. Um total
de três testes foi realizado com correntes de falta com arco de
1,260, 10,390 e 10,350 A.
Para os três testes, o tempo médio de trip (conforme
medido desde a aplicação da corrente de falta até a condução
de corrente pelo contato de saída de trip do relé) foi de 3.9 ms.
O tempo médio de trip desde o início da luz visível é estimado
em 2.4 ms.
Os resultados dos testes mostram que os sensores
instalados na parede traseira da célula do disjuntor fornecem
os maiores níveis de sinal. Para cada um dos três ensaios,
todos os cinco sensores fixados na parede traseira forneceram
sinais com uma magnitude suficiente para iniciar um trip por
arco voltaico. Este resultado é o esperado. A parte traseira do
carrinho do disjuntor é o local onde a falta com arco foi
iniciada. Os sensores instalados na parede traseira tinham as
menores obstruções da linha de visão.
De forma contrária, os sensores instalados nas paredes
laterais e no teto forneceram os menores níveis de sinal em
pelo menos um dos três testes. Em alguns exemplos, os níveis
de sinal desses sensores foram insuficientes para iniciar um
trip por arco voltaico.
Os testes do cubículo demonstram que os sensores de arco
voltaico operam de forma confiável no ambiente operacional
previsto.
IX. AUTODIAGNOSES DOS SENSORES
Durante um dos testes de arco voltaico, um dos relés estava
efetuando um teste de loopback do sensor simultaneamente ao
teste de arco voltaico. A captura da forma de onda do relé da
Fig. 11 mostra a autodiagnose do sensor como pulsos
periódicos de luz no sensor determinado. O relé detectou o
arco voltaico neste sensor em particular sem qualquer
interferência ou degradação no desempenho. Este teste
demonstra que o relé é capaz de distinguir entre a luz de um
teste de loopback e aquela de um arco voltaico.
LSENS4(%)
100
90
80
70
60
50
40
Teste de Loopback
30
20
10
0
0.0
2.5
5.0
7.5
Ciclos
Cycles
10.0
12.5
15.0
Fig. 11. A autodiagnose do sensor de arco voltaico não interfere no AFD.
X. CONCLUSÃO
O relé AFD fornece uma redução significativa da energia
incidente. No sistema usado como exemplo, os níveis da
energia incidente do arco voltaico são reduzidos em 88%,
passando de 30.44 cal/cm2 usando a proteção de sobrecorrente
de tempo-inverso para 3.64 cal/cm2 usando AFD. Esta redução
da Categoria 4 da NFPA 70E para a Categoria 1 representa
uma melhoria significativa na segurança. Uma redução
adicional da energia incidente é possível combinando o relé
AFD com o desviadores de arco (chaves curto-circuitadoras
rápidas). Esta aplicação aproveita totalmente a vantagem da
rapidez do tempo de operação do relé (tipicamente 3.6 ms).
10
A luz produzida por um arco voltaico fornece um sinal de
magnitude extremamente elevada que é usado pelo relé de
proteção para detectar um evento com arco voltaico. No
entanto, algumas outras fontes de luz brilhante, tais como o
flash de uma câmera, podem imitar um evento com arco
voltaico. Um elemento de sobrecorrente instantâneo de alta
velocidade é usado para supervisionar o elemento de luz. Isso
fornece alta segurança para evitar operações incorretas.
Os sensores de luz e os elementos de sobrecorrente foram
demonstrados para trabalhar em conjunto em condições reais
de arco voltaico para fornecer um tempo médio de trip de 3.6
ms desde a aplicação da corrente e 2.2 ms desde o
aparecimento do arco voltaico. Os sensores operam de forma
confiável em condições reais de arco voltaico, mesmo quando
totalmente envolvidos pela nuvem de plasma do arco voltaico.
O teste de loopback dos sensores de arco voltaico aumenta
a confiabilidade do sistema através da realização de um teste
de integridade do sensor sem qualquer intervenção das equipes
de trabalho. A autodiagnose do sensor não interfere na
capacidade de detecção de um evento com arco voltaico
simultaneamente à autodiagnose.
A utilidade dos relatórios de evento foi demonstrada em
regime de teste. Estes relatórios de evento registram os níveis
dos sinais medidos pelos sensores ópticos, as entradas de
corrente e a operação de trip do relé por arco voltaico. Este
recurso será utilizado pelos técnicos de relés para documentar
os eventos de trip por arco voltaico.
System Relaying Committee (PSRC) e é presidente do PSRC Relay
Communications Subcommittee (H).
Dhruba Das tem um B.S. e um M.S. da IT Banaras Hindu University, Índia.
Ele obteve um M.S. em engenharia da computação e elétrica da University of
Wisconsin, Madison. Dhruba tem mais de 30 anos de experiência combinada
em indústrias de relés de proteção e cubículos, a maioria dos quais foi gasta
no projeto e desenvolvimento de relés de proteção. Ele é coautor de diversos
artigos técnicos relacionados e detém uma patente. Dhruba ingressou na
Schweitzer Engineering Laboratories, Inc. em 1999 e atualmente é um
engenheiro sênior de desenvolvimento de firmware para pesquisas e
desenvolvimento.
Joshua Carver recebeu seu B.S. em engenharia elétrica da Washington State
University. Ele ingressou na Schweitzer Engineering Laboratories, Inc. em
1998 e é atualmente um engenheiro de hardware para pesquisa e
desenvolvimento.
XI. RECONHECIMENTO
Os autores reconhecem e agradecem as contribuições de
Claude Maurice no laboratório High Current Lab at Kinectrics
Inc., destacando sua experiência com arco voltaico e ajuda na
condução segura dos testes de laboratório de alta potência.
XII. REFERÊNCIAS
[1]
[2]
[3]
IEEE Standard 1584-2002, IEEE Guide for Performing Arc-Flash
Hazard Calculations.
M. Zeller and G. Scheer, “Add Trip Security to Arc-Flash Detection for
Safety and Reliability,” proceedings of the 35th Annual Western
Protective Relay Conference, Spokane, WA, October 2008.
NFPA 70E®-2009: Standard for Electrical Safety in the Workplace®,
2009 Edition.
XIII. BIOGRAFIAS
Bob Hughes recebeu seu B.S. em engenharia elétrica da Montana State
University em 1985. Ele é engenheiro sênior de marketing no departamento
de sistemas de proteção da Schweitzer Engineering Laboratories, Inc. Bob
tem mais de 20 anos de experiência em automação de sistemas elétricos de
potência, incluindo SCADA/EMS, automação da distribuição, controles de
usinas de energia, e leitura automática de medidores. Ele é um engenheiro
profissional registrado e membro do IEEE.
Veselin Skendzic é um engenheiro chefe de pesquisas na Schweitzer
Engineering Laboratories, Inc. Recebeu seu B.S. em engenharia elétrica da
FESB, University of Split, Croácia; seu M.Sc. da ETF, Zagreb, Croácia; e seu
Ph.D. da Texas A&M University, College Station, Texas. Veselin tem mais de
25 anos de experiência em projetos de circuitos eletrônicos, foi conferencista
na FESB, e trabalhou por mais de 20 anos em problemas relacionados à
proteção de sistemas de potência. Ele é membro sênior do IEEE, escreveu
diversos artigos técnicos, e contribui ativamente para o desenvolvimento de
normas da IEEE/IEC. Veselin é membro do IEEE PES e do IEEE Power
© 2010 por Schweitzer Engineering Laboratories, Inc.
Todos os direitos resevados.
20100204 • TP6421-01