Resumo  Este trabalho apresenta resultados de medições de

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Medições de Manobras de Energização de

Transformadores Considerando a Instalação de

Supressores de Surto

João R. Cogo, Nelson C. Jesus, Luiz M. Duarte, Luis F.R. Ferreira, Hermes R.P.M de Oliveira

GSI - Engenharia e Consultoria LTDA - Rua Mato Grosso, n.º 120, CEP:12062-120, Taubaté (SP)

Vinicius B. Pim, Roni P. Aurich, Luiz R. C. Figueiredo

CMPC - Celulose Riograndense S.A - Rua São Geraldo, n.º 1680, CEP: 92500-000, Guaíba (RS)

Resumo  Este trabalho apresenta resultados de medições de

manobras de disjuntores a vácuo em sistemas elétricos industriais. No Brasil, em um curto período de tempo entre 2012 e 2013, em duas unidades industriais, foram danificados diversos transformadores de potência com meio isolante sólido (a seco) e tensão nominal primária em 34,5 kV. Comprovou-se que os danos ocorriam durante as manobras de energizações devido a eventos de pré-ignições (pre-strike). Em função dos problemas relatados foram recomendados supressores de surto em conjunto com para-raios. Analisam-se os resultados das medições após a instalação dos equipamentos de proteção contra sobretensões em um projeto recente com as mesmas características dos anteriores, mostrando a redução significativa das sobretensões durante as manobras de energização dos transformadores.

Palavras-chaves  Manobras, Energização de

Transformadores, Sobretensões Transitórias, Supressores de Surto.

I.INTRODUÇÃO

Sobretensões de manobras ocorrem em instalações de sistemas de transmissão e distribuição por diversas condições de operação. Este trabalho trata de sobretensões de manobras resultantes de disjuntores a vácuo e cabos isolados. A combinação de sistemas formados especialmente por subestações compostas por painéis isolados a SF6 e disjuntores com meio de extinção do arco voltaico a vácuo, cabos relativamente curtos e transformadores a seco resultou em efeitos destrutivos aos transformadores quando da primeira aplicação em 34,5 kV. Durante as diversas falhas e queimas de transformadores de distintos fabricantes em dois projetos similares e sequenciais, os relés de proteção não indicavam a causa real do problema da queima sucessiva de transformadores. Medições de qualidade de energia com taxa de amostragem de 1 MHz foram suficientes para caracterizar surtos de manobra de elevadas magnitudes provocadas especialmente durante as manobras de energização dos transformadores.

João Roberto Cogo, Nelson Clodoaldo de Jesus, Luiz Marlus Duarte, Luis Fernando R Ferreira, Hermes R.P.M. de Oliveira, gsi@gsiconsultoria.com.br, Tel. +55-12-3621-8457, 3633-7184, 36, 3621-9281, Fax +55-12-3621-7649. Vinicius B. Pim, Vbpim@cmpcrs.com.br, Tel. +55-51 2139-7768, Roni P. Aurich, Roni.aurich@cmpcrs.com.br, Tel. +55-51 2139-7378, Luiz R. C. Figueiredo, Lfigueiredo@cmpcrs.com.br, Tel. +55-51-2139-7706.

Foi comprovado que a interação entre o sistema e o transformador durante as manobras de energizações com disjuntores a vácuo, resultaram em diversas sobretensões transitórias e repetitivas, induzindo as falhas de isolamento, tendo como origem as sobretenções íngremes e de elevadas intensidades (VFTO - Very Fast Transient Overvoltage) [5-7],

ocorridas antes do fechamento mecânico entre os pólos dos disjuntores a vácuo (pre-strike) [4-6]. Como consequência,

foram registrados, por medidores de qualidade de energia, sobretensões da ordem de 6 pu com elevadas taxas de crescimento da tensão (dv/dt). Estas manobras afetavam fortemente o sistema de isolamento dos transformadores, sendo a alternativa técnica mais eficaz para a redução destas sobretensões a utilização de supressores de surto.

II.MANOBRAS DE DISJUNTORES A VÁCUO

Normalmente as manobras de abertura e fechamento dos disjuntores a vácuo provocam sobretensões transitórias de alta intensidade devido à interação com o sistema elétrico (indutâncias e capacitâncias) [1-3]. Estas sobretensões são observadas em manobras de energização e desenergização de transformadores de potência, bancos de capacitores, cabos e linhas de transmissão sem carga, motores, fornos a arco, etc.

Inúmeras investigações têm sido conduzidas no sentido de avaliar as sobretensões transitórias associadas especialmente com disjuntores a vácuo e sua interação com o sistema elétrico para prever adequada proteção contra surtos de tensão [1-2-5].

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Os disjuntores relacionadas as manobras eram de fabricantes distintos, assim como os transformadores dos dois sistemas que apresentaram as falhas. De forma a ilustrar a eficácia dos dispositivos de proteção de surto instalados em um recente projeto, será apresentada uma análise comparativa por meio dos resultados de manobras sem e com a aplicação de supressores de surto. Estes equipamentos são formados por circuitos RC (snubber) em 34,5 kV em paralelo com um

conjunto de para-raios. Por outro lado, após as queimas históricas do primeiro projeto, foram tomadas medidas para a redução do impacto das manobras de chaveamentos, protegendo os transformadores através da utilização da utilização de supressores de surto (RC) combinados com para-raios. Seguindo as recomendações e lições apreendidas com as queimas dos transformadores em dois projetos anteriores, apresenta-se pela primeira vez os resultados em outra planta industrial que, desta vez, em sua concepção, especificou como critério de projeto a necessidade obrigatória de inclusão de supressores de surto pelos fornecedores. Finalmente, apresentam-se alguns resultados recentes deste projeto que mostram desde as primeiras energizações, sendo que todos os transformadores foram instalados com supressores de surto [2]. Sendo assim, pode-se comparar a tendência de sobretensões que avariaram vários transformadores no Brasil, com o projeto atual, sendo o mesmo conduzido adequadamente, pois, ao final do comissionamento, todos os transformadores a seco foram energizados com sucesso, sem qualquer tipo de avaria devido às manobras dos disjuntores.

III.FALHAS DE TRANSFORMADORES DURANTE EVENTOS DE ENERGIZAÇÃO

As sobretensões devido a chaveamentos de disjuntores podem ocorrer durante manobras de energização e desenergização, especialmente com disjuntores a vácuo para cargas indutivas ou capacitivas. Neste trabalho, em função das ocorrências analisadas, as sobretensões que impactavam em falhas nos sistema de isolamento dos transformadores em 34,5 kV ocorriam durante eventos de energização. A Fig. 1 mostra a oscilografia durante a falha de um dos primeiros transformadores analisados, sendo que os resultados dos relés não indicavam exatamente a ocorrência de sobretensões.

Fig. 1 - Resultados das oscilografias durante a falha de transformadores a seco em evento de energização.

A Fig. 2 ilustra dois exemplos de transformadores que sofreram queimas em função das manobras de disjuntores a vácuo e sua interação com o sistema elétrico.

Para ilustrar as correlações com possíveis queimas devido a ressonâncias internas e falhas de isolamento excitadas pelos transitórios resultantes das manobras, a Fig. 3 apresenta um exemplo de comportamento da resposta em frequência, que indicam possíveis ressonâncias internas devido aos eventos de manobra que resultam em surtos de altas frequências e magnitudes.

Fig. 2 - Falhas de Transformadores durante eventos de manobras de energização.

Fig. 3 - Curva de resposta em frequência do transformador.

IV.MEDIÇÕES DE MANOBRAS DE DISJUNTORES A VÁCUO DURANTE A ENERGIZAÇÃO DE TRANSFORMADORES

Este item detalha os resultados das medições em barramentos de subestações durante manobras de energização sem e com a presença de supressores de surto, os quais foram utilizados como forma de proteção contra sobretensões de manobras que causavam as queimas de transformadores.

A. Sem Supressores de Surto

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Fig. 4 - Sobretensões e sobrecorrentes transitórias da manobra de energização.

A Fig. 5 mostras em detalhes o comportamento das tensões e correntes, observando-se neste caso múltiplas pré-ignições durante a manobra de chaveamento de um transformador.

Fig. 5 - Detalhes das sobretensões e sobrecorrentes transitórias.

Outro exemplo de resultados de medições de transitórios de manobras de disjuntores a vácuo é ilustrado na Fig. 6, com valores próximos a 150 kV. Observa-se que as sobretensões ocorrem antes do fechamento final do disjuntor, caracterizando também eventos de múltiplas pré-ignições, conforme pode ser verificado no detalhe apresentado na Fig. 7.

Fig. 6 - Sobretensões e sobrecorremtes transitórias da manobra de energização.

Fig. 7 - Detalhes das sobretensões e sobrecorrentes transitórias.

B. Com Supressores de Surto

A configuração básica do sistema de proteção, adotada para o recente projeto industrial contra surtos de tensão relacionados as manobras, utiliza supressores de surto do tipo RC em conjunto para-raios, conforme mostrado na Fig. 8.

Fig. 8 - Configuração do sistema de proteção de surtos.

Inicialmente, apresenta-se na Fig. 9 as formas de onda das tensões medidas na barra em 34.5 kV durante a sua energização, que foi realizada pela manobra de fechamento do disjuntor instalado junto à barra principal. Conforme detalhado na Fig. 10, o valor de pico das tensões durante esta manobra foi de aproximadamente 50 kV.

Fig. 9 - Sobretensões transitórias durante a energização do barramento em 34,5 kV.

TENSÕES E CORRENTES INSTANTÂNEAS

14:07:46,70

31/05/2013 14:07:46,75 14:07:46,80 0

50000 100000 150000

V

ol

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A V B V C V

-2000 -1000 0 1000 2000

A

m

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A I B I C I

14:07:46,7445

31/05/2013 14:07:46,7450 14:07:46,7455 14:07:46,7460 0

50000 100000 150000

V

ol

ts

A V B V C V

-2000 -1000 0 1000 2000

A

m

ps

A I B I C I

16:15:41,80

04/06/2013 16:15:41,81 16:15:41,82 16:15:41,83 16:15:41,84 16:15:41,84 16:15:41,85

-50000 0 50000 100000 150000

Vo

lts

A V B V C V

-2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500

Am

ps

A I B I C I

16:15:41,8055

04/06/2013 16:15:41,8060 16:15:41,8065 16:15:41,8069

-50000 0 50000 100000 150000

Vo

lts

A V B V C V

-2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500

Am

ps

A I B I C I

TENSÕES INSTANTÂNEAS

14:05:18,100

09/09/2014 14:05:18,105 14:05:18,110 14:05:18,115 -25000

0 25000 50000

V

ol

ts

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Fig. 10 - Detalhes das sobretensões transitórias.

A seguir serão detalhados os principais resultados obtidos nas energizações de transformadores com meio isolante sólido (a seco) com potências nominais de 6 e 10 MVA em 34,5 kV em conjunto com os supressores de surto instalados próximos aos seus terminais primários. Para análise do desempenho do sistema, a Fig. 11 apresenta as formas de onda das tensões e correntes transitórias (Inrush) durante a primeira energização

de um dos transformadores de área de 6 MVA, instalado com protetores de surto, desde o início do comissionamento do projeto.

Fig. 11 - Tensões e correntes instantâneas durante a energização do transformador de 6 [MVA].

As tensões transitórias verificadas na barra de alimentação do respectivo transformador através do chaveamento do disjuntor estão mostradas nas Fig. 12, sendo que foi registrado um valor máximo de 67 [kV] devido às ocorrências de múltiplas pré-ignições (pre-strike).

Fig. 12 - Sobretensões transitórias durante a energização do transformador de 6 MVA.

Para verificar o comportamento dos surtos de tensão registrados durante esta manobra, a Fig. 13 ilustra em detalhe as variações transitórias. Considera-se o resultado obtido adequado, pois as sobretensões resultantes foram bem inferiores aquelas obtidas em casos similares sem supressores de surto, conforme comparação com as Figs. 5 e 7.

Seguindo o procedimento das energizações com supressores de surto, a Fig. 14 mostra os resultados obtidos das correntes transitórias de energização (Inrush), considerando a manobra

de outro transformador com mesma potência instalado no sistema elétrico em análise.

Fig. 14 - Formas de onda das correntes durante a energização do transformador de 6 MVA.

As tensões fase-terra obtidas na barra de conexão do segundo transformador analisado durante a sua manobra de energização estão mostradas na Fig. 15, onde verificou-se, neste caso, valores bem inferiores dos surtos de tensão. De forma a ilustrar o comportamento das tensões obtidas nestes eventos, as Figs. a seguir mostram detalhes do período transitório do chaveamento.

14:05:18,1010

09/09/2014 14:05:18,1015 14:05:18,1020 14:05:18,1024

-25000 0 25000 50000

V

ol

ts

A V B V C V

14:50:22,08

10/09/2014 14:50:22,10 14:50:22,12

-50000 -25000 0 25000 50000

V

ol

ts

A V B V C V

-500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300

A

m

ps

A I B I C I

14:50:22,075

10/09/2014 14:50:22,080 14:50:22,085 14:50:22,090

-50000 -25000 0 25000 50000 Volts

A V B V C V

14:50:22,0805

10/09/2014 14:50:22,0810 14:50:22,0815 -50000

-25000 0 25000 50000 Volts

A V B V C V

MEDIÇÃO GSI: CMPC BARRA A2

CORRENTES INSTANTÂNEAS

16:40:08

03/12/2014 16:40:09 16:40:10 16:40:11 16:40:12 16:40:13 -300

-200 -100 0 100 200 300 Amps

A I B I C I

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Fig. 15 - Tensões transitórias durante a energização do transformador de 6 MVA.

Com um transformador já energizado na condição a vazio, monitorou-se o comportamento das tensões e correntes do sistema para a manobra de um segundo transformador em paralelo, com características semelhantes, conectado na mesma barra em 34,5 kV. A Fig. 18 apresenta as correntes instantâneas relacionadas à manobra do segundo transformador.

Fig. 18 - Formas de onda das correntes durante a energização do transformador de 6 MVA.

As formas de onda das tensões obtidas durante a manobra de energização do segundo transformador desta barra estão apresentadas na Figs. 19 e 20, sendo que neste caso não foram registradas sobretensões.

Fig. 19 - Tensões transitórias durante a energização do transformador de 6 MVA.

Fig. 20 - Detalhes das tensões transitórias.

A seguir apresentam os resultados de duas energizações consecutivas de um transformador com potência nominal de 10 MVA.

16:40:07,59

03/12/2014 16:40:07,60 16:40:07,61 16:40:07,62 16:40:07,63 16:40:07,64 -40000

-30000 -20000 -10000 0 10000 20000 30000 40000Volts

A V B V C V

Dran-View 6.15.03 HASP : 831158473 (318A78C9h)

16:40:07,601

03/12/2014 16:40:07,602 16:40:07,603 16:40:07,604 16:40:07,605 -30000

-20000 -10000 0 10000 20000 30000 40000 Volts

A V B V C V

16:40:07,60230

03/12/2014 16:40:07,60235 16:40:07,60240 -20000

-10000 0 10000 20000 30000 40000Volts

A V B V C V

CORRENTES INSTANTÂNEAS

16:50:38

03/12/2014 16:50:39 16:50:40 16:50:41 -400

-300 -200 -100 0 100 200 300 400

A

m

p

s

A I B I C I

16:50:37,21

03/12/2014 16:50:37,22 16:50:37,23 16:50:37,24 -30000

-20000 -10000 0 10000 20000 30000

V

o

lts

A V B V C V

16:50:37,216

03/12/2014 16:50:37,218 16:50:37,220 16:50:37,222 16:50:37,224 -30000

-20000 -10000 0 10000 20000

V

o

lts

A V B V C V

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A Fig. 21 mostra os resultados das formas de onda das tensões e correntes na primeira manobra de energização e a Fig. 22 os resultados da segunda manobra de energização do transformador de 10 MVA. Nestas condições, também não foram registradas quaisquer sobretensões no sistema elétrico em análise.

Fig. 21 - Tensões e correntes instantâneas durante a primeira energização do transformador de 10 MVA.

Fig. 22 - Tensões e correntes instantâneas durante a segunda energização do transformador de 10 MVA.

V.CONCLUSÕES

Este trabalho apresentou uma avaliação do impacto de manobras de chaveamentos de disjuntores a vácuo, com base em medições de qualidade de energia. Conforme relatado, ocorreram diversas queimas de transformadores de distribuição com meio isolante sólido a seco durante a etapa de comissionamento e início de operação de dois sistemas industriais em 34,5 kV, especialmente nos casos de manobras de energização, devido a ocorrência de surtos de tensão de alta frequência, em função de pré-ignições (pre-strike) e correntes

de corte induzidas. Os resultados indicaram que as sobretensões estavam correlacionadas diretamente aos eventos de manobras de energização de disjuntores a vácuo, com valores de elevadas intensidades e taxa de elevação que resultaram em diversas falhas dos sistemas de isolamentos dos transformadores, resultando em curtos-circuitos subsequentes. Destaca-se que os relés de proteção não identificavam estas ocorrências devido à taxa de amostragem. Sendo assim, só foi possível a identificação da causa raiz a partir da utilização de medidores de qualidade de energia com capacidade de registro de eventos de alta frequência.

Com base no histórico destas ocorrências, foram aplicados supressores de surto em conjunto com para-raios, instalados próximos aos terminais dos transformadores, e todos os transformadores em um projeto similar recente foram energizados sem quaisquer ocorrências de falhas. Os resultados das medições apresentados nesta análise indicaram reduções significativas das sobretensões de manobras em função da instalação do sistema de proteção contra surtos. As máximas sobretensões registradas foram de 150 e 175 kV sem os equipamentos de proteção. Nas medições onde os supressores de surto foram instalados, a máxima sobretensão transitória de manobra verificada foi de 67 kV, ou seja, um valor de 2,2 a 2,6 vezes menor do que as obtidas sem qualquer equipamento de proteção contra sobretensões. Destaca-se que o referido tema é de extrema importância para o desenvolvimento de pesquisas correlatas, visando um melhor entendimento das causas e consequências do impacto de manobras de disjuntores em transformadores, bem como sua análise detalhada e outras formas de mitigação. De qualquer modo, com base no exposto, pode-se inferir que os supressores de surto em conjunto com para raios são altamente recomendados para sistemas com disjuntores a vácuo, cabos isolados e, especialmente, transformadores que utilizam meio isolante do tipo sólido (a seco).

VI.REFERÊNCIAS

[1] D.D. Shipp; T.J Dionise.; V. Lorch, “Transformer Failure Due to Circuit Breaker Induced Switching Transients”, IEEE Central Tennessee Section, 01/05/2012.

[3] R. Colombo, “Disjuntores de Alta Tensão", Série Brasileira de Tecnologia, Livraria Nobel S.A., 1º edição, 1988.

[4] D. A. Woodford, L. M. Wedepohl, “Impact of Circuit Breaker Pre-Strike

on Transmission Line Energization Transients”, IPST - International

Conference on Power Systems Transients, Seattle, USA, 1997. [5] J. L. Roldan, H. Herdt, J. M.R. Van Velthoven, T. Sels, J. Karas, M.

Popov, “Fast Transients Overvoltages Produced by Switching

Distribution Transformers with a Vacuum Circuit Breaker: Simulation

and Testing”, Proceedings of Power Quality Conference, EA

Technology, Chester, UK, 2002.

[6] S.M. Wong, L.A. Snider, E.W.C. Lo, “Overvoltages and Reignition

Behavior of Vacuum Circuit Breaker”, IPST - International Conference on Power Systems Transients, New Orleans, USA, 2003.

[7] R.B. Lastra, M. Barbieri, “Fast Transients in the Operation of an Induction

Motor with Vacuum Switches”, IPST - International Conference on

Power Systems Transients, Rio de Janeiro, BRA, 2001.

17:16:30,64

09/12/2014 17:16:30,66 17:16:30,68 17:16:30,70

-30000 -20000 -10000 0 10000 20000 30000

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ol

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