7.1 Projeto da Subestação
A forma de onda, a amplitude e o espectro de frequências das tensões transitórias nos terminais dos transformadores, originadas por curtos-circuitos em linhas de transmissão ou manobras, são influenciados pelo arranjo físico (layout) e pela configuração de operação da subestação [1,2]. A entrada em operação de novos empreendimentos com modificações da configuração e/ou do arranjo físico da subestação, ou eventos de menor porte, como a instalação ou substituição de transformadores de potencial capacitivo (TPC) nas células dos transformadores, pode alterar as características das tensões transitórias.
Na fase de planejamento e projeto da subestação é possível atuar preventivamente nos estudos de coordenação de isolamento, avaliando como o arranjo físico da instalação e a presença de alguns equipamentos podem influenciar nos espectros de frequências das tensões transitórias nos terminais dos transformadores. Incluir nas especificações técnicas informações sobre as faixas de frequências dominantes esperadas, como um requisito ou característica do sistema, permite que o fabricante do transformador conheça antecipadamente as características das tensões transitórias.
7.2 Medidas Operativas
A forma de onda, a amplitude e o espectro de frequências das tensões transitórias nos terminais dos transformadores, originadas pelas manobras de chaves secionadoras e de disjuntores, podem sofrer uma influência significativa da sequência em que as manobras são realizadas e da configuração de operação da subestação, ou seja, do estado (aberto/fechado) dos disjuntores e chaves secionadoras [3]. Portanto, as solicitações e os riscos de falhas dielétricas podem ser minimizados através de medidas operativas simples como a padronização da sequência de manobras através de instruções de operação ou roteiros de manobras.
7.3 Coordenação de Isolamento
Nos estudos de coordenação do isolamento, que são normalmente efetuados na etapa de planejamento e de projeto da subestação, a definição dos níveis de isolamento deve levar em conta não somente o valor máximo das tensões transitórias, mas também suas densidades espectrais no domínio da frequência, comparando-as com a envoltória definida pelo espectro das ondas de impulso normalizadas (FSDF). No caso do FSDF ser maior do que o limite de referência, análises técnicas e de custo/benefício devem ser realizadas para avaliar um aumento nos níveis de isolamento, mudanças no arranjo da subestação e/ou aplicação de técnicas de mitigação das sobretensões, de modo a evitar que o transformador esteja submetido a solicitações não garantidas pelos ensaios padronizados. Além disso, as tensões aplicadas nos ensaios dielétricos com as formas de onda padronizadas estão associadas a uma dada probabilidade de falha em condições bem definidas e constantes, quer do estado do isolamento quer da forma e polaridade da sobretensão aplicada [4]. Por isso, nos estudos de coordenação de isolamento e nas análises das tensões transitórias de alta frequência nos terminais dos equipamentos, devem ser considerados limites de sobretensão que proporcionem uma margem
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efeitos das modificações das condições da isolação, mas também o número de aplicações das solicitações ao longo da vida útil do equipamento. Um outro aspecto a ser considerado é que os estudos de transitórios não conseguem retratar todas as solicitações a que o equipamento estará sujeito. Esta margem, portanto, deverá ser também aplicada à curva de densidade espectral com relação à envoltória da densidade espectral das curvas padronizadas [5].
Por outro lado, é essencial que seja identificada a possibilidade de coincidência entre a frequência da excitação externa e as ressonâncias internas buscando meios de evitá-la, já que o FSDF inferior ao limite de referência apenas garante que as solicitações analisadas estarão cobertas pelas formas de onda padronizadas a que o equipamento será ensaiado.
7.3.1. Efeitos das Condições de Operação e Manutenção
Os ensaios dielétricos são realizados em laboratório com a isolação em condições bem específicas e controladas. Estas condições podem ser bem diferentes daquelas encontradas em serviço, como resultado dos efeitos combinados de vários fatores, tais como variações de temperatura, circulação do óleo, sobrecargas, contaminação do óleo, circulação de sobrecorrentes transitórias nos enrolamentos, deslocamento mecânico da estrutura da isolação, etc [6]. As condições de operação e manutenção podem contribuir para a redução gradual da tensão suportável da isolação ao longo da vida útil do equipamento. Para a isolação não auto-recuperante, as Normas de coordenação de isolamento [7,8] definem um fator de segurança mínimo igual a 1,15 para levar em conta os fatores que podem reduzir a suportabilidade da isolação em serviço e as incertezas estatísticas dos ensaios em laboratório, de tal modo que a tensão suportável requerida pela aplicação seja atendida durante a vida útil do equipamento. Portanto, a tensão de ensaio deve ser maior ou igual a 1,15 vezes o valor máximo da sobretensão transitória esperada em serviço.
7.3.2. Efeitos da Dispersão Estatística da Tensão de Descarga
Para a isolação não auto-recuperante, as Normas de coordenação de isolamento [7,8] assumem que as tensões de ensaio com as formas de onda padronizadas correspondem a uma probabilidade de 100% de suportar uma aplicação, ou seja, não existe possibilidade de falha com este nível de tensão aplicada. Entretanto, mesmo em condições bem definidas e constantes, a suportabilidade da isolação não é um valor determinístico, mas uma variável aleatória que tem diferentes probabilidades de descarga para diferentes valores de tensão.
A distribuição de probabilidade real da tensão suportável de um transformador não é conhecida. De forma simplificada, é assumido que a isolação do transformador pode ser caracterizada pelas propriedades de um de seus pontos fracos [11]. Com base em ensaios de amostras que simulam as partes críticas da isolação, a distribuição de probabilidade da tensão de descarga é levantada experimentalmente e utilizada para estimar os parâmetros de um modelo matemático. Este modelo é então considerado como representativo da suportabilidade dielétrica do transformador.
A distribuição de Weibull representa de forma satisfatória a relação entre a amplitude da tensão U e a probabilidade de descarga P(U), principalmente para probabilidades de descarga muito pequenas ou muito próximas da unidade [4]. Sendo U a amplitude da tensão para determinada forma de onda, determinada polaridade e condições bem definidas e constantes, a probabilidade acumulada de descarga P(U) é dada pela equação (7.3-1), onde Uo é o valor de tensão abaixo do qual não há
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possibilidade de descarga, Uo+a é o valor de tensão correspondente a uma probabilidade de 63,2% e m é o parâmetro de forma, que é uma medida da dispersão da distribuição de probabilidade.
0
)
(U
=
P
, U < Uo m oa
U
U
e
U
P
−
−
−
=1
)
(
, U > Uo (7.3-1)A experiência baseada em resultados de ensaios em amostras indica que a distribuição de probabilidade da tensão de descarga da isolação pode ser descrita pela distribuição de Weibull com um parâmetro m igual a 3,5 e uma relação entre o desvio padrão (S) e o valor médio (U50) na faixa de
10% a 15% [6,9,10]. Conhecendo esses parâmetros e a tensão de referência Ut, com uma probabilidade de descarga correspondente P(Ut), é possível estimar os parâmetros Uo e a.
As tensões de ensaio com as formas de onda padronizadas definem o nível de suportabilidade da isolação para o qual se pode antecipar apenas uma falha em 1000 aplicações, ou seja, com esses valores de tensão a probabilidade de falha em uma aplicação P(Ut) é igual a 0,1% [6,10]. A Tabela 7.3.1 apresenta os valores calculados dos parâmetros a e Uo para diferentes valores do parâmetro m e da relação S/U50 considerando a tensão aplicada Ut correspondente a uma probabilidade P(Ut) igual a 0,1%.
Tabela 7.3.1 – Parâmetros da Distribuição de Weibull
Uo/Ut a/Ut
m
S/U50 = 0,10 S/U50 = 0,12 S/U50 = 0,15 S/U50 = 0,10 S/U50 = 0,12 S/U50 = 0,15
3,0 0,9594 0,9479 0,9274 0,4064 0,5209 0,7253
3,5 0,9334 0,9137 0,8777 0,4794 0,6207 0,8798
4,0 0,9016 0,8715 0,8149 0,5530 0,7223 1,0410
Para valores do parâmetro m na faixa de 3 a 4 e para valores da relação S/U50 na faixa de 10% a 15%, a relação Uo/Ut varia de 0,80 a 0,95, ou seja, a tensão abaixo da qual não existe possibilidade de descarga pode variar na faixa de 80% a 95% da tensão com uma probabilidade de descarga 0,1%, dependendo do desvio padrão e do parâmetro de forma.
7.3.3. Efeito do Número de Aplicações
Sendo a distribuição de Weibull aplicável à probabilidade de ocorrência de descarga numa aplicação de tensão, também é aplicável à probabilidade de ocorrência de pelo menos uma descarga em n aplicações independentes de tensão se não houver efeitos cumulativos [4]. A Figura 7.3.1 mostra a relação limite U/Ut em função do número de aplicações, tendo como parâmetro a probabilidade de falha assumida.
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Brochura Técnica 0 ,8 0 0 , 8 5 0 ,9 0 0 , 9 5 1,0 0 1, 0 5 1,10 1, 15 1,2 0 1, 2 5 1,3 0 1 10 10 0 10 0 0 10 0 0 0 n U /U t Pn(U)=0,1% Pn(U)=1% Pn(U)=5%
Figura 7.3.1 - Relação U/Ut em função de n para m = 4 e S/U50 = 15%
Quanto maior o número de aplicações, menor deve ser a tensão aplicada (U) para que seja mantida a mesma probabilidade de falha Pn(U).
7.4 Aplicação de Disjuntor Específico
Para reduzir o valor máximo das tensões transitórias ou o fator FSDF nas manobras de energização de transformadores ou reatores, podem ser utilizados disjuntores com resistor de pré-inserção no fechamento ou disjuntores equipados com chaveamento controlado. Entretanto, estas técnicas só são efetivas quando o problema é decorrente de manobras de disjuntores na subestação.
A aplicação de disjuntores com resistor de pré-inserção é uma das soluções tradicionais, tanto para reduzir o valor máximo como para aumentar o amortecimento das tensões transitórias de alta frequência nos terminais do transformador. Entretanto, para que esta solução seja efetiva, é necessário determinar o valor ótimo do resistor de pré-inserção através de simulações de transitórios eletromagnéticos.
Em princípio, a técnica de chaveamento controlado também pode ser aplicada para reduzir o valor máximo das tensões transitórias resultantes de manobras de disjuntores, mas a sua aplicação deve ser precedida de uma análise detalhada, caso a caso, observando-se pelo menos os seguintes aspectos:
a) Os instantes ótimos de fechamento de cada pólo do disjuntor para minimizar o valor máximo da tensão transitória tende a maximizar a corrente de inrush nas manobras de energização de transformadores e reatores, causando maiores esforços mecânicos nos enrolamentos e aumentando os riscos de atuação indesejada de proteções intrínsecas desses equipamentos durante manobras; b) Existe uma dispersão ou tolerância no instante ótimo de chaveameno. Portanto, apesar da redução do valor máximo da tensão transitória ainda permanece algum comportamento oscilatório das tensões
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transitórias nos terminais do transformador. Essas tensões transitórias, mesmo de baixa amplitude, podem excitar as ressonâncias internas e, dependendo dos fatores de amplificação envolvidos, podem causar tensões transitórias perigosas nos terminais ou em pontos internos da estrutura do isolamento. O caso apresentado no item 6.2, correspondente a energização do transformador 04T2 da subestação Campina Grande II pelo disjuntor de transferência, é um caso típico em que o chaveamento controlado não é uma solução aplicável devido ao elevado fator de amplificação medido na frequência de 158 kHz.
7.5 Instalação de Capacitor de Surto (Circuito RC)
A instalação de capacitores de surto, ou um circuito RC série, é uma das soluções tradicionais para reduzir as tensões transitórias nos terminais dos transformadores e reatores [10], principalmente em níveis de tensão até 69 kV. Entretanto, este tipo de solução deve ser aplicado avaliando os possíveis efeitos no espectro de frequências das tensões transitórias, já que pode ocorrer um aumento da densidade espectral e do fator FSDF, em algumas frequências.
7.6 Referências Bibliográficas
[1]. FREIRE, A. R. F., PENA, M. C. M., “Estudo de Tensões Transitórias de Alta Frequência e Requisitos para a Especificação de Transformadores”, XVIII SNPTEE, GSC, Curitiba – PR, Outubro de 2005. [2]. FREIRE, A. R. F., PENA, M. C. M., “High Frequency Transient Voltage Study and Specifications Requirements for Transformers”, Proceedings of the 74th Annual International Doble Client Conference, Boston – USA, 2007.
[3]. MEDEIROS, R. K. D., FREIRE, A. R. F., PENA, M. C. M., “Estudo de Tensões Transitória de Alta Frequência para a Subestação Luiz Gonzaga 500 kV”, XII ERIAC, CE C4, Foz do Iguaçu – PR, Maio de 2007.
[4]. PORTELA, C. M. J. C. M., “Sobretensões e Coordenação de Isolamento”, Vol. 1 a 3, COPPE/UFRJ, 1982.
[5]. ASANO, R., OLIVEIRA, J. F. L., FREIRE, A. R. F., “Considerações sobre a Aplicação de Margens de Segurança na Coordenação de Isolamento de Transformadores e Reatores, XX SNPTEE, GTM, Recife – PE, Novembro de 2009.
[6]. BALMA, P. M., DEGENEFF, R. C., MOORE, H. R., WAGENAAR, L. B., “The Effects of Long Term Operation and System Conditions on the Dielectric Capability and Insulation Coordination of Large Power Transformers”, IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 14, No. 3, July 1999.
[7]. Norma ABNT NBR 6939 – Coordenação do Isolamento – Procedimento – Agosto 2000 [8]. Projeto de Norma ABNT NBR 8186 – Coordenação do Isolamento – Guia de Aplicação –2001 [9]. KARSAI, K., KERENYI, D., KISS, L., “Large Power Transformers”, New York: Elsevier, 1987. [10]. IEEE Std Draft PC57.142, “A Guide to Describe the Occurrence and Mitigation of Switching Transients Induced by Transformer and Breaker Interaction”, 2004.
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