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• Fabrício Angiene

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´ ´ ˜ MEDIC ˜ E IMPULSO ATMOSFERICO EM LABORATORIO – APLICAC ¸ AO, ¸ AO ˜ INTERPRETAC ¸ AO

Mayara Cunha Cagido

Projeto de Gradua¸ca˜o apresentado ao Curso de Engenharia El´etrica da Escola Polit´ecnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necess´arios `a obten¸ca˜o do t´ıtulo de Engenheiro. Orientadores: Antonio C. Siqueira de Lima H´elio de Paiva Amorim J´ unior

Rio de Janeiro Fevereiro de 2014

Cagido, Mayara Cunha Impulso Atmosf´erico em Laborat´orio – Aplica¸c˜ao, Medi¸ca˜o e Interpreta¸ca˜o/Mayara Cunha Cagido. – Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Polit´ecnica, 2014. XV, 118 p.: il.; 29, 7cm. Orientadores: Antonio C. Siqueira de Lima H´elio de Paiva Amorim J´ unior Projeto de Gradua¸c˜ao – UFRJ/ Escola Polit´ecnica/ Curso de Engenharia El´etrica, 2014. Referˆencias Bibliogr´aficas: p. 113 – 114. 1. Gerador de impulsos. 2. Impulso Atmosf´erico. 3. Ensaios el´etricos. I. Lima, Antonio C. Siqueira de et al. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Polit´ecnica, Curso de Engenharia El´etrica. III. T´ıtulo.

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A inspira¸c˜ao vem, mas tem que te encontrar trabalhando. Picasso

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Agradecimentos Gostaria de agradecer a Deus e Nossa Senhora Aparecida por toda for¸ca e f´e que me proporcionaram durante a realiza¸ca˜o deste trabalho. Agrade¸co meus pais, Margareth Cagido e Mario Cagido por sempre acreditarem em mim, todo apoio, carinho, cuidado e compreens˜ao que tiveram comigo durante toda a minha gradua¸ca˜o. S˜ao a minha base e sou muito feliz por ter o prazer de ser filha deles. Agrade¸co minha irm˜a, Mayra Cagido. Sou muito grata por toda torcida que dedicou a mim. Tenho imenso amor por essa pessoa que al´em de irm˜a, ´e minha melhor amiga. Agrade¸co meu namorado, Rafael Buchmann. Por todas as horas de apoio e ´ um companheiro e amigo sem igual, que me ajuda paciˆencia durante esses anos. E em qualquer situa¸c˜ao. Foi minha principal e mais importante dupla na gradua¸c˜ao. Agrade¸co minha av´o Juracy Cagido, por tudo. Por sempre acreditar em mim e me apoiar nos estudos. N˜ao teria conclu´ıdo a gradua¸ca˜o sem a sua ajuda. Agrade¸co Armando Cagido por ter sido um grande e presente avˆo. Obrigada por ter feito parte da minha vida e por ter acreditado em mim como profissional. Sinto imensa saudade. Agrade¸co os amigos que fiz na faculdade. Obrigada pela amizade e por marcarem minha vida, cada um com seu jeito especial. Agrade¸co meu amigo Felipe Cabral pela bondade e aux´ılio em diversos trabalhos, inclusive nesse, minha amiga Nina Bordini pelo companheirismo u ´nico, pelo carinho e pelas madrugadas de estudos, minha amiga Yasmin Grassi pela amizade e ajuda nas mat´erias, minha amiga Degmar Felgueiras pelo apoio e por sempre estar ao meu lado, meu amigo Tiago Granato pelas boas conversas e pelo carinho de sempre, meu amigo Renan Fernandes por ser essa pessoa de cora¸ca˜o bondoso e meu amigo Flavio Gourlat por todos momentos alegres. Agrade¸co a` todos os amigos que fizeram parte dessa caminhada, que foram muitos. Agrade¸co meu professor e orientador Antonio Carlos Siqueira de Lima que se tornou um grande amigo e me ajudou muito na realiza¸c˜ao desse projeto. Obrigada por todos ensinamentos e por acreditar no meu trabalho. Agrade¸co ao professor Robson Dias por todo o conte´ udo ensinado e por ser um v

grande amigo dos alunos. Agrade¸co aos professores Jorge Nem´esio e Rubens Andrade por participarem da banca examinadora deste projeto e pelas contribui¸co˜es com meu trabalho atrav´es de suas aulas. Agrade¸co a todos os professores e funcion´arios do Departamento de Engenharia El´etrica da UFRJ. Sem d´ uvida, todos foram importantes na minha forma¸ca˜o. Agrade¸co o grande aprendizado que os profissionais do Centro de Pesquisas de Energia El´etrica - Cepel me proporcionaram durante a execu¸c˜ao desse trabalho. Aprendi muito com todos, em especial com meu supervisor e orientador H´elio de Paiva Amorim Junior, Jos´e Antˆonio Pinto Rodrigues, Darcy Ramalho de Mello, Jonir Rangel, Thiago Baptista, Jos´e Carlos da Rocha, Manoel Atallah e Fernando Dart.

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Resumo do Projeto de Gradua¸ca˜o apresentado a` Escola Polit´ecnica/ UFRJ como parte dos requisitos necess´arios para a obten¸ca˜o do grau de Engenheiro Eletricista.

Impulso Atmosf´erico em Laborat´orio – Aplica¸ca˜o, Medi¸c˜ao e Interpreta¸ca˜o

Mayara Cunha Cagido Fevereiro/2014

Orientadores: Antonio C. Siqueira de Lima H´elio de Paiva Amorim J´ unior Curso: Engenharia El´etrica Este trabalho re´ une informa¸co˜es importantes sobre geradores de impulsos como suas carater´ısticas f´ısicas e funcionamento. Estabelece ainda os procedimentos necess´arios para a sua utiliza¸ca˜o em laborat´orio, instruindo a montagem do circuito de alta tens˜ao, n´ıveis de tens˜ao aplicados de acordo com os est´agios do gerador, utiliza¸ca˜o de normas t´ecnicas e realiza¸c˜ao de uma metodologia para obten¸ca˜o de impulsos de tens˜ao ajustados, quando aplicados em um sistema el´etrico. S˜ao feitos ensaios, em laborat´orio, cuja finalidade ´e aplicar impulsos atmosf´ericos e verificar se os n´ıveis referentes ao isolamento de um transformador trif´asico, isolador e transformador de corrente est˜ao de acordo com as tens˜oes suport´aveis nominais que definem estes equipamentos. A considera¸c˜ao de normas para a realiza¸c˜ao destes testes ´e um fator determinante nos crit´erios que permitem identificar a ocorrˆencia de defeitos no isolamento. Palavras-chave: Gerador de Impulsos, Impulsos Atmosf´ericos, e Ensaios el´etricos.

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Sum´ ario Lista de Figuras

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Lista de Tabelas

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1 Introdu¸c˜ ao 1.1 Considera¸co˜es Gerais 1.2 Objetivo . . . . . . . 1.3 Motiva¸c˜ao . . . . . . 1.4 Descri¸ca˜o do estudo .

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2 Gerador de Impulsos - GI 2.1 Gerador de impulsos com um est´agio . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Gerador de impulsos com onze est´agios . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Trigatron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Obten¸c˜ao da Resistˆencia s´erie total . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3 Obten¸c˜ao da Resistˆencia em paralelo total . . . . . . . . . . 2.3 Apresenta¸c˜ao dos Componentes do circuito de ensaio . . . . . . . . 2.3.1 Resistores de frente de impulso ou resistor s´erie (Rsi e Rse ): 2.3.2 Retificador: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3 Capacitˆancia do gerador de Impulso (Cs ): . . . . . . . . . . 2.3.4 Esferas centelhadoras: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.5 Resistor de cauda de impulso ou resistor paralelo (Rp ): . . . 2.3.6 Capacitor de frente (Cf ): . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.7 Divisor de Tens˜ao Resistivo: . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.8 Resistor de carga (Rc ): . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.9 Resistor de descarga (Rerd ): . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.10 Resistor de potencial (Rpot ): . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.11 Chopping Gap: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.12 Atenuador: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.13 Gaps Auxiliares: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Funcionamento do gerador de impulsos em laborat´orio . . . . . . .

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1 1 2 2 3

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4 5 10 13 14 17 18 18 19 20 21 22 22 23 26 26 27 28 28 29 29

3 Impulsos de tens˜ ao 3.1 Formas de Impulsos . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 Impulso Pleno . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2 Impulso Cortado na Cauda . . . . . . . 3.1.3 Impulso Cortado na frente da onda . . 3.1.4 Importˆancia do conhecimento dos tipos 3.2 Impulso Atmosf´erico . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Impulso de Manobra . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . de impulsos . . . . . . . . . . . . . .

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4 Ensaios - Estudos de caso 4.1 Transformador de Potˆencia Trif´asico . . . . . . . . . . . . . 4.1.1 Descri¸c˜ao do ensaio com impulso atmosf´erico . . . . . 4.1.2 Conex˜ao no laborat´orio de alta tens˜ao . . . . . . . . 4.1.3 C´alculos preliminares para o ajuste da forma de onda 4.1.4 Simula¸ca˜o do ensaio de ajuste no Matlab ou Octave . 4.1.5 Resultados - Fase A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.6 Resultados - Fase B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.7 Resultados - Fase C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Isolador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Descri¸c˜ao do ensaio com impulso atmosf´erico . . . . . 4.2.2 Conex˜ao no laborat´orio de alta tens˜ao . . . . . . . . 4.2.3 C´alculos preliminares para o ajuste da forma de onda 4.2.4 Simula¸ca˜o do ensaio de ajuste no Matlab ou Octave . 4.2.5 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Transformador de Corrente - TC . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1 Descri¸c˜ao do ensaio com impulso atmosf´erico . . . . . 4.3.2 Conex˜ao no laborat´orio de alta tens˜ao . . . . . . . . 4.3.3 C´alculos preliminares para o ajuste da forma de onda 4.3.4 Simula¸ca˜o do ensaio de ajuste no Matlab ou Octave . 4.3.5 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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37 39 39 40 41 42 43 45

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48 50 51 55 58 60 62 72 79 86 87 88 90 91 93 100 100 102 102 103 105

5 Conclus˜ ao

111

Referˆ encias Bibliogr´ aficas

113

A Dados da simula¸c˜ ao

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Lista de Figuras 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 2.19 2.20 2.21 2.22 2.23 2.24 2.25 2.26 2.27 2.28

Vista lateral (a) e frontal (b) do gerador de impulsos. . . . . . . . . . Circuito de um est´agio do gerador de impulsos . . . . . . . . . . . . . Circuito equivalente da Figura 2.2 no momento do disparo . . . . . . Circuito equivalente da Figura 2.2 no momento do disparo com correntes Forma¸ca˜o do impulso de tens˜ao com a jun¸ca˜o de duas exponenciais . Circuito completo do gerador de impulsos . . . . . . . . . . . . . . . Esquema do mecanismo formado pelo Trigatron . . . . . . . . . . . . Circuito considerado no c´alculo de Rs . . . . . . . . . . . . . . . . . . Circuito considerado no c´alculo de Rp . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resistˆencia s´erie interna (a) e externa (b) do gerador. . . . . . . . . . Retificador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capacitˆancia do gerador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Esferas centelhadoras de um est´agio do gerador . . . . . . . . . . . . Resistor paralelo de um est´agio do gerador . . . . . . . . . . . . . . . Capacitor de frente do fabricante Haefely . . . . . . . . . . . . . . . . Divisor de tens˜ao resistivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Circuito do divisor de tens˜ao resistivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resistor de carga de um est´agio do gerador . . . . . . . . . . . . . . . Resistor de descarga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resistor de potencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Chopping gap do fabricante Haefely . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Atenuador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gap Auxiliar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Interface do programa utilizado para controlar o gerador de impulsos do fabricante Haefely. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Circuito equivalente do gerador de impulso . . . . . . . . . . . . . . . Circuito mostrando o carregamento do capacitor de frente . . . . . . Impulso de tens˜ao formado no carregamento dos capacitores de frente e de carga visto na Figura 2.26 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Circuito mostrando o descarregamento do capacitor do frente . . . . .

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5 6 7 7 9 11 14 15 17 19 20 21 21 22 23 24 24 26 27 27 28 28 29 30 31 32 33 34

2.29 Impulso de tens˜ao formado no descarregamento dos capacitores de frente e de carga visto na Figura 2.28 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.30 Varia¸c˜ao da frente da forma de onda de acordo com a varia¸c˜ao de Rs 35 2.31 Varia¸c˜ao da cauda da forma de onda de acordo com a varia¸ca˜o de Rp 36 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5

Impulso Impulso Impulso Impulso Impulso

4.1 4.2 4.3 4.4

Transformador trif´asico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Liga¸ca˜o do lado de alta do transformador trif´asico em laborat´orio . . Esquema para a liga¸ca˜o do transformador trif´asico para o ensaio el´etrico Esquema do circuito completo montado para o ensaio diel´etrico do transformador com chopping gap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Simula¸c˜ao da forma de onda esperada com aplica¸c˜ao de tens˜ao no transformador trif´asico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resultados de tens˜ao (a) e corrente (b) obtidos com a aplica¸ca˜o 1 na fase A. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resultados de tens˜ao (c) e corrente (d) obtidos com a aplica¸ca˜o 2 na fase A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resultados de tens˜ao (e) e corrente (f) obtidos com a aplica¸c˜ao 3 na fase A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resultados de tens˜ao (g) e corrente (h) obtidos com a aplica¸ca˜o 4 na fase A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resultados de tens˜ao (i) e corrente (j) obtidos com a aplica¸c˜ao 5 na fase A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resultados de tens˜ao (l) e corrente (m) obtidos com a aplica¸ca˜o 6 na fase A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resultados de tens˜ao (n) e corrente (o) obtidos com a aplica¸ca˜o 7 na fase A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resultados da sobreposi¸c˜ao dos impulsos de tens˜ao cortados na fase A (p) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resultados da sobreposi¸ca˜o dos impulsos de tens˜ao plenos na fase A (q) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resultados da sobreposi¸c˜ao das correntes com a aplica¸ca˜o de impulsos cortados na fase A (r) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resultados da sobreposi¸c˜ao das correntes com a aplica¸ca˜o de impulsos plenos na fase A (s) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 4.16

de tens˜ao pleno . . . . . . . . . . . . . . . . . . de tens˜ao cortado na cauda . . . . . . . . . . . . de tens˜ao cortado na frente de onda . . . . . . . atmosf´erico em cadeia isoladores polim´ericos . . de manobra em cadeia de isoladores polim´ericos

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39 41 42 44 46 51 56 57 57 61 66 66 67 67 68 68 69 70 70 71 71

4.17 Resultados de tens˜ao (a) e corrente (b) obtidos com a aplica¸ca˜o 1 na fase B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.18 Resultados de tens˜ao (c) e corrente (d) obtidos com a aplica¸c˜ao 2 na fase B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.19 Resultados de tens˜ao (e) e corrente (f) obtidos com a aplica¸ca˜o 3 na fase B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.20 Resultados de tens˜ao (g) e corrente (h) obtidos com a aplica¸ca˜o 4 na fase B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.21 Resultados de tens˜ao (i) e corrente (j) obtidos com a aplica¸c˜ao 5 na fase B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.22 Resultados de tens˜ao (l) e corrente (m) obtidos com a aplica¸ca˜o 6 na fase B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.23 Resultados de tens˜ao (n) e corrente (o) obtidos com a aplica¸ca˜o 7 na fase B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.24 Resultados da sobreposi¸c˜ao dos impulsos de tens˜ao cortados na fase B (p) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.25 Resultados da sobreposi¸ca˜o dos impulsos de tens˜ao plenos na fase B (q) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.26 Resultados da sobreposi¸c˜ao das correntes com a aplica¸ca˜o de impulsos cortados na fase B (r) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.27 Resultados da sobreposi¸c˜ao das correntes com a aplica¸ca˜o de impulsos plenos na fase B (s) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.28 Resultados de tens˜ao (a) e corrente (b) obtidos com a aplica¸ca˜o 1 na fase C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.29 Resultados de tens˜ao (c) e corrente (d) obtidos com a aplica¸c˜ao 2 na fase C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.30 Resultados de tens˜ao (e) e corrente (f) obtidos com a aplica¸ca˜o 3 na fase C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.31 Resultados de tens˜ao (g) e corrente (h) obtidos com a aplica¸ca˜o 4 na fase C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.32 Resultados de tens˜ao (i) e corrente (j) obtidos com a aplica¸c˜ao 5 na fase C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.33 Resultados de tens˜ao (l) e corrente (m) obtidos com a aplica¸ca˜o 6 na fase C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.34 Resultados de tens˜ao (n) e corrente (o) obtidos com a aplica¸ca˜o 7 na fase C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.35 Resultados da sobreposi¸c˜ao dos impulsos de tens˜ao cortados na fase C (p) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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4.36 Resultados da sobreposi¸c˜ao dos impulsos de tens˜ao plenos na fase C (q) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.37 Resultados da sobreposi¸c˜ao das correntes com a aplica¸ca˜o de impulsos cortados na fase C (r) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.38 Resultados da sobreposi¸c˜ao das correntes com a aplica¸ca˜o de impulsos plenos na fase C (s) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 4.39 Isolador polim´erico de pino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 4.40 Esquema para o circuito completo de ensaio do isolador sem chopping gap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.41 Simula¸ca˜o da forma de onda esperada com aplica¸ca˜o de tens˜ao no isolador polim´erico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.42 Transformador de Corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 4.43 Liga¸ca˜o do TC em laborat´orio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 4.44 Simula¸ca˜o da forma de onda esperada com aplica¸ca˜o de tens˜ao no transformador de corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 4.45 Resultados do impulso de tens˜ao com a aplica¸c˜ao 1 (a) e aplica¸c˜ao 2 (b) no TC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 4.46 Resultados do impulso de tens˜ao com a aplica¸ca˜o 3 (c) e aplica¸c˜ao 4 (d) no TC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 4.47 Resultado do impulso de tens˜ao com a aplica¸c˜ao 5 (e) no TC . . . . . 108 4.48 Resultados da sobreposi¸ca˜o dos impulsos de tens˜ao cortados no TC (f)109 4.49 Resultados da sobreposi¸ca˜o dos impulsos de tens˜ao plenos no TC (g) 110 A.1 A.2 A.3 A.4 A.5

Programa para obten¸ca˜o da onda simulada . . . . . . . . . . . . . . Programa para obten¸ca˜o do tempo de frente - Parte 1 . . . . . . . . Programa para obten¸ca˜o do tempo de frente - Parte 2 . . . . . . . . Programa para obten¸ca˜o do tempo de descida . . . . . . . . . . . . Programa para obten¸c˜ao do percentual de oscila¸ca˜o dos impulsos cortados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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116 117 117 118

. 118

Lista de Tabelas 3.1 3.2 3.3 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 4.16 4.17 4.18 4.19 4.20 4.21

Tipos de impulsos aplicados aos ensaios de acordo com n´ıvel de tens˜ao do equipamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Tolerˆancias relativas a`s formas de onda de impulso atmosf´erico . . . . 45 Tolerˆancias relativas a`s formas de onda de impulso de manobra . . . . 47 Informa¸co˜es nominais da placa do transformador testado em laborat´orio Parˆametros calculados utilizados para a obten¸c˜ao da forma de onda simulada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Parˆametros medidos na onda simulada . . . . . . . . . . . . . . . . . Parˆametros aplicados no circuito de ensaio . . . . . . . . . . . . . . . Medi¸co˜es feitas no ensaio de ajuste de onda na fase A . . . . . . . . . Medi¸co˜es feitas no ensaio de impulso atmosf´erico na fase A . . . . . . Verifica¸ca˜o da porcentagem das oscila¸c˜oes dos impulsos de tens˜ao cortados das Figuras 4.8, 4.9 e 4.10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Medi¸co˜es feitas no ensaio de ajuste de onda na fase B . . . . . . . . . Medi¸co˜es feitas no ensaio de impulso atmosf´erico na fase B . . . . . . Verifica¸c˜ao da porcentagem das oscila¸co˜es dos impulsos de tens˜ao cortados das Figuras 4.19, 4.20 e 4.21 . . . . . . . . . . . . . . . . . . Medi¸co˜es feitas no ensaio de ajuste de onda na fase C . . . . . . . . . Medi¸co˜es feitas no ensaio de impulso atmosf´erico na fase C . . . . . . Verifica¸c˜ao da porcentagem das oscila¸co˜es dos impulsos de tens˜ao cortados das Figuras 4.30, 4.31 e 4.32 . . . . . . . . . . . . . . . . . . Informa¸co˜es do isolador testado em laborat´orio . . . . . . . . . . . . . Parˆametros calculados utilizados para a obten¸ca˜o da forma de onda simulada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Parˆametros medidos na onda simulada . . . . . . . . . . . . . . . . . Parˆametros aplicados no circuito de ensaio . . . . . . . . . . . . . . . Resultado da etapa de verifica¸ca˜o com polaridade positiva . . . . . . Valores obtidos na norma para a realiza¸c˜ao da corre¸ca˜o atmosf´erica . Valores obtidos durante a execu¸c˜ao do ensaio . . . . . . . . . . . . . . Resultado da etapa de verifica¸ca˜o com polaridade negativa . . . . . . xiv

51 61 61 62 62 65 69 72 73 77 79 80 84 87 92 93 93 94 95 95 96

4.22 Resultado da etapa de determina¸ca˜o com polaridade positiva . . . . 4.23 Resultado da etapa de determina¸ca˜o com polaridade negativa . . . 4.24 Informa¸co˜es nominais da placa do transformador de corrente testado em laborat´orio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.25 Parˆametros calculados utilizados para a obten¸ca˜o da forma de onda simulada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.26 Parˆametros medidos na onda simulada . . . . . . . . . . . . . . . . 4.27 Parˆametros aplicados no circuito de ensaio . . . . . . . . . . . . . . 4.28 Medi¸co˜es feitas no ensaio de ajuste de onda no TC . . . . . . . . . 4.29 Medi¸co˜es feitas no ensaio de impulso atmosf´erico no TC . . . . . . . 4.30 Verifica¸c˜ao da porcentagem das oscila¸co˜es dos impulsos de tens˜ao cortados das Figuras 4.45 e 4.46 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

xv

. 98 . 99 . 100 . . . . .

104 104 105 105 107

. 109

Cap´ıtulo 1 Introdu¸ c˜ ao 1.1

Considera¸co ˜es Gerais

O crescente desenvolvimento do sistema de energia el´etrica faz com que exista a necessidade de uma rede de transmiss˜ao cada vez mais confi´avel e segura, para que a ocorrˆencia de determinados defeitos na linha de transmiss˜ao n˜ao prejudiquem o fornecimento de energia aos setores de consumo. A confiabilidade e bom funcionamento de todos os equipamentos envolvidos na rede podem ser obtidos com a utiliza¸c˜ao de alguns m´etodos preventivos como estat´ısticas matem´aticas para prever determinados comportamentos, aplica¸c˜ao de t´ecnicas que visam melhorar o desempenho do sistema e conhecimento experimental das causas dos defeitos e dos parˆametros que os qualificam. Com base no que foi exposto, a sobretens˜ao ´e a principal irregularidade estudada nesse trabalho, sendo um efeito transit´orio que pode ocorrer em qualquer linha de transmiss˜ao ou ser transmitida a diversos equipamentos. Ocorre, ent˜ao, a necessidade da realiza¸ca˜o de ensaios el´etricos que buscam maior clareza das causas das falhas e identifica¸ca˜o das caracter´ısticas do projeto em rela¸c˜ao ao isolamento do equipamento testado. Uma importante ferramenta na efetua¸ca˜o destes testes ´e o gerador de impulsos. Este ´e o respons´avel por simular impulsos de tens˜ao com elevadas amplitudes que ser˜ao aplicados nos ensaios el´etricos, a partir da utiliza¸c˜ao de componentes usuais 1

como resistores e capacitores. Neste trabalho ser˜ao abordados os conceitos de um gerador de impulsos, desde a defini¸ca˜o at´e sua aplica¸ca˜o, a descri¸ca˜o e as principais caracter´ısticas associadas a` sua utiliza¸c˜ao. Em seguida, ser˜ao apresentados os resultados obtidos com a execu¸ca˜o de ensaios el´etricos, utilizando o gerador de impulsos, em trˆes tipos de equipamentos: transformador trif´asico, isolador polim´erico e transformador de corrente.

1.2

Objetivo

O objetivo deste trabalho ´e a realiza¸c˜ao de um estudo sobre os aspectos que definem um gerador de impulsos, os fenˆomenos transit´orios que podem originar problemas no funcionamento de alguns equipamentos e execu¸c˜ao de ensaios el´etricos para verifica¸ca˜o da suportabilidade de determinados elementos de um sistema de transmiss˜ao atrav´es da aplica¸ca˜o de impulsos atmosf´ericos com esse mesmo gerador. Como benef´ıcios complementares, os procedimentos detalhados visam: • Auxiliar na execu¸c˜ao de futuros ensaios que aplicam princ´ıpios semelhantes aos mencionados nesse texto; • Efetuar a an´alise da resistˆencia el´etrica oferecida a` circula¸c˜ao de uma corrente que surge quando uma diferen¸ca de potencial ´e aplicada em dois condutores que possuem um material isolante entre estes, definida como resistˆencia do isolamento [1]; • Proporcionar um aprendizado sobre ensaios el´etricos em alta tens˜ao, assim como suas particularidades, aos estudantes de engenharia interessados nessa a´rea.

1.3

Motiva¸c˜ ao

Visando uma maior seguran¸ca da transmiss˜ao de energia, ´e conveniente realizar alguns ensaios em determinados equipamentos el´etricos a fim de analisar seu com2

portamento quando exposto a algum tipo de falha do sistema. Com a busca do melhor conhecimento sobre as falhas, proximidade com o tema do projeto durante a realiza¸ca˜o do est´agio supervisionado no Centro de Pesquisas de Energia El´etrica CEPEL e necessidade de um trabalho que reunisse as informa¸co˜es sobre geradores de impulso, houve a elabora¸ca˜o deste trabalho que ´e um assunto com alta aplica¸ca˜o em sistemas de potˆencia.

1.4

Descri¸c˜ ao do estudo

No Cap´ıtulo 2 s˜ao explicados todos aspectos relevantes sobre os geradores de impulsos. Com esse conhecimento fixado, ser´a poss´ıvel entender a aplica¸ca˜o destes na an´alise dos resultados obtidos a partir de testes que visam melhorar as condi¸co˜es de funcionamento de alguns equipamentos el´etricos. Para facilitar o entendimento sobre os fenˆomenos transit´orios, que geram picos de alta tens˜ao no sistema, o Cap´ıtulo 3 elabora, uma explica¸ca˜o sobre dois tipos de impulsos de tens˜ao (atmosf´erico e de manobra), que ocorrem em diversos pontos da rede de transmiss˜ao e que podem causar falhas no sistema. T´opicos importantes s˜ao mencionados como a localiza¸ca˜o da ocorrˆencia desses impulsos, tempo de dura¸c˜ao, tipos de forma de onda e os parˆametros que as definem. O Cap´ıtulo 4 tem por finalidade estabelecer os procedimentos pr´aticos para a realiza¸ca˜o de ensaios em laborat´orios de alta tens˜ao. Consiste na efetua¸ca˜o de ensaios el´etricos, com aplica¸ca˜o de tens˜ao produzidos pelo gerador de impulsos, primeiramente em um transformador trif´asico, depois em um isolador polim´erico e um transformador de corrente. A realiza¸ca˜o destes ensaios mostra a maior quantidade de situa¸c˜oes poss´ıveis que ocorrem em um local de ensaio como prepara¸ca˜o para o teste, montagem do circuito espec´ıfico e aquisi¸ca˜o e tratamento dos dados obtidos. Todo o conte´ udo estudado nesse projeto ´e, ent˜ao, conlu´ıdo no Cap´ıtulo 5. Neste ficam esclarecidos todos os pontos mencionados nos cap´ıtulos anteriores, o que foi aprendido com o desenvolvimento desse projeto, a contribui¸c˜ao para projetos associados `a Engenharia El´etrica, assim como ideias para trabalhos futuros. 3

Cap´ıtulo 2 Gerador de Impulsos - GI A principal fun¸c˜ao desse tipo de gerador ´e simular impulsos de tens˜ao que poderiam ocorrer em equipamentos de uma linha de transmiss˜ao. O gerador ´e formado por um conjunto de capacitores, que s˜ao carregados em paralelo com uma tens˜ao pr´eestabelecida e, posteriormente, descarregados em s´erie para, dessa forma, gerar o impulso [2]. O impulso produzido ´e caracterizado por um r´apido crescimento e lento decaimento, sendo formado de acordo com os resistores e capacitores utilizados na opera¸ca˜o do gerador.

4

(a)

(b)

Figura 2.1: Vista lateral (a) e frontal (b) do gerador de impulsos [3].

A Figura 2.1 apresenta um gerador de impulsos do fabricante Haefely, localizado em Adrian´opolis - Nova Igua¸cu, no Centro de Pesquisas de Energia El´etrica Cepel, possuindo onze est´agios de carregamento, que geram 100 kV cada, sendo a capacidade total de gera¸ca˜o de 1,1 MV.

2.1

Gerador de impulsos com um est´ agio

Um gerador de impulsos pode ser representado por um circuito b´asico de um est´agio, como pode ser visto na Figura 2.2. Para ser gerado um impulso de tens˜ao, na forma de onda indicada pela norma ABNT NBR IEC 60060-1 [4], que possa ser visualizada no equipamento ensaiado, ´e preciso ajustar alguns parˆametros que ser˜ao mostrados nessa se¸ca˜o. A solu¸ca˜o 5

Figura 2.2: Circuito de um est´agio do gerador de impulsos

esperada depende de valores de diversas resistˆencias e capacitˆancias, podendo ser influenciada por fatores decorrentes do ambiente externo e das circunstˆancias do ensaio que ser´a efetuado. Assim, existem diferentes tipos de impulsos que podem ser gerados com esse equipamento, que ser˜ao melhor detalhados no Cap´ıtulo 3. Antes de iniciar essa an´alise, ´e necess´ario identificar alguns elementos do circuito da Figura 2.2. C1 - Capacitor do gerador de Impulso; ´ respons´avel por definir o tempo de dura¸c˜ao R1 - Resistˆencia em s´erie do gerador. E da frente da forma de onda do impulso e o valor de pico do impulso; C2 - Representa¸c˜ao do elemento equivalente formado pelo capacitor de frente, equipamento sob ensaio e divisor de tens˜ao; R2 - Resistˆencia em paralelo do gerador. Tem rela¸ca˜o direta com a cauda da forma de onda, fazendo com que dure menos ou mais o tempo entre o valor de pico e o ponto da cauda correspondente a 50% desse mesmo valor; G - Esferas centelhadoras. Funcionam como uma chave controlada por tens˜ao e como um limitador de tens˜ao. Pela Figura 2.2, antes de ocorrer o disparo das esferas centelhadoras, num momento t ≤ 0, o capacitor C1 ´e carregado com uma tens˜ao cont´ınua (Vo ). Quando ocorre o disparo, o circuito ´e fechado e o capacitor C1 ´e diretamente conectado com o

6

restante do circuito e, consequentemente, com a carga [5]. Reorganizando o circuito, a Figura 2.3 mostra o momento do disparo.

Figura 2.3: Circuito equivalente da Figura 2.2 no momento do disparo

Dessa forma, considerando a aplica¸ca˜o de uma tens˜ao constante nesse circuito, ´e poss´ıvel utilizar a Lei de Kirchhoff para obter tens˜ao na carga (Figura 2.4). Ent˜ao:

Figura 2.4: Circuito equivalente da Figura 2.2 no momento do disparo com correntes

i1 = i2 + i3

(2.1)

Vo − Vx Vx Vx − Vt = + Zc1 R2 R1

(2.2)

pela Figura 2.4, ´e poss´ıvel observar que: Vx − Vt Vt = R1 Zc2

7

(2.3)

substituindo a Equa¸c˜ao 2.3 na 2.2, temos:

Vt =

R12 R2

+

R1 R2 Zc2 × Vo + R1 R2 Zc1 + R1 R2 Zc2 + R1 Zc1 Zc2

R12 Zc1

(2.4)

utilizando a Transformada de Laplace na Equa¸c˜ao 2.4 para analisar o comportamento do circuito simplificado da Figura 2.3 no dom´ınio da frequˆencia, temos que:

Vs =

R1 R2 sC2

R12 R2 +

R12 sC1

+

R1 R2 sC1

+

R1 R2 sC2

+

R1 s2 C1 C2

×

Vo s

(2.5)

ap´os algumas manipula¸co˜es alg´ebricas, podemos obter a seguinte solu¸ca˜o:

Vs =

s2

+

( R21C1

+

1 R 1 C1

1 +

1 )s R1 C2

+

1 R1 R2 C1 C2

×

Vo R1 C2

(2.6)

assim, temos que a Equa¸ca˜o 2.6 pode ser representada da seguinte forma: 1 Vo × s2 + as + b k

(2.7)

1 1 1 + + R2 C1 R1 C1 R1 C2

(2.8)

1 R1 R2 C1 C2

(2.9)

Vs =

sendo: a=

b=

k = R1 C2

(2.10)

Para encontrar a tens˜ao na carga com a varia¸c˜ao do tempo, ´e necess´ario realizar a Transformada de Laplace inversa e temos:

Vt =

1 Vo × [e−α1 t − e−α2 t ] × α2 − α1 k

sendo que α1 e α2 s˜ao definidos por:

8

(2.11)

a α1 = − − 2

r

a α2 = − + 2

r

a2 −b 4

(2.12)

a2 −b 4

(2.13)

Atrav´es da an´alise matem´atica realizada no circuito da Figura 2.3, foi poss´ıvel obter uma equa¸ca˜o geral da tens˜ao na carga com o decorrer do tempo (Vt ). A Equa¸ca˜o 2.11 consiste na jun¸c˜ao de duas fun¸co˜es exponenciais e representa a forma de onda esperada no equipamento sob teste, com a utiliza¸ca˜o do gerador de impulsos. Na Figura 2.5, o sinal verde (referente ao comportamento da Equa¸c˜ao 2.11) ´e formado pelo sinal vermelho subtra´ıdo do azul. Essa Figura visa mostrar o desenvolvimento do impulso de tens˜ao, mas seus detalhes como amplitude e outras caracter´ısticas ser˜ao mencionadas no Cap´ıtulo 3.

Figura 2.5: Forma¸c˜ao do impulso de tens˜ao com a jun¸c˜ao de duas exponenciais [6]

9

2.2

Gerador de impulsos com onze est´ agios

Visando a constru¸c˜ao de um gerador que fosse capaz de produzir tens˜oes mais elevadas, Marx desenvolveu, em 1923, um modelo de gerador de impulsos com mais de um est´agio [7]. Junto a` essa prioridade, ele buscava reduzir, nessa constru¸ca˜o, o aparecimento de eventuais problemas como: • Dificuldade de ajuste das esferas centelhadoras na realiza¸ca˜o de disparos; • Falta de elementos do circuito que possu´ıssem dimens˜oes maiores, de acordo com o tamanho do equipamento que estava sendo desenvolvido e que seriam utilizados no seu funcionamento; • Dificuldade na obten¸c˜ao de uma tens˜ao cont´ınua elevada; • Aparecimento de descargas el´etricas em condutores, provenientes da ioniza¸c˜ao do ar. Esse gerador tem o princ´ıpio de carregar em paralelo um banco de capacitores com uma tens˜ao cont´ınua pr´e-definida. Em seguida, esse banco inicia seu processo de descarregamento de energia em s´erie e, atrav´es da utiliza¸ca˜o de resistores e alguns capacitores, um impulso de tens˜ao com uma amplitude significantemente maior ´e formado no final do processo. De acordo com a tens˜ao final que se deseja obter com a aplica¸c˜ao desse gerador, utiliza-se um n´ umero espec´ıfico de est´agios. Assim, alguns geradores de impulsos foram constru´ıdos com o mesmo princ´ıpio desenvolvido por Marx. O Gerador de impulsos da Figura 2.1, possui onze est´agios, podendo ser representado pelo circuito esquem´atico da Figura 2.6. Com a Figura 2.6, ´e poss´ıvel visualizar o modelo desenvolvido por Marx e entender melhor alguns conceitos. Inicialmente uma tens˜ao alternada (Vac ) ´e retificada para uma tens˜ao cont´ınua Vo . Ocorre ent˜ao o carregamento em paralelo dos bancos de capacitores Cs dos onze est´agios (com mesma tens˜ao), com o aux´ılio dos resistores de carga e de potencial. Para promover uma maior distribui¸ca˜o de tens˜ao entre os est´agios, dois capacitores em s´erie foram utilizados para produzir a capacitˆancia 10

Figura 2.6: Circuito completo do gerador de impulsos

11

equivalente desejada por est´agio. O carregamento de energia dos capacitores Cs ocorre em paralelo pelo fato das esferas centelhadoras estarem produzindo um efeito de circuito aberto do sistema. Quando os capacitores Cs estiverem totalmente carregados, ocorre o comando de disparo das esferas, quando elas deixam de atuar como circuito aberto e passam a ser um curto-circuito. Existem duas maneiras de promover esse disparo: 1. Aumentando a tens˜ao at´e ionizar o ar no gap entre as esferas. Dessa forma, ocorre o disparo da tens˜ao pela diferen¸ca de potencial nos dois pontos. 2. Manter a tens˜ao constante nas esferas e diminuir o espa¸co existente entre elas, gradativamente, at´e ocorrer o disparo. Nos ensaios realizados para este trabalho, o centelhamento no gerador ´e efetuado de acordo com o item 2, descrito anteriormente. Feito o disparo entre o par de esferas do primeiro est´agio, as esferas centelhadoras fecham o circuito, os capacacitores Cs descarregam em s´erie sobre os resistores em s´erie e paralelo, os demais est´agios disparam e seguem o mesmo processo. As resistˆencias em s´erie, em paralelo, os capacitores Cs e a capacitˆancia representada pelo equipamento que ser´a acoplado ao gerador de impulsos s˜ao os principais parˆametros respons´aveis pela forma¸ca˜o do sinal de tens˜ao. Para uma melhor compreens˜ao do circuito no momento que ocorre o disparo, o gerador da Figura 2.6 pode ser simplificado e representado atrav´es de um est´agio apenas (como na Figura 2.2), sendo: A capacitˆancia do gerador total: 1 Cstotal

n X 1 = Cs i=1

(2.14)

a resistˆencia s´erie total: Rstotal =

n X i=1

12

Rs

(2.15)

e a resistˆencia em paralelo total:

Rptotal

=

n X

Rp

(2.16)

i=1

Sendo n o n´ umero de est´agios do gerador.

2.2.1

Trigatron

Dentro do primeiro est´agio do gerador, existe um sistema de disparo conhecido com Trigatron. Este ´e composto por dois eletrodos na forma de esferas, sendo que uma est´a aterrada, e a distˆancia entre as duas forma o gap principal. A esfera conectada com o terra possui na sua parte interna uma haste met´alica cuja extremidade coincide com o n´ıvel da superf´ıcie externa da esfera, o que origina um gap anular nessa mesma esfera, com aproximadamente 1 mil´ımetro de comprimento (Figura 2.7). A dimens˜ao do gap principal ´e regulada de acordo com o n´ıvel de tens˜ao que o gerador ser´a carregado. Geralmente, a distˆancia estipulada para esse gap ´e um pouco superior que sua dimens˜ao cr´ıtica para que n˜ao ocorra nenhuma descarga disruptiva indesejada, j´a que a regi˜ao entre as esferas est´a ionizada [8]. Assim, um pulso de tens˜ao de 10 kV ´e aplicado na extremidade da haste met´alica que est´a oposta ao gap anular, que provoca um centelhamento no mesmo, fazendo com que ocorra uma descarga disruptiva no gap principal. O trigatron pode ser colocado apenas no primeiro est´agio do gerador de impulso e, mesmo assim, ´e poss´ıvel acionar os outros est´agios tamb´em, j´a que, por meio da irradia¸ca˜o luminosa provocada no gap principal e sobretens˜oes internas originadas pela descarga, o est´agio seguinte dispara. Assim, ocorrem os mesmos fatos descritos anteriormente no segundo est´agio, que provocam o disparo do terceiro e dos outros, consecutivamente, at´e todos os est´agios serem disparados.

13

Figura 2.7: Esquema do mecanismo formado pelo Trigatron

O trigatron deve atuar dentro de uma faixa espec´ıfica, para que desempenhe bom funcionamento no sistema em que est´a aplicado [8]. A faixa de opera¸c˜ao (FO) ´e definida por: FO =

(VDC − VM in ) × 100% VDC

(2.17)

sendo: VDC - Tens˜ao m´axima cont´ınua que o gap principal suporta, sem que o mecanismo de disparo do trigatron inicie a opera¸c˜ao. Isso indica que acima de VDC ocorre um disparo sem controle denominado de Self firing; VM in - Tens˜ao m´ınima cont´ınua, em que descarga ´e garantida com a aplica¸c˜ao do pulso de disparo. Dessa forma, com uma tens˜ao inferior a VM in o gap principal n˜ao dispara, nem com o aux´ılio do trigatron. Esse efeito ´e denominado de No firing. Assim, ´e desejado uma faixa de opera¸ca˜o mais ampla poss´ıvel, para que perturba¸co˜es externas como poeiras ou ru´ıdos n˜ao causem o funcionamento inadequado do trigatron.

2.2.2

Obten¸ c˜ ao da Resistˆ encia s´ erie total

Para a realiza¸ca˜o dos ensaios el´etricos, ´e necess´ario determinar os valores das resistˆencias e capacitˆancias presentes no circuito. Dessa maneira, ser´a poss´ıvel ajustar

14

a forma de onda de cada ensaio, de acordo com as especifica¸co˜es de cada equipamento el´etrico. Para esse procedimento, costuma-se desprezar a resistˆencia em paralelo e o circuito equivalente fica como na Figura 2.8 [2].

Figura 2.8: Circuito considerado no c´alculo de Rs

Sendo que: Vo - Tens˜ao aplicada no circuito; Vt - Tens˜ao de carregamento da capacitˆancia de carga conforme a varia¸ca˜o do tempo; Rs - Resistˆencia em s´erie total do circuito; Cf - Capacitor de frente; Cie - Capacitˆancia do equipamento sob teste; Cdt - Capacitˆancia do divisor de tens˜ao; Cs - Capacitˆancia do gerador de impulso.

Ent˜ao, considerando a formula¸ca˜o do circuito RC para carregamento de capacitores [9]: −Tf

Vt = Vo × [1 − e Rs C ]

(2.18)

dessa forma, ´e poss´ıvel definir C como:

C=

Cs × (Cf + Cie + Cdt ) Cs + Cf + Cie + Cdt

Considerando: 15

(2.19)

• Tempo de frente (Tf ) visto na norma ABNT NBR IEC 60060-1 [4]; • Tempo em que o impulso atinge 90% da tens˜ao de pico T90% na subida da onda; • Tempo em que o impulso atinge 30% da tens˜ao de pico T30% na subida. temos que:

Tf = 1, 67 × (T90% − T30% )

(2.20)

substituindo Tf e aplicando a defini¸ca˜o de T90% na Equa¸ca˜o 2.18:

0, 9Vo = Vo × [1 − e

0, 1Vo = e

−T90% Rs C

]

−T90% Rs C

(2.21)

(2.22)

aplicando a defini¸c˜ao de T30% na Equa¸ca˜o 2.18:

0, 3Vo = Vo × [1 − e

0, 7Vo = e

−T30% Rs C

]

−T30% Rs C

(2.23)

(2.24)

dividindo a Equa¸c˜ao 2.24 pela 2.22 e aplicando o logaritmo neperiano em ambos os lados da equa¸c˜ao resultante, temos que:

1, 946 =

T90% − T30% Rs C

(2.25)

substituindo a Equa¸c˜ao 2.20 em 2.25:

Tf = (1, 67 × 1, 946) × Rs C = 3, 25 × Rs C

16

(2.26)

Rs =

Tf 3, 25 × C

(2.27)

´ importante observar que o valor de Rs encontrado na Equa¸c˜ao 2.27, ´e a resistˆencia E s´erie total, ou seja, ´e a soma das resistˆencias em s´erie internas de cada est´agio e a resistˆencia externa.

2.2.3

Obten¸ c˜ ao da Resistˆ encia em paralelo total

Para encontrar a resistˆencia em paralelo total do circuito, temos que desprezar a resistˆencia s´erie [2]. Para isso, considera-se o circuito da Figura 2.9.

Figura 2.9: Circuito considerado no c´alculo de Rp

Considerando os mesmos parˆametros descritos na Se¸c˜ao 2.2.2, sabendo que Rp ´e a resistˆencia em paralelo total do circuito e Tc ´e o tempo de cauda do impulso de tens˜ao, temos que:

−Tc

Vt = Vo × e Rp C 0

(2.28)

C 0 = Cs + Cf + Cie + Cdt

(2.29)

C’ ´e definido como:

sabendo que o tempo de cauda ´e o momento em que o decaimento do impulso de tens˜ao atinge 50% do valor de pico da forma de onda, temos que:

17

−Tc

0, 5Vo = Vo × e Rp C 0

(2.30)

aplicando o logaritmo neperiano:

Tc = 0, 7 × Rp × C 0

Rp =

2.3

Tc 0, 7 × C 0

(2.31)

(2.32)

Apresenta¸c˜ ao dos Componentes do circuito de ensaio

Conhecendo o tipo de circuito do gerador de impulsos e seu processo de funcionamento, ´e poss´ıvel determinar cada componente da rede atrav´es de uma an´alise visual do gerador e, assim, conhecer os principais elementos que o constituem.

2.3.1

Resistores de frente de impulso ou resistor s´ erie (Rsi e Rse ):

Este resistor tem rela¸ca˜o direta com a indutˆancia do circuito de impulso e com a sua carga capacitiva. Com o objetivo de reduzir as oscila¸co˜es na forma de impulso atmosf´erico, pode ser usado adicionalmente um resistor s´erie externo ao gerador, definido por Rse . O Rse tem normalmente o formato de fita, pode ser ajustado de acordo com o ensaio e possui um n´ıvel de isolamento nominal de 300 kV por metro. A parcela interna da resistˆencia s´erie ´e fixa e definida por Rsi .

18

(a)

(b)

Figura 2.10: Resistˆencia s´erie interna (a) e externa (b) do gerador [3].

2.3.2

Retificador:

´ o respons´avel por produzir uma tens˜ao de corrente cont´ınua suficiente para proE mover o carregamento dos capacitores de todos os est´agios do gerador, em paralelo. Por isso, ´e considerado fundamental na montagem do circuito do gerador. Pode ser de diversos tipos, como monof´asicos ou trif´asicos, em meia ponte ou ponte completa, mas nesse caso especificamente, ´e monof´asico com ponte completa. O retificador possui um reversor de polaridade motorizado, que permite ao operador aplicar tens˜ao positiva ou negativa ao equipamento de teste, atrav´es do gerador de impulsos e um resistor de amortecimento, para reduzir uma poss´ıvel sobretens˜ao, atrav´es da limita¸ca˜o da corrente decorrente de um eventual curto-circuito.

19

Figura 2.11: Retificador [3]

2.3.3

Capacitˆ ancia do gerador de Impulso (Cs ):

Respons´avel por realizar o carregamento da energia at´e o valor de tens˜ao desejado para a aplica¸ca˜o. Possuem resistˆencia interna e indutˆancia pr´oximas de zero, sendo poss´ıvel, dessa forma, que o capacitor opere com alta carga na aplica¸ca˜o do impulso. Necessitam de apoio isolante para a sustenta¸ca˜o, pois s˜ao utilizados dois capacitores em s´erie para a forma¸c˜ao da capacitˆancia total do gerador. S˜ao repletos de o´leo isolante mineral que fica acomodado em tanques met´alicos bem lacrados.

20

Figura 2.12: Capacitˆancia do gerador [3]

2.3.4

Esferas centelhadoras:

Desempenham a fun¸c˜ao de colocar os est´agios do gerador em paralelo ou s´erie, de forma que o carregamento ocorra em paralelo e o disparo ocorra em s´erie, para que seja aplicado o somat´orio das tens˜oes das esferas no objeto de ensaio. Deve possuir um m´etodo de disparo bastante seguro e eficaz, para que n˜ao ocorram falhas na ´ nas esferas aplica¸ca˜o do impulso, nem poss´ıveis acidentes de disparo antecipado. E que ocorre o m´etodo de disparo conhecido como trigatron.

Figura 2.13: Esferas centelhadoras de um est´agio do gerador [3]

21

2.3.5

Resistor de cauda de impulso ou resistor paralelo (Rp ):

´ o respons´avel por Est´a relacionado com a capacitˆancia do gerador de impulso. E auxiliar uma melhor distribui¸c˜ao da tens˜ao entre os est´agios do gerador durante o seu carregamento.

Figura 2.14: Resistor paralelo de um est´agio do gerador [3]

2.3.6

Capacitor de frente (Cf ):

Assim que ocorre o disparo das esperas, este capacitor se comporta como um curtocircuito e, com isso, circula muita corrente pelo mesmo, acontecendo o ac´ umulo de ` medida que o tempo passa, alcan¸ca seu n´ıvel m´aximo de energia e, em tens˜ao. A seguida, descarrega gradativamente.

22

Figura 2.15: Capacitor de frente do fabricante Haefely [3]

2.3.7

Divisor de Tens˜ ao Resistivo:

Utilizado para possibilitar a medi¸c˜ao de tens˜ao no equipamento de teste, durante a aplica¸ca˜o do impulso. Transmite ao oscilosc´opio uma tens˜ao de sa´ıda proporcional a` tens˜ao de entrada do divisor, de forma que seja vi´avel ao instrumento medir de maneira segura e confi´avel. Sua principal vantagem ´e possuir um curto tempo de resposta, por isso s˜ao aplicados em ensaios com impulsos atmosf´erico.

23

Figura 2.16: Divisor de tens˜ao resistivo [3]

O divisor da Figura 2.16 possui o seguinte circuito equivalente, considerando as capacitˆancias e indutˆancias parasitas existentes:

Figura 2.17: Circuito do divisor de tens˜ao resistivo [10]

Os divisores resistivos possuem duas desvantagens: A primeira ´e que seu funcionamento n˜ao ´e adequado para sinais com alta frequˆencia, pela resposta do circuito da Figura 2.17 possuir ganho unit´ario at´e alguns mega-hertz e por tornarem relevantes os efeitos das capacitˆancias parasitas [10]. Assim, para um bom desempenho do funcionamento do divisor, ´e indicado usar resistores com baixos valores, na ordem de at´e 1 kΩ [11]. A segunda ´e o fato do gerador identificar o divisor como uma carga resistiva, 24

provocando uma complica¸ca˜o no ajuste da forma de onda. O gerador deve ser adaptado para considerar o divisor utilizado, substituindo seus resistores s´eries por outros de baixo valor. A utiliza¸ca˜o de baixas resistˆencia melhoram a execu¸c˜ao das fun¸co˜es em alta frequˆencia, mas faz com que o divisor se comporte como um curto-circuito no sistema. Isso prejudica a medi¸ca˜o de impulsos acima de alguns micro-segundos [10]. Quando se trata de um ensaio com impulso de manobra (visto no Cap´ıtulo 3), n˜ao ´e aconselh´avel utilizar um divisor resistivo, pelo fato de seu tempo de resposta ser bastante r´apido e pelos componentes do divisor proporcionarem uma absor¸c˜ao de pouca energia. Por isso, ele ´e o mais utilizado para impulsos atmosf´ericos plenos ou cortados e para geradores que produzem at´e 1 MV [11]. Deve possuir altura adequada para garantir o isolamento el´etrico para elevadas tens˜oes.

Efeitos capacitivos: As capacitˆancias parasitas s˜ao indesej´aveis na realiza¸ca˜o do ensaio, por originarem diversas oscila¸co˜es na forma de onda produzida pelo gerador e por prejudicarem o desempenho dinˆamico desses divisores.

Efeitos indutivos: As indutˆancias s˜ao provenientes dos resistores utilizados para a constru¸ca˜o dos divisores, sendo evidenciadas em divisores com baixas resistˆencias, como nesse caso. Elas se tornam consider´aveis por estarem associadas a` constante de tempo indutiva (L/R) do circuito do divisor[11]. Assim, existem resistores projetados para possu´ırem baixo valor oˆhmico e baixa indutˆancia, mas que n˜ao conseguem absorver a energia total que ´e transmitida pelo gerador, j´a que esse divisor provoca um aumento na energia dissipada nos resistores em alta tens˜ao.

25

2.3.8

Resistor de carga (Rc ):

Desempenham a fun¸ca˜o de limitar a corrente de carga dos capacitores do gerador de impulso.

Figura 2.18: Resistor de carga de um est´agio do gerador [3]

2.3.9

Resistor de descarga (Rerd ):

Possui a fun¸c˜ao de escoar a carga residual dos capacitores de impulso ap´os o funcionamento do gerador e de imediatamente aterrar o gerador com o surgimento de qualquer emergˆencia durante sua opera¸c˜ao. Sem esses resistores, no aparecimento de um problema que necessite o aterramento do circuito, poderia ocorrer o disparo do primeiro est´agio do gerador (e, consequentemente, dos outros est´agios), decorrente da liga¸ca˜o direta entre o gerador e o terra atrav´es do acionamento da chave de aterramento. S˜ao posicionados em s´erie com a parte m´ovel dessa chave do gerador de impulso.

26

Figura 2.19: Resistor de descarga [3]

2.3.10

Resistor de potencial (Rpot ):

Possui elevada resistˆencia. Destina-se a promover o aterramento da carca¸ca dos capacitores do gerador e auxiliar o controle da distribui¸ca˜o de potencial durante o carregamento dos est´agios em opera¸c˜ao. Este u ´ltimo ´e o motivo de serem normalmente empregados em geradores de impulsos com mais de um capacitor por est´agio.

Figura 2.20: Resistor de potencial [3]

27

2.3.11

Chopping Gap:

´ um centelhador formado com eletrodos esfera-esfera, separados pelo ar (gap). Tem E o objetivo de produzir uma descarga el´etrica e, consequentemente, o corte na cauda ou frente do impulso de tens˜ao.

Figura 2.21: Chopping gap do fabricante Haefely [3]

2.3.12

Atenuador:

´ um dispositivo eletrˆonico com aplica¸ca˜o no sistema de medi¸c˜ao, que reduz a amE plitude e potˆencia de um sinal, sem produzir uma distor¸ca˜o not´avel na sua forma de onda. Tamb´em protege os equipamentos de medi¸c˜ao contra n´ıveis de tens˜oes que possam danific´a-los. Nesse trabalho, atenuador possui rela¸ca˜o 20:1.

Figura 2.22: Atenuador [3]

28

2.3.13

Gaps Auxiliares:

Os gaps auxilares possuem a finalidade de melhorar a confiabilidade do trigatron e ampliar a faixa de opera¸ca˜o do gerador de impulso. Esses dispositivos disparam no intervalo de tempo entre o disparo do est´agio em que est˜ao conectados e o disparo do est´agio posterior.

Figura 2.23: Gap Auxiliar [3]

2.4

Funcionamento do gerador de impulsos em laborat´ orio

Para a opera¸c˜ao do gerador do Cepel, ´e necess´ario atribuir uma polaridade, positiva ou negativa, e um n´ıvel de amplitude desejada (Vac ) ao impulso de tens˜ao. O operador controla o funcionamento do gerador atrav´es da manipula¸ca˜o de um software no computador do laborat´orio, definido como GC 257 Impulse (Figura 2.24). No GC 257, podem ser alterados diversos parˆametros como a tens˜ao aplicada, o tipo de polaridade, a distˆancia entre o gap das esferas, o tempo para o disparo do gerador e acionamento do chopping gap. Depois da aplica¸c˜ao do impulso, ´e poss´ıvel observar a tens˜ao total gerada, o rendimento (eficiˆencia) do gerador e corrente medida, que ser˜ao os valores mais utilizados nesse trabalho. Aplicados os parˆametros desejados no GC 257, o sistema inicia o funcionamento do gerador. Um retificador carrega em paralelo o banco de capacitores do gerador com uma tens˜ao cont´ınua (Vo ). Quando o banco conclui seu carregamento total, um circuito comparador indica ao circuito de trigger que a tens˜ao escolhida inicialmente 29

Figura 2.24: Interface do programa utilizado para controlar o gerador de impulsos do fabricante Haefely [3].

30

foi alcan¸cada. O circuito de trigger ´e um detector que gera um pulso ao GC 257 para indicar que o sinal comparado atingiu a tens˜ao especificada no programa. Em seguida, o GC 257 envia ao gerador um comando de disparo para o primeiro par de esferas centelhadoras, que funciona como uma chave controlada por tens˜ao, estando aberta no momento inicial. Essas esferas s˜ao eletrodos que possuem o mecanismo de disparo trigatron. Esse dispositivo consiste na existˆencia de uma haste met´alica dentro de uma esfera, que gera um centelhamento na regi˜ao ionizada entre os eletrodos, provocando o disparo, como foi explicado com detalhes na se¸c˜ao 2.2.1. A descarga disruptiva gerada provoca o fechamento em s´erie do circuito e, simultaneamente, envia um transit´orio de tens˜ao para os outros est´agios, que dispara todas as outras esferas do gerador. Com isso, toda a tens˜ao de carga de cada capacitor ´e somada, ficando evidenciado que o gerador carregou os capacitores em paralelo e realizou o descarregamento dos mesmos em s´erie. O gerador produzir´a no final do ciclo a tens˜ao dos onze est´agios somados, formando a crista do impulso. Para analisar mais claramente o comportamento do circuito completo do gerador, podemos simplificar o estudo e observar o circuito equivalente em um est´agio apenas (Figura 2.25).

Figura 2.25: Circuito equivalente do gerador de impulso

Sendo Cie a capacitˆancia proveniente do equipamento sob ensaio, Cdt a capacitˆancia do divisor de tens˜ao e os parˆametros Cs , Rs e Rp definidos na Equa¸co˜es ´ importante entender como funciona esse cir2.14, 2.15 e 2.16, respectivamente. E cuito no momento em que ocorre o disparo das esferas. Para isso, foram feitos dois esquemas que podem ser visualizados em seguida, que facilitam a compreens˜ao desse fenˆomeno.

31

A teoria de circuitos el´etricos [9] indica que um capacitor no instante inicial, funciona como curto-circuito para um pulso de corrente e, conforme ocorre o carregamento desse capacitor, este adquire caracter´ısticas de circuito aberto, sendo que no final do processo de armazenamento de energia, n˜ao circula mais corrente alguma por este componente. Com isso, no instante que ocorre o disparo das esferas, a corrente inicial se divide. Como o capacitor de frente (Cf ) se comporta como um curto-circuito, a corrente inicial flui quase completamente pelo (Cf ) e uma parcela desprez´ıvel dessa corrente flui pelo resistor em paralelo. Este processo continua at´e que o n´ıvel de tens˜ao de descarga entre as esferas e o de carga (formada pelo capacitor de frente, equipamento sob ensaio - Cie e divisor de tens˜ao - Cdt ) se igualem (Figura 2.26). O ponto m´aximo de energia acumulada no capacitor de frente ´e conhecido como tens˜ao de crista e a parte da onda formada at´e esse ponto ´e denominada frente de onda (Figura 2.27). A constante de tempo da subida do impulso, originado por esse carregamento, ´e dada pelo resistor s´erie e pela capacitˆancia de frente (observa-se que essa capacitˆancia encontra-se em paralelo com a capacitˆancia do equipamento de teste).

Figura 2.26: Circuito mostrando o carregamento do capacitor de frente

32

Figura 2.27: Impulso de tens˜ao formado no carregamento dos capacitores de frente e de carga visto na Figura 2.26 [6]

Quando o capacitor de frente alcan¸ca seu ponto m´aximo de carregamento (Figura 2.26), a passagem de corrente atrav´es deste componente ´e interrompida. Come¸ca, ent˜ao, o processo de descarga desse capacitor, momento que acontece a invers˜ao do sentido da corrente, que passa a circular pelo resistor em s´erie e, em seguida, pelo resistor em paralelo (Figura 2.28). A constante de tempo da cauda desse impulso ´e dada pelo resistor em paralelo (que nessa etapa est´a em s´erie com a resistˆencia s´erie, em decorrˆencia das esferas estarem produzindo um efeito de circuito aberto no sistema) e pela capacitˆancia do gerador. Dessa forma, ocorre a produ¸ca˜o da cauda do impulso de tens˜ao gerado (Figura 2.29).

33

Figura 2.28: Circuito mostrando o descarregamento do capacitor do frente

Figura 2.29: Impulso de tens˜ao formado no descarregamento dos capacitores de frente e de carga visto na Figura 2.28 [6]

Como mencionado, a resistˆencia em s´erie est´a diretamente relacionada com a forma¸ca˜o da frente do impulso de tens˜ao, ou seja, quanto maior seu valor oˆhmico, maior ser´a a dura¸ca˜o do tempo da frente de onda, como pode ser visualizado na Figura 2.30. 34

Figura 2.30: Varia¸ca˜o da frente da forma de onda de acordo com a varia¸ca˜o de Rs [6]

A resistˆencia em paralelo, possui uma liga¸c˜ao com a forma¸c˜ao da cauda do impulso de tens˜ao. Assim, quanto maior o valor dessa resistˆencia, mais lento ser´a o decaimento da onda (Figura 2.31).

35

Figura 2.31: Varia¸ca˜o da cauda da forma de onda de acordo com a varia¸c˜ao de Rp [6]

36

Cap´ıtulo 3 Impulsos de tens˜ ao O objetivo principal deste cap´ıtulo ´e apresentar os diferentes tipos de impulsos de tens˜ao que podem ocorrer numa rede de transmiss˜ao de energia el´etrica e em diversos equipamentos. Embora o sistema el´etrico opere sem consider´aveis oscila¸co˜es na rede em grande parte do tempo, este deve ser capaz de suportar qualquer demanda elevada de energia, que ´e geralmente originada durante uma situa¸c˜ao transit´oria no sistema el´etrico. Por essa raz˜ao, os transit´orios s˜ao um fator decisivo no desenvolvimento de uma rede de energia, na elabora¸c˜ao das especifica¸c˜oes dos elementos que as constituem e no dimensionamento do isolamento das linhas de transmiss˜ao e subesta¸c˜oes. Nos sistemas, os transit´orios el´etricos podem ocorrer devido a` uma s´erie de motivos, sendo que estes podem produzir sobretens˜oes, sobrecorrentes, forma de onda fora das condi¸co˜es normais e transit´orios eletromecˆanicos. A sobretens˜ao ser´a o efeito transit´orio mais estudado neste trabalho e o que motivou a execu¸ca˜o dos ensaios el´etricos que ser˜ao vistos no Cap´ıtulo 4. Sobretens˜ao ´e uma condi¸c˜ao que varia com o decorrer do tempo, cuja principal caracter´ıstica ´e possuir amplitudes maiores que o valor de crista da tens˜ao de um √ sistema, lembrando que tens˜ao m´axima trif´asica ´e a tens˜ao de pico dividida por 3 ´ relevante considerar o valor desta e monof´asica ´e a pr´opria tens˜ao de pico [12]. E u ´ltima pelo fato ser poss´ıvel ocorrer uma sobretens˜ao entre as fases da rede el´etrica ou entre uma fase e terra. 37

A localiza¸c˜ao desse evento transit´orio ´e uma importante caracter´ıstica que determina a origem e o tipo de sobretens˜ao. A de origem externa ocorre fora do ambiente que pertence ao sistema el´etrico, sendo geralmente provenientes de descargas atmosf´ericas. A de origem interna acontece dentro do espa¸co de uma rede de transmiss˜ao, produzida a partir de surtos de manobras ou curto-circuito. Assim as sobretens˜oes s˜ao classificadas de acordo com sua localiza¸ca˜o, quanto ao seu comportamento, n´ıvel de amortecimento e tempo de dura¸ca˜o, sendo definidas como Impulso atmosf´erico ou Impulso de Manobra [12]. Com isso, torna-se necess´ario testar diversos elementos de uma linha de transmiss˜ao, assim como seus equipamentos, quanto a` tens˜ao suport´avel sob impulso atmosf´erico ou de manobra, a fim de melhorar as condi¸c˜oes de isolamento e suas caracter´ısticas de projeto. Dependendo do n´ıvel de tens˜ao nominal do equipamento el´etrico ´e poss´ıvel indicar o tipo de impulso de tens˜ao que poder´a ser aplicado, conforme pode ser visualizado na Tabela 3.1. Os impulsos atmosf´ericos s˜ao utilizados em equipamentos com classes de tens˜ao de 720 V a 750 kV, porque estes est˜ao sujeitos a danos por descargas externas. Os surtos de manobra apenas causam falhas significativas em equipamentos com tens˜ao nominal acima de 230 kV, no qual a sua magnitude ´e consider´avel [13]. Tabela 3.1: Tipos de impulsos aplicados aos ensaios de acordo com n´ıvel de tens˜ao do equipamento [13] Aplica¸c˜ ao

Tens˜ ao nominal preferencial dos equipamentos

Manobra

maior que 230 kV

Atmosf´erico

at´e 750 kV

As pr´oximas se¸co˜es tˆem a finalidade de promover um estudo mais detalhado e, consequentemente, o melhor conhecimento dos impulsos atmosf´ericos e de manobra.

38

3.1

Formas de Impulsos

3.1.1

Impulso Pleno

A principal caracter´ıstica de um impulso de tens˜ao pleno ´e a inexistˆencia de uma interrup¸c˜ao repentina causada por uma descarga disruptiva, sendo representado por uma onda completa. Este tipo descarga est´a associada a` falha do isolamento do equipamento diante de uma perturba¸c˜ao el´etrica.

Figura 3.1: Impulso de tens˜ao pleno [3]

Para entender melhor cada tipo de impulso, ´e necess´ario definir alguns parˆametros que ser˜ao utilizados na realiza¸c˜ao de ensaios el´etricos. ´ definido por: Tempo de frente (Tf ) - E

Tf = 1, 67 × (T90% − T30% )

(3.1)

Sendo: T30% - tempo correspondente ao instante que o impulso atinge 30% da tens˜ao de pico (ponto 1). 39

T90% - tempo correspondente ao instante que o impulso atinge 90% da tens˜ao de pico (ponto 2).

Esses valores s˜ao resultados de uma semelhan¸ca de triˆangulos que pode ser observada na Figura 3.1 (triˆangulos O0 1T30% , O0 2t90% e O0 Vp Tp ); Tempo de cauda (Tc ) - Conhecido como o intervalo de tempo entre a origem virtual (O’) e o instante equivalente `a metade do valor de crista na cauda da onda (ponto 3); Tempo de pico (Tp ) - Corresponde ao tempo que a onda atinge o valor da tens˜ao de pico; Origem virtual (O’) - Ponto definido na interse¸ca˜o entre o eixo x e a reta constitu´ıda pelos instantes T30% e T90% (ponto 1 e 2, respectivamente); Tens˜ ao de pico (Vp ) - Tens˜ao m´axima visualizada no impulso de tens˜ao, tamb´em conhecida como tens˜ao de crista; Origem (O) - Instante que o impulso de tens˜ao come¸ca a ser registrado.

3.1.2

Impulso Cortado na Cauda

O impulso cortado na cauda (Figura 3.2) possui como caracter´ıstica uma interrup¸c˜ao por uma descarga disruptiva, causando uma queda brusca de tens˜ao at´e um valor nulo. Nessa queda pode haver o surgimento de oscila¸co˜es, sendo a mesma demonstrada por um corte na forma de onda, que ocorre na cauda do impulso de tens˜ao.

40

Figura 3.2: Impulso de tens˜ao cortado na cauda [3]

O centelhador externo Chopping gap ´e o respons´avel por provocar corte na forma onda semelhante ao da Figura 3.2. Tempo de corte (Tc ) - Conhecido como o intervalo de tempo entre a origem virtual (O’) e o momento que ocorre o corte da onda. As defini¸c˜oes da origem virtual (O’), tens˜ao de pico (Vp ) e tempo de frente (Tf ) s˜ao equivalentes as mencionadas na Se¸c˜ao 3.1.1. Assim como o impulso atmosf´erico pleno, o impulso cortado tamb´em possui uma padroniza¸c˜ao para sua aplica¸ca˜o. Na forma normalizada, o tempo de corte do impulso cortado deve pertencer ao intervalo entre 2µs e 6µs [8].

3.1.3

Impulso Cortado na frente da onda

Existe ainda mais um tipo, denominado impulso cortado na frente da forma de onda (Figura 3.3). Este ´e caracterizado por uma interrup¸c˜ao repentina na tens˜ao, antes de o impulso alcan¸car seu valor de tens˜ao m´axima.

41

Figura 3.3: Impulso de tens˜ao cortado na frente de onda [3]

Sendo: Vp - Tens˜ao de pico (conforme defini¸ca˜o da Se¸ca˜o 3.1.1); Tc - Tempo de corte (conforme defini¸ca˜o da Se¸ca˜o 3.1.2); O’ - Origem virtual (conforme defini¸ca˜o da Se¸ca˜o 3.1.1); Tf - Tempo de frente (conforme defini¸ca˜o da Se¸c˜ao 3.1.1).

3.1.4

Importˆ ancia do conhecimento dos tipos de impulsos

Para a an´alise das sobretens˜oes existentes em um sistema el´etrico, ´e importante conhecer as caracter´ısticas de cada impulso (pleno e cortado). Devido a` opera¸c˜ao de diversos tipos de equipamentos de prote¸ca˜o e as perdas promovidas pelas diferentes configura¸c˜oes da rede el´etrica, v´arias formas de onda de surtos de tens˜ao s˜ao observadas nos sistemas de alta tens˜ao. Os impulsos plenos (Figura 3.1) simulam falhas que se propagam por um determinado comprimento da linha de transmiss˜ao antes de atingir o equipamento 42

el´etrico. Dessa forma, o surto de tens˜ao varia de zero at´e a crista e decai at´e o tempo de meio valor, com caracter´ısticas semelhantes a`s das formas de onda padronizadas nas Se¸c˜oes 3.2 e 3.3. A forma de onda plena causa o desenvolvimento de maiores oscila¸c˜oes de tens˜ao devido sua maior dura¸c˜ao, necessitando de consider´aveis solicita¸co˜es de isolamento do equipamento. Os impulsos cortados na cauda (Figura 3.2) podem acontecer em decorrˆencia do rompimento do isolamento em pontos espec´ıficos do circuito (como isoladores ou ´arvores pr´oximas das linhas), resultando em ondas com uma grande varia¸c˜ao da amplitude de tens˜ao. Por exemplo, simulam a condi¸ca˜o da crista da sobretens˜ao penetrar totalmente nos terminais de um transformador e, posteriormente, provocar uma disrup¸c˜ao em um isolador pr´oximo da linha de transmiss˜ao. Estes impulsos n˜ao produzem fortes oscila¸co˜es como os impulsos plenos, mas possuem amplitudes superiores, gerando tens˜oes mais elevadas. Finalmente, os impulsos cortados na frente da onda (Figura 3.3), simulam a condi¸ca˜o de uma sobretens˜ao atingir diretamente ou muito pr´oxima dos terminais de um equipamento, como um transformador. Assim, o elevado n´ıvel de crescimento da tens˜ao provoca uma disrup¸ca˜o no equipamento atingido. Estes impulsos possuem como caracter´ısticas tempo de dura¸c˜ao menor, mas elevada taxa de varia¸c˜ao. Desse modo, as trˆes formas de onda apresentadas, possuem diferentes tempos de dura¸co˜es e taxas de varia¸c˜oes, solicitando de maneira diferenciada as condi¸c˜oes de isolamento do equipamento em quest˜ao.

3.2

Impulso Atmosf´ erico

Os impulsos atmosf´ericos (Figura 3.4) s˜ao sobretens˜oes derivadas de surtos atmosf´ericos ou de outro evento externo que possua caracter´ısticas semelhantes ao impulso de tens˜ao atmosf´erico padronizado por norma ABNT NBR IEC 60060-1 [4], utilizado em ensaios el´etricos. Quando atingem o sistema, a amplitude das ondas de tens˜ao resultantes ´e limitada pelo N´ıvel B´asico de Isolamento (ver Se¸ca˜o 4.1). Podem ocorrer entre as fases ou entre fase-terra de um sistema el´etrico, com dura¸ca˜o 43

na ordem de microsegundos e com valor de amplitude m´axima na ordem de 6 p.u. [12]. Equipamentos, com determinado isolamento, conseguem suportar esse alto n´ıvel de tens˜ao devido a` curta dura¸c˜ao desse tipo de impulso. Normalmente, uma forma de onda ´e considerada uma sobretens˜ao originada de descargas atmosf´ericas quando a sua origem leva at´e 20 µs para alcan¸car seu valor m´aximo e at´e 50 µs para atingir 50% do seu valor de crista, considerando a partir do tempo em que ocorreu o valor de pico.

Figura 3.4: Impulso atmosf´erico em cadeia isoladores polim´ericos [3]

Esse tipo de sobretens˜ao pode ocorrer de trˆes diferentes maneiras: 1. Por tens˜ao induzida - A descarga el´etrica atinge o solo em um local pr´oximo da linha de transmiss˜ao. 2. Por falha da blindagem - Apesar da linha ser protegida com a utiliza¸ca˜o de cabos para-raios, a descarga el´etrica pode atingir um condutor de fase. Tratase de um fenˆomeno altamente prejudicial aos equipamentos el´etricos, por ser injetado um elevado n´ıvel de corrente no sistema, que propaga-se em forma de duas ondas em sentidos opostos.

44

3. Por descarga de retorno - A torre da rede de transmiss˜ao ou o cabo para-raio ´e atingido pela descarga el´etrica. Em seguida, ocorre um centelhamento entre o condutor de fase e o elemento atingido devido ao comportamento capacitivo existente entre eles. Isso faz com que o condutor seja exposto a um alto n´ıvel de energia, ficando no mesmo potencial el´etrico que o elemento. Assim, a sobretens˜ao ´e propagada para os demais componentes da rede el´etrica. Na aplica¸c˜ao de impulsos atmosf´ericos em ensaios el´etricos, com a finalidade de testar a capacidade de isolamento de diversos tipos de elementos de uma linha de transmiss˜ao, consideram-se formas de onda padronizadas, de acordo com a norma t´ecnica ABNT NBR IEC 60060-1 [4], que visam facilitar a gera¸ca˜o do impulso e an´alise dos resultados. Para um impulso atmosf´erico pleno, temos que a onda normalizada consiste num tempo de frente de 1,2 µs e tempo de cauda de 50 µs, tamb´em conhecido como impulso 1,2/50 µs [8]. As normas possuem tolerˆancias relativas aos tempos de frente e de cauda, tendo em vista que encontrar um ajuste de onda com esses valores exatos seria invi´avel. Assim, os impulsos atmosf´ericos desenvolvidos em testes de laborat´orios possuem as especifica¸co˜es da Tabela 3.2. Tabela 3.2: Tolerˆancias relativas a`s formas de onda de impulso atmosf´erico [4] Parˆ ametro Tempo de frente Tempo de cauda

3.3

Varia¸c˜ao da tolerˆancia ± 30% ± 20%

Tolerˆancia entre 0,84µs e 1,56µs entre 40µs e 60µs

Impulso de Manobra

Os impulsos de manobra (Figura 3.5) s˜ao sobretens˜oes provenientes do funcionamento de um equipamento de manobra ou defeito no sistema el´etrico. Vale lembrar que a norma ABNT NBR IEC 62271-102:2006 [14] define equipamentos de manobra como: ”Dispositivos el´etricos destinados a estabelecer ou interromper corrente el´etrica, em um ou mais circuitos el´etricos”, como disjuntores e chaves.

45

Embora sejam sobretens˜oes r´apidas na rede, os impulsos de manobra possuem maior dura¸ca˜o quando comparados aos atmosf´ericos. O tempo de frente de uma forma de onda considerada de manobra ocorre entre 100 µs e 500 µs e o tempo de cauda ´e visto em torno de 2500 µs [12]. O impulso de manobra pode existir em diversos pontos do sistema el´etrico, entre as fases ou entre fase-terra. Geralmente, possuem amplitudes inferiores a 4 p.u.

Figura 3.5: Impulso de manobra em cadeia de isoladores polim´ericos [3]

Este tipo de impulso tamb´em possui uma forma normalizada com o objetivo de ser utilizado em ensaios el´etricos para promover a an´alise de diferentes equipamentos. Por padr˜ao, esse impulso possui um tempo de frente com dura¸ca˜o de 250 µs e tempo de cauda com 2500 µs, conhecido como impulso 250/2500 µs [8]. Para a utiliza¸c˜ao de um impulso de manobra na realiza¸c˜ao de ensaios do isolamento el´etrico, ´e poss´ıvel considerar algumas tolerˆancias na forma de onda desenvolvida no local de ensaio em rela¸ca˜o a` forma normalizada. Essas especifica¸co˜es est˜ao descritas na Tabela 3.3. Outra caracter´ıstica ´e que o impulso de manobra possui um comportamento mais aleat´orio que o atmosf´erico. Com isso, dependendo de fatores como o n´ıvel de tens˜ao 46

Tabela 3.3: Tolerˆancias relativas a`s formas de onda de impulso de manobra [4] Parˆ ametro Tempo de frente Tempo de cauda

Varia¸c˜ao da tolerˆancia ± 20% ± 60%

Tolerˆancia entre 200µs e 300µs entre 1000µs e 4000µs

aplicado em ensaios que utilizam esse tipo de impulso e a existˆencia de materiais condutores pr´oximos ao equipamento ensaiado, podem ocorrer descargas el´etricas perigosas em diversos locais do laborat´orio.

47

Cap´ıtulo 4 Ensaios - Estudos de caso Foram realizados ensaios em diversos equipamentos el´etricos com o objetivo de analisar cada caso, validar o estudo sobre gerador de impulsos de tens˜ao e aplicar os conceitos te´oricos vistos anteriormente de forma pr´atica. O cap´ıtulo est´a dividido em se¸co˜es de acordo com o equipamento utilizado. No interior de cada uma, s˜ao descritos os aspectos observados e procedimentos feitos conforme a estrutura a seguir: 1. Descri¸c˜ao do equipamento sob ensaio; 2. Descri¸c˜ao do ensaio com impulso atmosf´erico; 3. Liga¸c˜ao efetuada em laborat´orio para a realiza¸ca˜o do ensaio; 4. C´alculos preliminares para o ajuste da forma de onda; 5. Simula¸ca˜o do ensaio de ajuste no Matlab; 6. Resultados. Para a execu¸c˜ao dos procedimentos propostos, utilizou-se o Laborat´orio de Ensaios Corona - AT2, situado no Cepel, que ´e apropriado para realiza¸ca˜o de ensaios diel´etricos que avaliam o isolamento de materiais el´etricos e medi¸c˜ao que possibilita a an´alise do desempenho desses equipamentos quando est˜ao expostos a altos n´ıveis

48

de tens˜ao. Um ensaio diel´etrico ´e realizado com base nas normas t´ecnicas existentes e tem como finalidade verificar se um equipamento est´a em conformidade com as tens˜oes suport´aveis nominais que determinam o seu n´ıvel de isolamento [12]. O ensaio diel´etrico, padronizado e utilizado neste trabalho, ´e o de tens˜ao suport´avel sob impulso atmosf´erico. Com isso, ´e necess´ario ter alguns cuidados. A aplica¸ca˜o de certos recursos s˜ao importantes para que os ensaios sejam efetuados de maneira segura e confi´avel, sendo aplicados em todos os experimentos. S˜ao eles: • Ligar o circuito de seguran¸ca do laborat´orio no quadro de ilumina¸ca˜o; • Verificar a integridade das ferramentas a serem utilizadas; • Utilizar somente equipamentos e circuitos de ensaios que podem ser analisados rapidamente, tanto no aspecto f´ısico (arranjo), quanto nos aspectos dos valores das capacitˆancias, indutˆancias e resistˆencias; • Checar vari´aveis dos equipamentos como, por exemplo, estado das conex˜oes e n´ıvel de bateria; • Checar os parˆametros de ensaios como os tipos de impulso que ser˜ao aplicados, grandezas dos resistores e capacitores no ensaio e conex˜oes do circuito em geral; • Estimar a capacitˆancia do equipamento de ensaio; • Realizar um layout do circuito o mais pr´oximo poss´ıvel da realidade; • Calcular a forma de onda aplicada no item sob ensaio da maneira mais precisa poss´ıvel; • Montar os circuitos de acordo com todas as normas de seguran¸ca, usando equipamentos de prote¸c˜ao individuais e utilizando os parˆametros do objeto de ensaio, mantendo-os dentro dos limites dos equipamentos; • Ligar o sistema de controle do gerador de impulsos, volt´ımetro de crista e oscilosc´opio; 49

• Verificar a rela¸ca˜o de tens˜ao do volt´ımetro e do divisor de tens˜ao; • Analisar os atenuadores ou filtros conectados na sa´ıda do divisor e na entrada do oscilosc´opio; • Verificar todas as conex˜oes a serem feitas para a chegada do sinal ao oscilosc´opio e ao volt´ımetro, se for o caso; • Salvar os oscilogramas que cont´em as formas de onda aplicadas no equipamento sob teste, sempre que necess´ario; • Incluir nos resultados do ensaio os oscilogramas gravados e detalhes vistos nos t´opicos anteriores, para demonstrar toda a execu¸ca˜o do ensaio; • Somente energizar o circuito quando possuir controle absoluto sobre o ensaio. Primeiramente, ´e detalhado o ensaio de tens˜ao suport´avel sob impulso atmosf´erico em um transformador trif´asico, que ´e o mais completo realizado. Em seguida, s˜ao explicados os ensaios com um isolador e transformador de corrente. Estes s˜ao procedimentos que possuem compreens˜ao mais simples, sendo feitos com base em alguns conceitos mencionados no ensaio do transformador trif´asico.

4.1

Transformador de Potˆ encia Trif´ asico

O transformador trif´asico possui uma grande importˆancia no sistema de transmiss˜ao e distribui¸ca˜o de eletricidade. Sua principal fun¸c˜ao ´e elevar e reduzir a tens˜ao de entrada do equipamento, visando a menor perda poss´ıvel de potˆencia. Isso permite adequar o n´ıvel de tens˜ao aplicada a` necessidade de gera¸c˜ao e consumo de energia el´etrica [15]. Foi testado um transformador de potˆencia trif´asico (Figura 4.1) com as especifica¸co˜es mencionadas na Tabela 4.1. Os equipamentos el´etricos caracterizam-se por possu´ırem n´ıveis de isolamento normalizados, baseados na sua tens˜ao nominal de opera¸c˜ao, denominado N´ıvel B´asico 50

Tabela 4.1: Informa¸co˜es nominais da placa do transformador testado em laborat´orio Dados de placa Tens˜ ao Nominal 220/13800 V Potˆencia Nominal 112,5 kVA ´ Isolamento Oleo Mineral Tipo de liga¸c˜ao Delta - Estrela Aterrado N´ıvel b´ asico de Isolamento (NBI ou BIL) 95 ou 110 kV Fabricante Gordon

Figura 4.1: Transformador trif´asico [3]

de Isolamento (NBI ou BIL, em inglˆes). O NBI corresponde `a tens˜ao a qual o isolamento do transformador pode ser submetido com 10% de probabilidade de ocorrˆencia de disrup¸ca˜o el´etrica, conforme normas ABNT NBR 6939 e ABNT NBR IEC 60060-1 [4, 16, 17].

4.1.1

Descri¸ c˜ ao do ensaio com impulso atmosf´ erico

Para a an´alise das caracter´ısticas el´etricas do transformador trif´asico, foi realizado o ensaio de tens˜ao suport´avel de impulso atmosf´erico, conhecido tamb´em como ensaio diel´etrico, conforme norma ABNT NBR 5356-4 [18] da ABNT. O objetivo desse procedimento ´e verificar a suportabilidade do transformador quando for aplicada

51

tens˜ao de impulso atmosf´erico nos seus terminais de linha. Ajuste da forma de onda Antes da efetiva realiza¸c˜ao do ensaio diel´etrico, ´e necess´ario um ensaio preliminar para a calibra¸ca˜o do circuito de impulso atmosf´erico para o transformador em quest˜ao. Para isso, devem-se efetuar dois procedimentos: 1. Selecionar os resistores s´eries e paralelos que ser˜ao utilizados para a obten¸ca˜o da forma de onda normalizada do trafo. 2. Aplicar um impulso atmosf´erico reduzido, com valor de crista entre 60% e 70% da tens˜ao do ensaio, que ser´a realizado posteriormente a` calibra¸c˜ao. Em seguida, medem-se os tempos de frente e de cauda da onda obtida na calibra¸ca˜o e verifica-se se a mesma est´a dentro dos padr˜oes estipulados pela norma ABNT NBR IEC 60060-1 [4]. Se estiver de acordo com a norma ABNT NBR IEC 600601, o circuito est´a adequado para a realiza¸c˜ao do ensaio diel´etrico. Se n˜ao estiver, devem-se alterar os valores dos resistores em s´erie ou em paralelo para adaptar a forma de onda do objeto de ensaio e repetir o ensaio de calibra¸ca˜o, at´e que a forma de onda encontrada esteja de acordo com a norma estabelecida. Ensaio de tens˜ ao suport´ avel nominal de impulso atmosf´ erico Feito o ajuste do circuito, ´e poss´ıvel iniciar a execu¸c˜ao do ensaio diel´etrico propriamente dito. Um ponto importante ´e que, anteriormente, esse equipamento esteve em opera¸ca˜o. Sabendo que esse tipo de ensaio ´e muito severo e esse equipamento n˜ao ´e novo, a m´axima tens˜ao que dever´a ser aplicada ´e de 80% do valor original, para que n˜ao ocorra a acelera¸c˜ao do processo de deteriora¸ca˜o do trafo, conforme a norma ABNT NBR 5356-3 [19]. O impulso ser´a aplicado nos terminais de linha do transformador acess´ıveis externamente, pelo lado de alta tens˜ao com liga¸c˜ao delta, sendo este o lado prim´ario. O secund´ario ´e o de baixa tens˜ao, com conex˜ao estrela aterrado e permanecer´a em aberto. 52

O procedimento deve ser feito em todas as fases do lado prim´ario, sendo testada apenas uma por vez. Assim, uma fase ser´a conectada com o circuito de alta tens˜ao, sendo as duas restantes, do lado de alta, curto-circuitadas (Figuras 4.2 e 4.3). Esse m´etodo ser´a realizado para as fases A, B e C, respectivamente. Esse tipo de liga¸ca˜o pode ser visualizada na Figura 4.2. Por se tratar de um equipamento com isolamento a o´leo mineral, o ensaio deve ser realizado com tens˜oes na polaridade negativa para reduzir o risco de descargas externas no circuito, conforme norma ABNT NBR 5356-3 [19]. Uma sequˆencia de impulsos de tens˜ao de diferentes tipos ser´a aplicada no trafo sob teste, conforme ordem abaixo: Um impulso pleno reduzido - Deve possuir amplitude entre 50% e 75% da tens˜ao de crista do impulso pleno com valor especificado, sendo prefer´ıvel que fique pr´oximo do valor do limite inferior, por ser um ensaio agressivo ao isolamento do equipamento. Optou-se por utilizar 60% do NBI, sendo este valor igual a 57 kV. Um impulso pleno normalizado - Deve possuir tens˜ao de crista de 95 kV ou 110 kV, conforme especifica¸ca˜o da norma ABNT NBR 5356-4 [18]. Nesse caso, utilizou-se 95 kV. Um ou mais impulsos cortados com valor reduzido - Os impulsos cortados devem possuir valores de crista iguais a 1,1 vezes a amplitude do impulso pleno reduzido e tempo de corte da onda compreendido entre 2 µs e 6 µs. Nesse caso, utilizou-se o valor de 62,7 kV para a crista do impulso. Dois impulsos cortados com valor especificado - Devem possuir valores de crista iguais a 1,1 vezes a amplitude do impulso pleno especificado e tempo de corte da onda entre 2 µs e 6 µs. Assim, utilizou-se o valor de 104,5 kV para a crista do impulso. Dois impulsos plenos normalizados com valor suport´ avel nominal - Devem

53

possuir tens˜ao de crista de 95 kV ou 110 kV. Foi escolhida a tens˜ao de 95 kV para ser aplicada nesse caso. Se durante a aplica¸ca˜o de qualquer impulso, ocorrer uma descarga externa no circuito, nos centelhadores ou falha no registro do oscilosc´opio em qualquer canal de medi¸ca˜o, a aplica¸c˜ao de impulso deve ser desconsiderada e feita outra. Durante a execu¸ca˜o do ensaio, devem ser coletados os oscilogramas e registros digitais referentes ao processo de calibra¸c˜ao e verifica¸ca˜o do equipamento submetido ao impulso de tens˜ao. Esses dados tˆem a finalidade de mostrar claramente os parˆametros do impulso aplicado, tais como amplitude, tempo de crista, tempo de frente, tempo de descida e ocorrˆencia de falhas do isolamento. Al´em da medi¸ca˜o de tens˜ao, deve ser realizada tamb´em a da corrente do sistema, atrav´es da conex˜ao de um transformador de corrente entre as duas fases curtocircuitas no prim´ario e o terra. Para a gera¸c˜ao de impulsos cortados, o mesmo ajuste da forma de onda pode ser usado no gerador de impulsos, bastando apenas inserir o equipamento de corte no sistema, quando for necess´ario. O circuito de corte ´e formado por um par de eletrodos, chamado de esferas de corte ou Chopping gap (vistos no Cap´ıtulo 2), sendo acionado com o aux´ılio do programa GC 257 Impulse. O crit´erio de avalia¸c˜ao do ensaio ´e observado atrav´es de uma an´alise detalhada dos sinais de tens˜ao e corrente obtidos. Deve ser feita uma compara¸ca˜o minuciosa entre os oscilogramas da tens˜ao de impulso pleno e, em seguida, uma outra entre os oscilogramas do impulso cortado. Quando um eventual defeito surge no equipamento durante a verifica¸ca˜o do ensaio, os oscilogramas das correntes s˜ao necess´arios para confirmar ou n˜ao a existˆencia da falha. Na ausˆencia de diferen¸cas significativas entre os transit´orios de tens˜ao e de correntes registrados, com a aplica¸ca˜o de impulso pleno e aqueles registrados com impulso de valor reduzido, torna-se comprovado que o isolamento do transformador suportou o ensaio. Se ocorrer d´ uvida na interpreta¸ca˜o de poss´ıveis diferen¸cas entre registros e oscilogramas, trˆes impulsos plenos adicionais devem ser aplicados ou o ensaio completo 54

na fase em quest˜ao deve ser repetido. O ensaio ent˜ao ´e considerado satisfat´orio se n˜ao ocorrer nenhum desvio adicional ou aumento nos desvios anteriores.

4.1.2

Conex˜ ao no laborat´ orio de alta tens˜ ao

O circuito para o ensaio de impulso de tens˜ao atmosf´erico, que ser´a montado em laborat´orio (Figura 4.4), pode ser dividido em cinco partes diferentes: • Gerador de impulsos, com seus parˆametros adicionais; • Equipamento sob ensaio; • Circuito de medi¸c˜ao de tens˜ao e de corrente; • Circuito de corte, quando aplic´avel; • Circuito para a detec¸ca˜o de defeitos. Depois de realizar o estudo da tens˜ao que dever´a ser aplicada para a efetua¸c˜ao do ensaio, foi visto que seria necess´ario utilizar apenas quatro est´agios do gerador (visto em 4.1.3). Para isso, os passos para a efetua¸ca˜o da liga¸ca˜o do circuito em laborat´orio, possuindo como referˆencia os ensaios realizados nesse trabalho, s˜ao: • Passo 1: Curto-circuitar os resistores em paralelo do quinto est´agio em diante; • Passo 2: Retirar os resistores de carga e de frente do quarto est´agio em diante; • Passo 3: Ligar a resistˆencia s´erie externa em fita no quarto est´agio do gerador e no capacitor de frente; • Passo 4: Curto-circuitar os capacitores do quinto est´agio em diante; • Passo 5: Ligar o capacitor de frente em paralelo com o lado de alta tens˜ao do transformador e com o divisor de tens˜ao resistivo. Uma observa¸c˜ao importante ´e que o circuito de ensaio deve ser finalizado no divisor para evitar eventuais ru´ıdos no sistema; 55

• Passo 6: Conectar os cabos el´etricos do divisor de tens˜ao, juntamente com um atenuador de sinais, no oscilosc´opio, para efetuar a medi¸c˜ao dos parˆametros necess´arios; • Passo 7: Aterrar a carca¸ca do transformador. Essa medida ´e necess´aria pelo fato do terminal de neutro do lado de baixa tens˜ao do equipamento n˜ao ser acess´ıvel. Como o neutro est´a conectado com a carca¸ca do transformador, optou-se por aterrar a carca¸ca; • Passo 8: Manter em aberto os terminais restantes do lado de baixa tens˜ao; • Passo 9: Conectar o Chopping Gap em paralelo com o divisor de tens˜ao, transformador e capacitor de frente. Quando for necess´ario esse dispositivo ser´a acionado pelo sistema de controle do gerador de impulsos para efetuar o corte na forma de onda; • Passo 10: Aterrar o circuito completo.

Figura 4.2: Liga¸ca˜o do lado de alta do transformador trif´asico em laborat´orio [3]

56

Figura 4.3: Esquema para a liga¸c˜ao do transformador trif´asico para o ensaio el´etrico

Figura 4.4: Esquema do circuito completo montado para o ensaio diel´etrico do transformador com chopping gap [3]

57

4.1.3

C´ alculos preliminares para o ajuste da forma de onda

Foi necess´ario definir os resistores que seriam utilizados na execu¸ca˜o do ensaio de calibra¸ca˜o, para obter a forma de onda padronizada 1,2/50 µs. Como foi mencionado anteriormente (Se¸ca˜o 2.4), os resistores s´erie e paralelo, possuem rela¸ca˜o direta com a forma¸ca˜o dos tempos de frente e de cauda da onda, respectivamente. Assim, para chegar esses valores, utilizamos os seguintes c´alculos:

C´ alculo da resistˆ encia em s´ erie Na aplica¸ca˜o do impulso de tens˜ao, ´e necess´ario calcular as resistˆencias s´erie que ser˜ao utilizadas no circuito, com a maior precis˜ao poss´ıvel. Os valores de Cs e Cf s˜ao dados no laborat´orio, sendo Cie e Cdt estimados. Com isso, utilizando a Equa¸ca˜o 2.19, temos: Cs × (Cf + Cie + Cdt ) Cs + Cf + Cie + Cdt

(4.1)

600 × 10−9 × (1 × 10−9 + 900 × 10−12 + 0) 600 × 10−9 + 1 × 10−9 + 900 × 10−12 + 0

(4.2)

C=

C=

C = 1, 894 × 10−9 F

(4.3)

Agora, utilizando a Equa¸ca˜o 2.27: Tf 3, 25 × C

(4.4)

1, 2 × 10−6 3, 25 × 1, 894 × 10−9

(4.5)

Rs = 194, 95 Ω

(4.6)

Rs =

Rs =

58

C´ alculo da resistˆ encia em paralelo Nesse caso espec´ıfico, utilizou-se as resistˆencias em paralelo fixadas no gerador de impulsos. Os valores para esses parˆametros encontram-se na Tabela 4.4.

Determina¸c˜ ao do n´ umero de est´ agios que ser˜ ao utilizados no ensaio Sabendo que a capacidade de tens˜ao total do gerador utilizado ´e de 1,1 MV, com os onze est´agios funcionando, ´e necess´ario definir as tens˜oes de carga que ser˜ao aplicadas em cada est´agio do gerador de impulso. Cada est´agio possui capacidade m´axima de 100 kV, mas se uma tens˜ao m´ınima n˜ao for aplicada, ocorre uma adversidade conhecida como no firing que indica que n˜ao ocorreu o disparo das esferas em de´ aconselh´avel tamb´em existir um corrˆencia do funcionamento inadequado do gap. E limite m´aximo de tens˜ao, com a finalidade de evitar a sobrecarga do equipamento, aumentar sua vida u ´til e impedir que ocorra um defeito conhecido como self firing, que significa que o disparo foi feito precipitadamente. Por isso, a faixa de tens˜ao ideal de uso do gerador dever´a ficar compreendida entre 18% e 80% da sua tens˜ao nominal total, sendo esses valores 198 kV e 880 kV, respectivamente. Para encontrar o n´ umero adequado de est´agios que ser˜ao utilizados nesse ensaio, alguns c´alculos ser˜ao necess´arios. A capacidade m´axima por est´agio, considerando a faixa ideal de uso do gerador ser´a 80 % de 100 kV, sendo igual a 80 kV. Sabendo que a tens˜ao m´axima utilizada no ensaio ser´a de 10% acima de 95 kV, deve-se dividir esse valor por um determinado n´ umero de est´agios e o resultado encontrado n˜ao deve ultrapassar o limite superior da faixa de uso por est´agio do gerador. Assim, a tens˜ao m´axima utilizada considerando quatro est´agios ser´a:

max = Vest

1, 1 × 95 × 103 = 26, 1 kV 4

(4.7)

considerando que o gerador em quest˜ao possui um rendimento de aproximadamente 80%, temos: max Vest =

26, 1 ≈ 31, 4 kV 0, 8 59

(4.8)

portanto, como 31,4 kV < 80 kV, temos que o limite m´aximo de uso ideal do gerador ser´a respeitado. Agora, temos que a capacidade m´ınima por est´agio, considerando a mesma faixa, ser´a igual a 18 kV, sendo esse valor igual a 18% de 100 kV. Fazendo o mesmo procedimento para 60% do BIL, que ser´a a tens˜ao m´ınima utilizada no ensaio, temos:

min Vest =

0.60 × 95 × 103 = 14, 25 kV 4

(4.9)

14, 25 ≈ 18 kV 0, 8

(4.10)

min Vest =

como o resultado encontrado ´e aproximadamente 18 kV, o limite inferior da faixa ideal tamb´em ser´a respeitado. Com as considera¸c˜oes acima, decidiu-se aplicar tens˜ao em quatro est´agios do gerador apenas.

4.1.4

Simula¸ c˜ ao do ensaio de ajuste no Matlab ou Octave

Antes de realizar o ensaio de ajuste de onda (calibra¸ca˜o) efetivamente, ´e poss´ıvel utilizar o software Matlab ou Octave para simular o resultado esperado do ensaio, atrav´es da aplica¸ca˜o dos conceitos te´oricos vistos anteriormente (Cap´ıtulo 2). Feito isso, ser´a poss´ıvel realizar uma an´alise pr´evia do prov´avel resultado e decidir se a utiliza¸ca˜o dos capacitores e resistores (calculados no item 4.1.3) no circuito ser˜ao adequados para a obten¸ca˜o da forma de onda normalizada 1,2/50 µs. Utilizando a resistˆencia s´erie calculada na Equa¸c˜ao 4.6, a capacitˆancia estimada para o transformador trif´asico e os demais dados fornecidos no laborat´orio, aplicando os valores desses parˆametros (Tabela 4.2) na Equa¸ca˜o 2.11 com a utiliza¸ca˜o do programa computacional e, posteriormente, calculando os tempos de frente e de cauda da onda simulada, temos:

60

Tabela 4.2: Parˆametros calculados utilizados para a obten¸ca˜o da forma de onda simulada Parˆ ametros aplicados na simula¸c˜ao Resistˆencia s´erie 194,95 Ω Resistˆencia em paralelo equivalente 112,43 Ω Capacitˆ ancia estimada do objeto de teste 900 pF Capacitˆ ancia do gerador por est´agio 600 nF Capacitor de frente 1 nF Capacitˆ ancia em paralelo equivalente 1,9 nF Tens˜ ao aplicada -18 kV

Figura 4.5: Simula¸c˜ao da forma de onda esperada com aplica¸c˜ao de tens˜ao no transformador trif´asico [6]

Tabela 4.3: Parˆametros medidos na onda simulada Tempo de frente

Tempo de cauda

1,104 µs

49,246 µs

Com o resultado acima, nota-se que os parˆametros encontrados na Tabela 4.3, a partir da simula¸c˜ao da Figura 4.5, est˜ao de acordo com a norma ABNT NBR IEC 60060-1 [4] e, por isso, os valores de resistˆencias e capacitores usados na simula¸c˜ao podem ser aplicados na execu¸c˜ao do ensaio real.

61

4.1.5

Resultados - Fase A

Depois de realizar os c´alculos envolvendo o gerador de impulsos, montar o circuito, simular a forma de onda esperada e efetuar o ensaio de tens˜ao suport´avel no transformador trif´asico, ´e necess´ario analisar os resultados de todo o procedimento feito e verificar se o equipamento suportou a tens˜ao de impulso atmosf´erico aplicada nos seus terminais de linha. Primeiramente, aplicou-se tens˜ao na fase A do prim´ario do trafo, sendo as fases B e C curto-circuitadas. Os parˆametros da Tabela 4.4 foram aplicados no circuito de ensaio feito em laborat´orio. Tabela 4.4: Parˆametros aplicados no circuito de ensaio Parˆametros Resistˆencia s´erie externa

200 Ω

Resistˆencia s´erie interna

15 Ω

Resistˆencia em paralelo 1

31 kΩ

Resistˆencia em paralelo 2

6 kΩ

Resistˆencia em paralelo 3

115 Ω

Resistˆencia em paralelo equivalente

112,43 Ω

Capacitˆ ancia estimada do item de teste

900 pF

Capacitor de frente

1 nF

N´ umero de est´agios do gerador

4

Resultados do ensaio de ajuste da forma de onda - Fase A Conforme descrito na se¸c˜ao 4.1.1, um ensaio de ajuste de forma de onda ´e feito antes do ensaio de tens˜ao suport´avel de impulso atmosf´erico, para observar se o circuito montado e os componentes el´etricos utilizados est˜ao possibilitando a produ¸ca˜o de uma onda mais pr´oxima poss´ıvel da onda normalizada de 1,2/50 µs. Tabela 4.5: Medi¸co˜es feitas no ensaio de ajuste de onda na fase A Tens˜ao aplicada

Tempo de frente

Tempo de cauda

Tens˜ao no equipamento

-18 kV

1,05 µs

48,60 µs

-60,14 kV

62

Com a compara¸ca˜o dos resultados da simula¸ca˜o e do ensaio em laborat´orio, Tabelas 4.3 e 4.5, respectivamente, observa-se que o circuito montado pode ser representado pela modelagem te´orica de um gerador de impulsos, vista no Cap´ıtulo 2, de forma satisfat´oria. Lembrando que os valores encontrados s˜ao da ordem de microsegundos, ´e poss´ıvel afirmar que os mesmos s˜ao pr´oximos. Os tempos de frente e de cauda da Tabela 4.5 est˜ao de acordo com os limites de tolerˆancia vistos na Tabela 3.2, conforme a norma ABNT NBR IEC 60060-1 [4]. Se os limites fossem ultrapassados, os resistores e capacitores deveriam ser alterados e um novo ajuste feito.

Resultados do ensaio de tens˜ ao suport´ avel nominal de impulso atmosf´ erico - Fase A Posterior ao ajuste e verifica¸ca˜o de que a forma de onda do impulso atmosf´erico aplicado no equipamento estava calibrada, foi iniciado o ensaio diel´etrico do transformador. Alguns detalhes importantes devem ser destacados: 1. O sistema de controle do gerador de impulso permite a escolha de tens˜ao que ser´a aplicada em cada est´agio. Assim, considerando a utiliza¸ca˜o de quatro est´agios e rendimento de 80 % do gerador, temos que a tens˜ao por est´agio ser´a aproximadamente: (a) Para impulso pleno reduzido:

Vest =

Vest =

−57kV = −14, 25 kV 4

−14, 25kV = −17, 81 kV 0, 8

(b) Para impulso pleno normalizado:

Vest =

−95kV = −23, 75 kV 4

63

Vest =

−23, 75kV = −29, 69 kV 0, 8

(c) Para impulso cortado com valor reduzido:

Vest =

−62, 7kV = −15, 67 kV 4

Vest =

−15, 67kV = −19, 59 kV 0, 8

(d) Para impulso cortado com valor especificado:

Vest =

−104, 5kV = −26, 12 kV 4

Vest =

−26, 12kV = −32, 66 kV 0, 8

(e) Para impulso normalizado com valor suport´avel nominal:

Vest = −29, 69 kV

2. Para a visualiza¸c˜ao dos resultados no oscilosc´opio, foi necess´ario fazer a configura¸ca˜o das suas escalas. Sabendo que o divisor resistivo de tens˜ao possui uma rela¸ca˜o de 268:1 e o atenuador de ru´ıdos utilizado possui uma rela¸ca˜o de 20:1, calculou-se a escala da tens˜ao:

Vosc =

Vosc =

max ×η Vtotal 268 × 20

104, 5 × 0, 8 = 15, 6 kV 5360

Com isso, optou-se por utilizar o valor de 5V /div como escala. Assim, com um total de 8 divis˜oes, o equipamento poderia medir at´e 40 V, que ´e aceit´avel, pois est´a acima do valor encontrado de 15,6 V. Para definir a escala do tempo, foi necess´ario identificar se o impulso aplicado era pleno ou cortado. Para impulsos plenos a escala utilizada foi de 10 µs/div 64

e, para os cortados, de 1 µs/div. Com essas considera¸c˜oes, os resultados obtidos s˜ao mostrados na Tabela 4.6. Tabela 4.6: Medi¸co˜es feitas no ensaio de impulso atmosf´erico na fase A Aplica¸c˜ao

Tipo de impulso

Tens˜ao por est´agio

Tens˜ao total medida

Tempo de corte

1

Pleno reduzido

-18 kV

-66,14 kV

-

2

Pleno normalizado

-26 kV

-94,34 kV

-

3

Cortado reduzido

-18 kV

-65,93 kV

5,78 µs

4

Cortado especificado

-29 kV

-104,9 kV

5,78 µs

5

Cortado especificado

-29 kV

-105,1 kV

5,26 µs

6

Pleno normalizado

-26 kV

-94,01 kV

-

7

Pleno normalizado

-26 kV

-94,12 kV

-

Nas aplica¸c˜oes 2, 4, 5, 6 e 7 foram aplicadas tens˜oes por est´agio com amplitude um pouco menor que a calculada, para a tens˜ao total medida n˜ao ultrapassar os 3% do valor esperado, sendo esta condi¸ca˜o descrita na norma. Nos impulsos cortados, utilizou-se o Chopping Gap para produzir o corte no impulso atmosf´erico. Nas aplica¸co˜es 3, 4 e 5, verificou-se que os tempos de corte eram satisfat´orios, pois estes valores encontravam-se dentro do intervalo de 2 µs a 6 µs, definido pela norma ABNT NBR IEC 60060-1 [4]. Juntamente com os dados tabelados, foram obtidos tamb´em os resultados gr´aficos da tens˜ao e corrente com a aplica¸ca˜o do impulso atmosf´erico:

65

(a)

(b)

Figura 4.6: Resultados de tens˜ao (a) e corrente (b) obtidos com a aplica¸c˜ao 1 na fase A [20].

(c)

(d)

Figura 4.7: Resultados de tens˜ao (c) e corrente (d) obtidos com a aplica¸c˜ao 2 na fase A [20].

66

(e)

(f)

Figura 4.8: Resultados de tens˜ao (e) e corrente (f) obtidos com a aplica¸c˜ao 3 na fase A [20].

(g)

(h)

Figura 4.9: Resultados de tens˜ao (g) e corrente (h) obtidos com a aplica¸c˜ao 4 na fase A [20].

67

(i)

(j)

Figura 4.10: Resultados de tens˜ao (i) e corrente (j) obtidos com a aplica¸ca˜o 5 na fase A [20].

(l)

(m)

Figura 4.11: Resultados de tens˜ao (l) e corrente (m) obtidos com a aplica¸ca˜o 6 na fase A [20].

68

(n)

(o)

Figura 4.12: Resultados de tens˜ao (n) e corrente (o) obtidos com a aplica¸ca˜o 7 na fase A [20].

Nos impulsos cortados na cauda, o pico da primeira oscila¸ca˜o, que ocorre logo ap´os o corte (queda brusca na tens˜ao) da onda, n˜ao pode ultrapassar 25% do valor da amplitude m´axima de tens˜ao vista no impulso, conforme as normas ABNT NBR 5356-3 e ABNT NBR 5356-4 [18, 19]. Esse fato faz com que os dados do ensaio possam ser validados. A Tabela 4.7 mostra os resultados das oscila¸co˜es na fase A desse transformador. Tabela 4.7: Verifica¸ca˜o da porcentagem das oscila¸c˜oes dos impulsos de tens˜ao cortados das Figuras 4.8, 4.9 e 4.10 Aplica¸c˜ao

Porcentagem de oscila¸c˜ao

Tens˜ao m´axima

Tens˜ao de pico da oscila¸c˜ao

3

17,79%

-16,3 kV

-2,9 kV

4

17,37%

-25,9 kV

-4,5 kV

5

17,37%

-25,9 kV

-4,5 kV

69

(p) Figura 4.13: Resultados da sobreposi¸ca˜o dos impulsos de tens˜ao cortados na fase A (p) [20].

(q) Figura 4.14: Resultados da sobreposi¸ca˜o dos impulsos de tens˜ao plenos na fase A (q) [20].

70

(r) Figura 4.15: Resultados da sobreposi¸ca˜o das correntes com a aplica¸c˜ao de impulsos cortados na fase A (r) [20].

(s) Figura 4.16: Resultados da sobreposi¸ca˜o das correntes com a aplica¸c˜ao de impulsos plenos na fase A (s) [20].

71

Pelas Figuras 4.13 e 4.14, ´e poss´ıvel observar que a sobreposi¸c˜ao dos impulsos de tens˜ao cortados e plenos, respectivamente, mostram que a fase A do trafo est´a apresentando condi¸co˜es de isolamento adequadas, pois o comportamento dos gr´aficos ´e o mesmo, sem a existˆencia de perturba¸co˜es que diferenciem uma forma de onda da outra. Se existisse alguma falha no gr´afico da tens˜ao, os gr´aficos das correntes das Figuras 4.15 e 4.16, confirmariam a existˆencia do defeito.

4.1.6

Resultados - Fase B

Nesta se¸ca˜o s˜ao apresentados os resultados da aplica¸ca˜o de tens˜ao na fase B do lado de alta tens˜ao do trafo, com as fases A e C curto-circuitadas. As condi¸co˜es gerais de conex˜ao do circuito de ensaio foram mantidas, exceto pela alimenta¸ca˜o do equipamento que antes era na fase A e, agora, na B. Os resistores, capacitores e demais componentes utilizados s˜ao os mesmos da Tabela 4.4.

Resultados do ensaio de ajuste da forma de onda - Fase B Os resultados obtidos no ensaio de ajuste da forma de onda na fase B est˜ao descritos na Tabela 4.8. Tabela 4.8: Medi¸co˜es feitas no ensaio de ajuste de onda na fase B Tens˜ao aplicada

Tempo de frente

Tempo de cauda

Tens˜ao no equipamento

-18 kV

1,03 µs

55,80 µs

-65,93 kV

Resultados do ensaio de tens˜ ao suport´ avel nominal de impulso atmosf´ erico - Fase B Os resultados do ensaio de tens˜ao suport´avel sob impulso atmosf´erico na fase B s˜ao mostrados na Tabela 4.9.

72

Tabela 4.9: Medi¸co˜es feitas no ensaio de impulso atmosf´erico na fase B Aplica¸c˜ao

Tipo de impulso

Tens˜ao por est´agio

Tens˜ao total medida

Tempo de corte

1

Pleno reduzido

-18 kV

-65,71 kV

-

2

Pleno normalizado

-26 kV

-94,44 kV

-

3

Cortado reduzido

-18 kV

-66,14 kV

5,38 µs

4

Cortado especificado

-29 kV

-105,2 kV

5,30 µs

5

Cortado especificado

-29 kV

-105,3 kV

5,28 µs

6

Pleno normalizado

-26 kV

-94,34 kV

-

7

Pleno normalizado

-26 kV

-94,34 kV

-

E os resultados gr´aficos obtidos foram:

(a)

(b)

Figura 4.17: Resultados de tens˜ao (a) e corrente (b) obtidos com a aplica¸ca˜o 1 na fase B [20].

73

(c)

(d)

Figura 4.18: Resultados de tens˜ao (c) e corrente (d) obtidos com a aplica¸ca˜o 2 na fase B [20].

(e)

(f)

Figura 4.19: Resultados de tens˜ao (e) e corrente (f) obtidos com a aplica¸ca˜o 3 na fase B [20].

74

(g)

(h)

Figura 4.20: Resultados de tens˜ao (g) e corrente (h) obtidos com a aplica¸ca˜o 4 na fase B [20].

(i)

(j)

Figura 4.21: Resultados de tens˜ao (i) e corrente (j) obtidos com a aplica¸ca˜o 5 na fase B [20].

75

(l)

(m)

Figura 4.22: Resultados de tens˜ao (l) e corrente (m) obtidos com a aplica¸ca˜o 6 na fase B [20].

(n)

(o)

Figura 4.23: Resultados de tens˜ao (n) e corrente (o) obtidos com a aplica¸ca˜o 7 na fase B [20].

76

Tabela 4.10: Verifica¸c˜ao da porcentagem das oscila¸co˜es dos impulsos de tens˜ao cortados das Figuras 4.19, 4.20 e 4.21 Aplica¸c˜ao

Porcentagem de oscila¸c˜ao

Tens˜ao m´axima

Tens˜ao de pico da oscila¸c˜ao

3

17,58%

-16,5 kV

-2,9 kV

4

17,24%

-26,1 kV

-4,5 kV

5

18,15%

-25,9 kV

-4,7 kV

Pela Tabela 4.10, ´e poss´ıvel observar que os picos das oscila¸c˜oes dos impulsos de tens˜ao cortados s˜ao inferiores a 25% da amplitude m´axima de tens˜ao na fase B, portanto, de acordo com a norma ABNT NBR 5356-4 [18].

(p) Figura 4.24: Resultados da sobreposi¸ca˜o dos impulsos de tens˜ao cortados na fase B (p) [20].

77

(q) Figura 4.25: Resultados da sobreposi¸c˜ao dos impulsos de tens˜ao plenos na fase B (q) [20].

(r) Figura 4.26: Resultados da sobreposi¸ca˜o das correntes com a aplica¸c˜ao de impulsos cortados na fase B (r) [20].

78

(s) Figura 4.27: Resultados da sobreposi¸ca˜o das correntes com a aplica¸c˜ao de impulsos plenos na fase B (s) [20].

A sobreposi¸c˜ao dos impulsos de tens˜ao e corrente, com alimenta¸ca˜o na fase B do trafo, indica que o equipamento apresenta boas condi¸c˜oes de isolamento, porque o comportamento das formas de onda s˜ao semelhantes, sem consider´aveis perturba¸co˜es.

4.1.7

Resultados - Fase C

Finalmente, os resultados da aplica¸ca˜o do impulso de tens˜ao na fase C, com as demais fases aterradas e utilizando os dados da Tabela 4.4 s˜ao mostrados a seguir.

Resultados do ensaio de ajuste da forma de onda - Fase C Os resultados obtidos no ensaio de ajuste na fase C podem ser vistos na Tabela 4.11. Tabela 4.11: Medi¸co˜es feitas no ensaio de ajuste de onda na fase C Tens˜ao aplicada

Tempo de frente

Tempo de cauda

Tens˜ao no equipamento

-18 kV

1,02 µs

51,20 µs

-65,82 kV

79

Resultados do ensaio de tens˜ ao suport´ avel nominal de impulso atmosf´ erico - Fase C Os resultados obtidos no ensaio sob impulso atmosf´erico, na fase C, podem ser visualizados na Tabela 4.12. Tabela 4.12: Medi¸co˜es feitas no ensaio de impulso atmosf´erico na fase C Aplica¸c˜ao

Tipo de impulso

Tens˜ao por est´agio

Tens˜ao total medida

Tempo de corte

1

Pleno reduzido

-18 kV

-65,93 kV

-

2

Pleno normalizado

-26 kV

-94,23 kV

-

3

Cortado reduzido

-18 kV

-66,14 kV

5,48 µs

4

Cortado especificado

-29 kV

-105,1 kV

5,08 µs

5

Cortado especificado

-29 kV

-104,9 kV

5,18 µs

6

Pleno normalizado

-26 kV

-94,12 kV

-

7

Pleno normalizado

-26 kV

-94,23 kV

-

E os resultados gr´aficos da tens˜ao e corrente foram:

(a)

(b)

Figura 4.28: Resultados de tens˜ao (a) e corrente (b) obtidos com a aplica¸ca˜o 1 na fase C [20].

80

(c)

(d)

Figura 4.29: Resultados de tens˜ao (c) e corrente (d) obtidos com a aplica¸ca˜o 2 na fase C [20].

(e)

(f)

Figura 4.30: Resultados de tens˜ao (e) e corrente (f) obtidos com a aplica¸ca˜o 3 na fase C [20].

81

(g)

(h)

Figura 4.31: Resultados de tens˜ao (g) e corrente (h) obtidos com a aplica¸ca˜o 4 na fase C [20].

(i)

(j)

Figura 4.32: Resultados de tens˜ao (i) e corrente (j) obtidos com a aplica¸ca˜o 5 na fase C [20].

82

(l)

(m)

Figura 4.33: Resultados de tens˜ao (l) e corrente (m) obtidos com a aplica¸ca˜o 6 na fase C [20].

(n)

(o)

Figura 4.34: Resultados de tens˜ao (n) e corrente (o) obtidos com a aplica¸ca˜o 7 na fase C [20].

83

Tabela 4.13: Verifica¸c˜ao da porcentagem das oscila¸co˜es dos impulsos de tens˜ao cortados das Figuras 4.30, 4.31 e 4.32 Aplica¸c˜ao

Porcentagem de oscila¸c˜ao

Tens˜ao m´axima

Tens˜ao de pico da oscila¸c˜ao

3

17,58%

-16,5 kV

-2,9 kV

4

17,24%

-26,1 kV

-4,5 kV

5

18,15%

-25,9 kV

-4,7 kV

(p) Figura 4.35: Resultados da sobreposi¸ca˜o dos impulsos de tens˜ao cortados na fase C (p) [20].

84

(q) Figura 4.36: Resultados da sobreposi¸ca˜o dos impulsos de tens˜ao plenos na fase C (q) [20].

(r) Figura 4.37: Resultados da sobreposi¸ca˜o das correntes com a aplica¸c˜ao de impulsos cortados na fase C (r) [20].

85

(s) Figura 4.38: Resultados da sobreposi¸ca˜o das correntes com a aplica¸c˜ao de impulsos plenos na fase C (s) [20].

Conforme a Tabela 4.13 indica, os picos das oscila¸co˜es nos impulsos cortados na fase C n˜ao ultrapassaram os 25% do valor de pico m´aximo de tens˜ao dos respectivos impulsos. As sobreposi¸co˜es das Figuras 4.35 e 4.36, mostram que o transformador apresenta condi¸c˜oes de isolamento satisfat´orias e de acordo com a norma ABNT NBR 5356-4 [18], podendo ser colocado em opera¸ca˜o.

4.2

Isolador

Os isoladores s˜ao equipamentos el´etricos que foram desenvolvidos a partir da necessidade de transportar energia el´etrica e dados a longas distˆancias, atrav´es de linhas a´ereas. Possuem duas principais finalidades, mecˆanica e el´etrica. Assim, sustentam mecanicamente cabos e barramentos e isolam eletricamente o sistema, evitando a passagem de corrente do condutor nas linhas a´ereas ao suporte (torres, postes . . . ) [21]. Podem ser feitos de diversos materiais, que s˜ao escolhidos de acordo com o ambiente e n´ıvel de tens˜ao do sistema que ser´a aplicado. 86

Figura 4.39: Isolador polim´erico de pino [3]

As especifica¸co˜es do isolador ensaiado s˜ao mostrados na Tabela 4.14 e esse equipamento ´e mostrado na Figura 4.39. Tabela 4.14: Informa¸co˜es do isolador testado em laborat´orio Dados Material diel´etrico Tens˜ ao nominal N´ıvel b´ asico de Isolamento (NBI ou BIL)

4.2.1

pol´ımero (polietileno) 15 kV 110 kV

Descri¸ c˜ ao do ensaio com impulso atmosf´ erico

Antes de iniciar qualquer precedimento com o isolador, ´e necess´ario realizar a limpeza e secagem de qualquer part´ıcula indesejada existente sobre a sua superf´ıcie. O m´etodo up and down ´e utilizado na avalia¸ca˜o de ensaios de tens˜ao disruptiva em isoladores polim´ericos, feito conforme norma IEC 60383 [22]. O principal objetivo desse procedimento ´e determinar a tens˜ao suport´avel para impulso atmosf´erico, calculada a partir da uma tens˜ao com 50% de probabilidade de descarga disruptiva (conhecida como U50) e verificar a suportabilidade do isolador em rela¸c˜ao aos transit´orios provocados por uma descarga atmosf´erica. Pela norma, fica evidenciado que o ensaio deve ser executado na condi¸c˜ao a seco. O m´etodo padr˜ao consiste em identificar o NBI do equipamento que ser´a testado e, em seguida, aplicar tens˜oes maiores que o valor pesquisado, pr´oximas ao U50 da tens˜ao disruptiva, para gerar descargas el´etricas.

87

Dois procedimentos s˜ao geralmente utilizados para a execu¸ca˜o deste ensaio, s˜ao eles: verifica¸c˜ao e determina¸ca˜o da tens˜ao disruptiva. Essas duas etapas devem ser efetuadas para as polaridades positiva e negativa. ´ a constata¸ca˜o da tens˜ao suport´avel pr´e-estabelecida M´ etodo de verifica¸c˜ ao - E com vinte impulsos de tens˜ao. S˜ao feitas aplica¸co˜es em torno da tens˜ao disruptiva estimada at´e ocorrer a falha na isola¸ca˜o do equipamento (perfura¸c˜ao do isolamento). Quando houver uma aplica¸ca˜o de tens˜ao no isolador que resulte em uma disrup¸ca˜o el´etrica no equipamento, seguida de uma aplica¸ca˜o de tens˜ao que n˜ao resulte em descarga disruptiva, inicia-se a contagem dos vinte impulsos correspondentes a esse m´etodo. A partir do primeiro impulso contabilizado, verifica-se a existˆencia de perfura¸ca˜o do isolamento ou n˜ao. Caso ocorra uma disrup¸ca˜o, o pr´oximo impulso ser´a aplicado com um valor 3% abaixo da tens˜ao utilizada na verifica¸ca˜o que ocorreu a descarga. Caso contr´ario, um valor 3% maior deve ser empregado. Em seguida, ´e feita uma m´edia das vinte tens˜oes medidas nas aplica¸c˜oes de impulsos, sendo esse valor multiplicado pelo desvio padr˜ao considerado. O resultado encontrado deve ser corrigido de acordo com as condi¸co˜es atmosf´ericas do local de ensaio [4]. O valor final obtido ´e a tens˜ao com 50% de probabilidade de ocorrˆencia de disrup¸c˜ao (U50). M´ etodo de determina¸c˜ ao - Determina se o isolamento do equipamento sob ensaio est´a adequado diante de um impulso atmosf´erico. Para isso, ´e necess´ario realizar quinze ensaios com o valor de U50 encontrado. O resultado ´e considerado satisfat´orio se n˜ao ocorrer a perfura¸ca˜o do isolamento mais de duas vezes.

4.2.2

Conex˜ ao no laborat´ orio de alta tens˜ ao

O arranjo de ensaio deve ser montado de forma parecida com a mencionada na se¸ca˜o 4.1.2 do transformador trif´asico. O isolador de pino deve ser conectado em paralelo com o gerador, capacitor de frente e divisor de tens˜ao e ser suspendido verticalmente,

88

conforme sua utiliza¸c˜ao pr´atica, simulando sua existˆencia numa torre de transmiss˜ao el´etrica por exemplo (Figura 4.40). Com isso, o isolador ´e posicionado de acordo com a dire¸c˜ao em que ocorreria uma descarga atmosf´erica. O pino do equipamento deve ser aterrado. A tens˜ao deve ser aplicada em um condutor apoiado na parte superior do isolador, perpendicular `a base aterrada (estrutura met´alica onde o pino estar´a fixado). Nenhum outro equipamento ou objeto met´alico devem estar pr´oximo do isolador, para n˜ao comprometer o resultado do ensaio.

Figura 4.40: Esquema para o circuito completo de ensaio do isolador sem chopping gap

89

4.2.3

C´ alculos preliminares para o ajuste da forma de onda

A fim de obter uma onda padronizada de 1,2/50 µs, existe a necessidade de calcular os parˆametros que seriam utilizados no ensaio.

C´ alculo da resistˆ encia em s´ erie Utilizando novamente a Equa¸ca˜o 2.19 e os valores da Tabela 4.15 para as capacitˆancias, temos: Cs × (Cf + Cie + Cdt ) Cs + Cf + Cie + Cdt

(4.11)

600 × 10−9 × (1 × 10−9 + 50 × 10−12 + 0) 600 × 10−9 + 1 × 10−9 + 50 × 10−12 + 0

(4.12)

C=

C=

C = 1, 048 × 10−9 F

(4.13)

e a Equa¸c˜ao 2.27: Tf 3, 25 × C

(4.14)

1, 2 × 10−6 3, 25 × 1, 048 × 10−9

(4.15)

Rs = 352, 26 Ω

(4.16)

Rs =

Rs =

C´ alculo da resistˆ encia em paralelo Os valores para esses parˆametros encontram-se na Tabela 4.4.

Determina¸c˜ ao do n´ umero de est´ agios que ser˜ ao utilizados no ensaio Seguindo o mesmo princ´ıpio da se¸c˜ao 4.1.3, temos que o valor estimado para U50 ´e 50% acima do NBI do isolador, sendo este pr´oximo a 165 kV. Assim, a tens˜ao m´edia

90

utilizada, considerando quatro est´agios, ser´a em torno de:

med Vest =

1, 5 × 110 × 103 = 41, 25 kV 4

(4.17)

considerando que o gerador em quest˜ao possui um rendimento de aproximadamente 80%, temos: med Vest =

41, 25kV = 51, 56 kV 0, 8

(4.18)

portanto, como 51,56 kV < 80 kV, temos que o limite m´aximo de uso ideal do gerador n˜ao ser´a ultrapassado. Realizando o mesmo procedimento para a verifica¸c˜ao da tens˜ao m´ınima que ser´a utilizada no gerador de impulsos e sabendo que a menor tens˜ao aplicada no ensaio ser´a 110 kV, que corresponde ao NBI, temos:

min Vest

110 × 103 = = 27, 50 kV 4

min Vest =

27, 50 = 34, 38 kV 0, 8

(4.19)

(4.20)

como 34,38 kV > 18 kV, o limite inferior da faixa ideal de uso tamb´em ser´a respeitado. Feitas essas verifica¸co˜es, optou-se por aplicar novamente tens˜ao em quatro est´agios do gerador.

4.2.4

Simula¸ c˜ ao do ensaio de ajuste no Matlab ou Octave

De acordo com o que foi apresentado na se¸ca˜o 4.1.4, esta etapa destina-se a apresentar o resultado simulado do ensaio de ajuste da forma de onda (Figura 4.41), atrav´es dos conceitos te´oricos vistos no Cap´ıtulo 2. A resistˆencia em s´erie foi obtida na Equa¸c˜ao 4.16, a capacitˆancia do isolador estimada e os outros parˆametros foram fornecidos no laborat´orio AT2. Os parˆametros utilizados nessa simula¸ca˜o encontram-se na Tabela 4.15. Esses dados foram aplicados a Equa¸ca˜o 2.11 e plota-

91

dos como pode ser visualizado na Figura 4.41. Tabela 4.15: Parˆametros calculados utilizados para a obten¸c˜ao da forma de onda simulada Parˆ ametros aplicados na simula¸c˜ao Resistˆencia s´erie 352,26 Ω Resistˆencia em paralelo equivalente 112,43 Ω Capacitˆ ancia estimada do objeto de teste 50 pF Capacitˆ ancia do gerador por est´agio 600 nF Capacitor de frente 1 nF Capacitˆ ancia em paralelo equivalente 1,05 nF Tens˜ ao aplicada 18 kV

Figura 4.41: Simula¸ca˜o da forma de onda esperada com aplica¸ca˜o de tens˜ao no isolador polim´erico [6]

A Tabela 4.16 mostra os dados encontrados para tempo de frente e de cauda obtidos no impulso da Figura 4.41. Com isso, nota-se que ´e poss´ıvel utilizar os parˆametros considerados no ensaio em laborat´orio, pelo motivo da simula¸c˜ao apresentada nessa se¸ca˜o possuir os resultados dentro do intervalo de valores estipulados nas tolerˆancias da Tabela 3.2.

92

Tabela 4.16: Parˆametros medidos na onda simulada

4.2.5

Tempo de frente

Tempo de cauda

1,102 µs

49,18 µs

Resultados

Feitas todas as etapas descritas anteriormente e utilizando os parˆametros de ensaio descritos na Tabela 4.17, os resultados obtidos ser˜ao mostrados a seguir. Tabela 4.17: Parˆametros aplicados no circuito de ensaio Parˆametros Resistˆencia s´erie externa

350 Ω

Resistˆencia s´erie interna

15 Ω

Resistˆencia em paralelo 1

31 kΩ

Resistˆencia em paralelo 2

6 kΩ

Resistˆencia em paralelo 3

115 Ω

Resistˆencia em paralelo equivalente

112,43 Ω

Capacitor de frente

1 nF

Capacitˆ ancia estimada do objeto de teste

50 pF

N´ umero de est´agios do gerador

4

Etapa da verifica¸c˜ ao - Polaridade Positiva ´ aplicado um valor em torno da tens˜ao disruptiva de U50 estimada, sendo este E pr´oximo a 165 kV. Com isso, a tens˜ao aplicada em cada est´agio do gerador dever´a estar entre os resultados encontrados nas Equa¸co˜es 4.20 e 4.18. O resultado ´e mostrado na Tabela 4.18.

Sendo: Vest - Tens˜ao por est´agio aplicada ao gerador de impulsos; med Vtot - Tens˜ao total medida no ensaio;

S - Indica que isolamento do equipamento suportou a aplica¸c˜ao do impulso; 93

Tabela 4.18: Resultado da etapa de verifica¸ca˜o com polaridade positiva Contagem 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Vest [kV] 35,0 36,1 37,2 38,3 39,5 40,7 41,9 43,2 44,5 50,0 51,5 53,0 51,5 53,0 54,6 53,0 51,5 50,0 51,5 50,0 51,5 50,0 51,5 53,0 51,5 53,0 51,5 53,0 51,5 53,0 51,5

med [kV] Vtot 115,9 119,1 122,7 126,7 130,2 134,4 138,3 142,5 146,4 164,2 169,4 173,9 169,3 173,9 179,3 173,9 168,6 164,0 168,9 164,0 168,9 164,2 169,0 173,8 169,0 173,8 168,9 173,8 168,9 173,6 168,8

Suportabilidade S S S S S S S S S S S X S S X X X S X S X S S X S X S X S X X

tcorte [µs] 7,08 4,96 8,60 5,36 4,84 4,66 5,68 4,76 4,76 6,14 7,02

X - Indica que isolamento do equipamento n˜ao suportou o impulso, com isso houve uma disrup¸ca˜o el´etrica; tcorte - Tempo que ocorreu o corte na forma de onda quando houve a descarga disruptiva; σ - Desvio padr˜ao - Mostra a varia¸ca˜o em rela¸c˜ao a m´edia.

94

Com os dados obtidos na Tabela 4.18, verificou-se que a tens˜ao m´edia dos vinte impulsos contabilizados ´e de: x¯ = 170, 43 kV A norma IEC 60383-2 [22] determina que a m´edia encontrada deve ser multiplicada pelo desvio padr˜ao. Este ´e definido como:

σ = 1 − (1, 3 × δ)

sendo δ = 0, 03 para impulso atmosf´erico. Assim, o desvio padr˜ao ´e igual a σ = 0, 96. Multiplicando a m´edia com este valor, temos: x¯ = 170, 43 kV × 0, 96 = 163, 61 kV ´ necess´ario corrigir a tens˜ao encontrada de acordo com as condi¸c˜oes atmosf´ericas E do laborat´orio, conforme NBR IEC 60060-1 [4]. Esse procedimento ´e importante pelo fato da descarga disruptiva do isolamento externo do isolador depender dessas condi¸co˜es. Ele ´e feito apenas nos casos em que a umidade relativa do ar ´e inferior a 80%. Utilizando os valores de referˆencia (Tabela 4.19) descritos na norma NBR IEC 60060-1 [4], ´e poss´ıvel converter os parˆametros obtidos nas condi¸c˜oes do ensaio realizado (Tabela 4.20) e determinar a tens˜ao U50. Tabela 4.19: Valores obtidos na norma [4] para a realiza¸ca˜o da corre¸c˜ao atmosf´erica Valores de referˆencia Press˜ ao atmosf´erica - po 1013 hPa Temperatura - to 20 ◦ C Umidade absoluta - ho 11 g/m3

Tabela 4.20: Valores obtidos durante a execu¸ca˜o do ensaio Valores medidos Press˜ ao atmosf´erica - p 101,4 kPa Temperatura - t 20, 7 ◦ C Umidade relativa 75,5 % L 0,55 m

95

Sendo L a menor distˆancia percorrida pelo arco el´etrico. Feita a corre¸ca˜o atmosf´erica na m´edia igual a 163,61 kV, temos que a tens˜ao com 50% de probabilidade de ocorrˆencia de disrup¸ca˜o ´e:

U 50 = 162, 51 kV

Etapa da verifica¸c˜ ao - Polaridade Negativa As aplica¸co˜es s˜ao feitas com a mesma faixa de tens˜ao da etapa de verifica¸c˜ao descrita anteriormente, mas com a polaridade negativa (Tabela 4.21). Tabela 4.21: Resultado da etapa de verifica¸ca˜o com polaridade negativa Contagem 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Vest [kV] -53,0 -51,5 -50,0 -48,5 -47,1 -48,5 -47,1 -48,5 -47,1 -48,5 -47,1 -48,5 -47,1 -48,5 -50,0 -48,5 -47,1 -48,5 -47,1 -45,8 -47,1 -48,5 -50,0

med [kV] Vtot -173,9 -169,5 -164,6 -159,8 -155,2 -159,8 -155,0 -159,8 -154,8 -159,8 -154,8 -159,5 -155,2 -155,1 -164,5 -159,6 -155,0 -159,5 -155,1 -155,1 -155,0 -159,6 -164,4

Suportabilidade X X X X S X S X S X S X S S X X S X X S S S S

tcorte [µs] 3,74 4,84 5,12 6,04 6,8 5,12 5,48 5,78 5,16 6,94 6,28 8,70 -

A tens˜ao m´edia dos vinte impulsos realizados com a polaridade negativa, ´e igual a: x¯ = −157, 83 kV Multiplicando a m´edia pelo mesmo desvio padr˜ao encontrado na etapa de verifica¸ca˜o

96

da polaridade positiva, temos:

x¯ = −157, 83 kV × 0, 96 = −151, 52 kV

Considerando os mesmos valores das Tabelas 4.19 e 4.20, foi feita a corre¸ca˜o atmosf´erica de acordo com NBR IEC 60060-1 [4]. Dessa forma, ´e poss´ıvel encontrar U50 corrigida, que ´e a tens˜ao a ser utilizada na pr´oxima etapa do ensaio:

U 50 = −150, 69 kV

Etapa da Determina¸c˜ ao - Polaridade Positiva Nesse procedimento, aplicam-se quinze impulsos no isolador, com o valor U50 encontrado na etapa de verifica¸ca˜o com polaridade positiva (Tabela 4.22). O valor utilizado para o rendimento deve ser o mais pr´oximo do real poss´ıvel, podendo ser obtido atrav´es do programa GC 257, que controla o gerador de impulsos. Como o rendimento observado no software mudou de 0,8 para 0,824, a tens˜ao aplicada por est´agio teve que ser recalculada, ficando em torno de:

Vest

162, 51 × 103 40, 63 = = 40, 63 → Vest = = 49, 3 kV 4 0, 824

97

Tabela 4.22: Resultado da etapa de determina¸ca˜o com polaridade positiva Contagem

Vest [kV]

med [kV] Vtot

Suportabilidade

tcorte [µs]

1

49,3

161,7

S

-

2

49,3

161,5

S

-

3

49,3

161,5

S

-

4

49,3

161,6

S

-

5

49,3

161,5

S

-

6

49,3

161,5

S

-

7

49,3

161,5

S

-

8

49,3

161,5

S

-

9

49,3

161,6

S

-

10

49,3

161,5

S

-

11

49,3

161,5

X

5,54

12

49,3

161,4

X

8,96

13

49,3

161,7

S

-

14

49,3

162,0

S

-

15

49,3

161,5

S

-

Para o equipamento ser aprovado nesse ensaio, ´e necess´ario que n˜ao ocorra descarga disruptiva mais de duas vezes na etapa de determina¸ca˜o (Tabela 4.22), durante a aplica¸ca˜o da tens˜ao U50 encontrada. Como n˜ao ocorreu disrup¸c˜ao em mais de duas aplica¸co˜es da tens˜ao U50, o isolador foi aprovado no ensaio com a polaridade positiva, por apresentar condi¸c˜oes de isolamento satisfat´orias.

Etapa da Determina¸c˜ ao - Polaridade Negativa Aplicam-se quinze impulsos com o valor U50 encontrado na etapa de verifica¸ca˜o de polaridade negativa, para avaliar as condi¸co˜es de isolamento (Tabela 4.23). Foi observado novamente o rendimento de 0,824 no gerador de impulsos, visto na etapa de determina¸ca˜o com polaridade positiva. Assim, ´e necess´ario determinar a tens˜ao

98

aplicada novamente:

Vest =

−37, 67 −150, 69 × 103 = −37, 67 → Vest = = −45, 7 kV 4 0, 824

Tabela 4.23: Resultado da etapa de determina¸ca˜o com polaridade negativa Contagem

Vest [kV]

med [kV] Vtot

Suportabilidade

tcorte [µs]

1

-45,7

-150,3

S

-

2

-45,7

-150,6

S

-

3

-45,7

-150,6

S

-

4

-45,7

-150,2

S

-

5

-45,7

-150,6

S

-

6

-45,7

-150,4

S

-

7

-45,7

-150,6

S

-

8

-45,7

-150,6

S

-

9

-45,7

-150,6

S

-

10

-45,7

-150,6

S

-

11

-45,7

-150,6

S

-

12

-45,7

-150,6

S

-

13

-45,7

-150,6

S

-

14

-45,7

-150,6

S

-

15

-45,7

-150,6

S

-

O isolador apresentou novamente resultados satisfat´orios com a polaridade negativa de tens˜ao. Este equipamento apresenta condi¸co˜es de isolamento conforme a norma IEC 60383-2 [22], podendo ser exposto a` elevados n´ıveis de tens˜ao, visto que n˜ao ocorreu descarga disruptiva mais que duas vezes na etapa de determina¸c˜ao da polaridade negativa tamb´em.

99

4.3

Transformador de Corrente - TC

Os transformadores de corrente s˜ao equipamentos que reduzem elavados n´ıveis de corrente para valores proporcionais e que se adaptem aos instrumentos de medi¸ca˜o, tendo em vista a dificuldade destes em medir diretamente as grandezas de um sistema de potˆencia [23]. O TC ensaiado possui as caracter´ısticas descritas na Tabela 4.24 e na Figura 4.42 esse equipamento ´e mostrado. Tabela 4.24: Informa¸co˜es nominais da placa do transformador de corrente testado em laborat´orio Dados de placa Material isolante

Ep´oxi

Tens˜ ao nominal

15 kV

N´ıvel b´ asico de Isolamento (NBI ou BIL)

95 kV ou 110 kV

Figura 4.42: Transformador de Corrente [3]

4.3.1

Descri¸ c˜ ao do ensaio com impulso atmosf´ erico

Esse ensaio foi realizado conforme norma ABNT NBR 6856 [24], sendo conhecido tamb´em como ensaio diel´etrico.

100

Ajuste da forma de onda Antes de realizar o ensaio de tens˜ao suport´avel de impulso atmosf´erico no TC, ´e necess´ario ajustar a forma de onda do equipamento da mesma maneira como a mencionada na se¸c˜ao 4.1.1.

Ensaio de tens˜ ao suport´ avel nominal de impulso atmosf´ erico Em seguida, ´e feito o ensaio diel´etrico, cujo o objetivo ´e testar o isolamento do transformador de corrente para a tens˜ao de impulso atmosf´erico. Como esse TC possui classe de tens˜ao de 15 kV, segundo a norma ABNT NBR 6856 [24], seu NBI ´e de 95 kV. O TC deve ser capaz de suportar o ensaio com tens˜ao de impulso atmosf´erico, com a onda normalizada de 1,2/50 µs, sem que ocorram descargas disruptivas e sem que haja comprova¸ca˜o de alguma falha no equipamento. Para a execu¸ca˜o desse ensaio, deve-se utilizar tens˜ao com polaridade positiva, pelo fato do TC possuir isola¸ca˜o seca, com ep´oxi. Devem-se aplicar cinco impulsos dos seguintes tipos e na respectiva ordem: Um impulso pleno reduzido - deve possuir amplitude entre 50% e 70% do valor de crista do impulso pleno com valor especificado. Nesse caso, utilizou-se 70% de 95 kV, sendo igual a 66,5 kV. Dois impulsos cortados na cauda - devem possuir amplitudes 10% maiores que o valor de crista do impulso pleno especificado e tempo de corte da onda compreendido entre 2 µs e 6 µs. Utilizou-se o valor de 104,5 kV para a crista do impulso. Um impulso pleno com valor especificado - devem possuir valores de pico de 95 kV ou 110 kV, conforme a norma. Nesse procedimento, utilizou-se 95 kV. Um impulso pleno reduzido - Aplica-se tens˜ao de pico igual a 66,5 kV.

101

4.3.2

Conex˜ ao no laborat´ orio de alta tens˜ ao

O circuito de ensaio ´e montado de maneira parecida o arranjo da Se¸c˜ao 4.1.2, com o TC conectado em paralelo com o gerador, capacitor de frente e divisor de tens˜ao. O lado de alta tens˜ao do TC deve ser curto-circuitado e aplicada a tens˜ao originada do gerador de impulsos, enquanto que o lado de baixa e a carca¸ca do equipamento devem ser curto-circuitados e conectados ao terra (Figura 4.43). O arranjo do circuito completo montado em laborat´orio, deve ser equivalente ao da Figura 4.4.

Figura 4.43: Liga¸ca˜o do TC em laborat´orio

4.3.3

C´ alculos preliminares para o ajuste da forma de onda

Para definir, novamente, os resistores que foram utilizados na execu¸c˜ao do ensaio de ajuste e obter a forma de onda padronizada 1,2/50 µs, temos:

C´ alculo da resistˆ encia em s´ erie Utilizando a Equa¸c˜oes 2.19 e os valores da Tabela 4.25, temos que:

C=

600 × 10−9 × (1 × 10−9 + 800 × 10−12 + 0) 600 × 10−9 + 1 × 10−9 + 800 × 10−12 + 0

C = 1, 795 × 10−9 F 102

(4.21)

(4.22)

E a Equa¸c˜ao 2.27: Rs =

1, 2 × 10−6 3, 25 × 1, 795 × 10−9

(4.23)

Rs = 205, 74 Ω

(4.24)

C´ alculo da resistˆ encia em paralelo As resistˆencias em paralelo s˜ao as mesmas da Tabela 4.4.

Determina¸c˜ ao do n´ umero de est´ agios que ser˜ ao utilizados no ensaio Considerando os mesmos princ´ıpios adotados na se¸ca˜o 4.1.3, pois as tens˜oes m´axima e m´ınima utilizadas s˜ao as mesmas que no caso do transformador trif´asico, optou-se por aplicar tens˜ao em quatro est´agios do gerador, como feito nos ensaios anteriores.

4.3.4

Simula¸ c˜ ao do ensaio de ajuste no Matlab ou Octave

Novamente, como na Se¸c˜ao 4.1.4, ser˜ao apresentados nesse segmento os resultados obtidos com a simula¸ca˜o do ensaio de ajuste de forma de onda proposto (Figura 4.44 e Tabela 4.26). O valor oˆhmico para resistˆencia s´erie foi calculado na se¸c˜ao anterior, a capacitˆancia do objeto de teste estimada e os valores para capacitˆancia de frente, capacitˆancia do gerador de impulsos e resistˆencia em paralelo foram dados no laborat´orio AT2 (Tabela 4.25).

103

Tabela 4.25: Parˆametros calculados utilizados para a obten¸c˜ao da forma de onda simulada Parˆ ametros aplicados na simula¸c˜ao Resistˆencia s´erie

205,74 Ω

Resistˆencia em paralelo equivalente

112,43 Ω

Capacitˆ ancia estimada do objeto de teste

800 pF

Capacitˆ ancia do gerador por est´agio

600 nF

Capacitor de frente

1 nF

Capacitˆ ancia em paralelo equivalente

1,8 nF

Tens˜ ao aplicada

18 kV

Figura 4.44: Simula¸ca˜o da forma de onda esperada com aplica¸ca˜o de tens˜ao no transformador de corrente [6]

Tabela 4.26: Parˆametros medidos na onda simulada Tempo de frente

Tempo de cauda

1,022 µs

49,23 µs

A partir desses resultados, observa-se que os valores utilizados para resistˆencias 104

e capacitores est˜ao adequados e que o impulso de tens˜ao visto na simula¸c˜ao apresenta um comportamento satisfat´orio e de acordo com o esperado, respeitando as tolerˆancias da Tabela 3.2. Assim, ´e poss´ıvel seguir para a etapa de realiza¸ca˜o de teste reais.

4.3.5

Resultados

Os parˆametros utilizados no ensaio feito em laborat´orio s˜ao mencionados na Tabela 4.27. Tabela 4.27: Parˆametros aplicados no circuito de ensaio Parˆametros Resistˆencia s´erie externa

200 Ω

Resistˆencia s´erie interna

15 Ω

Resistˆencia em paralelo 1

31 kΩ

Resistˆencia em paralelo 2

6 kΩ

Resistˆencia em paralelo 3

115 Ω

Resistˆencia em paralelo equivalente

112,43 Ω

Capacitor de frente

1 nF

Capacitˆ ancia estimada do objeto de teste

800 pF

N´ umero de est´agios do gerador

4

Resultados do ensaio de ajuste da forma de onda - TC Aplicando uma tens˜ao reduzida de 18 kV para ajustar a forma de onda do TC, os resultados da Tabela 4.28 s˜ao obtidos. Tabela 4.28: Medi¸co˜es feitas no ensaio de ajuste de onda no TC Tens˜ao aplicada

Tempo de frente

Tempo de cauda

Tens˜ao no equipamento

18 kV

1,42 µs

42,60 µs

59,9 kV

105

Resultados do ensaio de tens˜ ao suport´ avel nominal de impulso atmosf´ erico - TC 1. Considerando a utiliza¸ca˜o de quatro est´agios e rendimento de 80% do gerador, temos que a tens˜ao por est´agio, utilizada para cada tipo de impulso, ser´a igual a: (a) Para impulso pleno reduzido:

Vest =

0, 7 × 95kV = 16, 6 kV 4

Vest =

16, 6kV ≈ 20 kV 0, 8

(b) Para impulso pleno com valor especificado:

Vest =

95kV = 23, 75 kV 4

Vest =

23, 75kV = 29, 68 kV 0, 8

Vest =

104, 5kV = 26, 12 kV 4

Vest =

26, 12kV = 32, 66 kV 0, 8

(c) Para impulso cortado:

2. Com os c´alculos: Vosc = Vosc =

max Vtotal ×η 268 × 20

104, 5 × 0, 8 = 15, 6 kV 5360

No oscilosc´opio, optou-se por utilizar o valor de 5 V /div como escala de tens˜ao. Para impulsos plenos a escala de tempo utilizada foi de 10 µs/div e, para os cortados, de 1 µs/div. Feitas essas considera¸co˜es, os resultados da Tabela 4.29 foram obtidos. 106

Tabela 4.29: Medi¸co˜es feitas no ensaio de impulso atmosf´erico no TC Aplica¸c˜ao

Tipo de impulso

Tens˜ao por est´agio

Tens˜ao total medida

Tempo de corte

1

Pleno reduzido

20 kV

66,07 kV

-

2

Cortado

31,4 kV

103,20 kV

5,18 µs

3

Cortado

31,4 kV

103,20 kV

5,18 µs

4

Pleno especificado

28,5 kV

93,84 kV

-

5

Pleno reduzido

20 kV

65,97 kV

-

Sendo os resultados gr´aficos iguais a:

(a)

(b)

Figura 4.45: Resultados do impulso de tens˜ao com a aplica¸ca˜o 1 (a) e aplica¸ca˜o 2 (b) no TC [20].

107

(c)

(d)

Figura 4.46: Resultados do impulso de tens˜ao com a aplica¸ca˜o 3 (c) e aplica¸ca˜o 4 (d) no TC [20].

(e) Figura 4.47: Resultado do impulso de tens˜ao com a aplica¸ca˜o 5 (e) no TC [20].

108

Tabela 4.30: Verifica¸c˜ao da porcentagem das oscila¸co˜es dos impulsos de tens˜ao cortados das Figuras 4.45 e 4.46 Aplica¸c˜ao

Porcentagem de oscila¸c˜ao

Tens˜ao m´axima

Tens˜ao de pico da oscila¸c˜ao

2

19,78%

25,34 kV

5,02 kV

3

20,33%

25,34 kV

5,16 kV

Como no ensaio de tens˜ao suport´avel no transformador trif´asico, o pico da primeira oscila¸ca˜o que ocorre depois do corte na onda, nos impulsos cortados na cauda, n˜ao podem ultrapassar 25% do valor de amplitude m´axima de tens˜ao, conforme a norma ABNT NBR 6856 [24]. Com a Tabela 4.30, constata-se que os picos das oscila¸co˜es desses impulsos, no TC, n˜ao ultrapassaram esse valor de 25% de cada amplitude m´axima. Assim, os resultados s˜ao v´alidos pela norma ABNT NBR 6856 [24].

(f) Figura 4.48: Resultados da sobreposi¸ca˜o dos impulsos de tens˜ao cortados no TC (f) [20].

109

(g) Figura 4.49: Resultados da sobreposi¸ca˜o dos impulsos de tens˜ao plenos no TC (g) [20].

Feita a superposi¸c˜ao das Figuras 4.48 e 4.49, o comportamento do TC em rela¸ca˜o ao impulso atmosf´erico ´e analisado. Como as ondas cortadas e plenas coincidem, h´a a confirma¸c˜ao de que o isolamento do TC suportou de forma adequada aos impulsos de tens˜ao, de acordo com a norma ABNT NBR 6856 [24].

110

Cap´ıtulo 5 Conclus˜ ao Este trabalho consolida os aspectos el´etricos e construtivos do gerador de impulsos, que possui a principal aplica¸ca˜o na verifica¸c˜ao das condi¸c˜oes de suportabilidade do isolamento dos equipamentos el´etricos de alta tens˜ao, quando submetidos a esfor¸cos diel´etricos padronizados, de acordo com a norma ABNT NBR IEC 60060-1 [4]. Dessa maneira, s˜ao importantes nas pesquisas e desenvolvimento de novos equipamentos e suas caracter´ısticas isolantes, como tamb´em no estudo dos eventos transit´orios relacionados `as altas tens˜oes. Esses transit´orios originam diferentes tipos de sobretens˜oes na rede de transmiss˜ao, sendo os impulsos de tens˜ao atmosf´erica e de manobra descritos nesse projeto. A diferen¸ca predominante entre esses dois impulsos consiste no comportamento da forma de onda de cada um, considerando o seu tempo de dura¸c˜ao e taxa de decaimento, seguido da distin¸c˜ao dos meios de origem, se foi produzido no ambiente externo ou interno do sistema considerado. Atrav´es dos conceitos apresentados, s˜ao exibidos os procedimentos e resultados referentes a realiza¸ca˜o de trˆes ensaios el´etricos. Os equipamentos ensaiados: transformador trif´asico, isolador e transformador de corrente, apresentam desempenhos satisfat´orios em rela¸ca˜o ao isolamento e de acordo com as normas ABNT NBR 5356-4, IEC 60383-2 e ABNT NBR 6856, respectivamente. Com a elabora¸ca˜o deste trabalho ´e poss´ıvel concluir que o objetivo inicial de realizar um estudo sobre as caracter´ısticas f´ısicas e el´etricas de um gerador de im111

pulsos, sobre os fenˆomenos transit´orios que podem causar falhas no isolamentos de equipamentos e de executar ensaios el´etricos para verifica¸ca˜o da suportabilidade de alguns elementos de uma rede de transmiss˜ao de energia foi alcan¸cado, visto que nos Cap´ıtulos 2 e 3 cada um desses conceitos foram abortados, mencionando com clareza todos os pontos observados e relevantes para o entendimento de todo o precesso experimental mostrado no Cap´ıtulo 4, com a finalidade de promover um embasamento para compreens˜ao de todos os ensaios para o leitor. Os ensaios realizados s˜ao praticados no Cepel com frequˆencia, mostrando a aplica¸ca˜o pr´atica de muitos conceitos vistos na universidade e a necessidade de ajudar outras empresas na an´alise do comportamento de seus equipamentos sob impulsos atmosf´ericos. Outra caracter´ıstica desse projeto ´e promover o aux´ılio na realiza¸ca˜o de pr´oximos ensaios em equipamentos el´etricos envolvendo a utiliza¸c˜ao do gerador de impulsos e conciliar todos os dados considerados nesta pr´atica, por possuir um elevado detalhamento dos procedimentos realizados nos trˆes equipamentos el´etricos espec´ıficos, mostrar os resultados obtidos juntamente com os crit´erios para an´alise do isolamento e evidenciar as condi¸c˜oes b´asicas necess´arias para a efetua¸c˜ao de qualquer ensaio. Este trabalho proporciona tamb´em um grande aprendizado sobre: as t´ecnicas aplicadas em laborat´orios para realiza¸c˜ao de testes em alta tens˜ao, montagem de circuitos envolvendo diferentes equipamentos, interpreta¸ca˜o e aplica¸ca˜o de normas t´ecnicas atuais, controle da aplica¸c˜ao de tens˜ao no gerador de impulso com o uso do software GC 257 Impulse, c´alculo das resistˆencias s´erie e paralelo do gerador para a obten¸c˜ao de formas de onda padronizadas, utiliza¸ca˜o dos parˆametros calculados considerando os componentes resistivos dispon´ıveis em laborat´orio e m´etodos de prote¸ca˜o pessoal na realiza¸ca˜o de ensaios em alta tens˜ao. Para trabalhos futuros, indica-se o estudo de ensaios em outros equipamentos, como transformador de potencial e isoladores compostos de diferentes materiais, e a implementa¸c˜ao de um m´etodo computacional que facilite a aquisi¸ca˜o e tratamento de dados em laborat´orio.

112

Referˆ encias Bibliogr´ aficas ´ [1] NEMESIO, J. S. Manuten¸c˜ao de instala¸c˜oes e equipamentos el´etricos, 2013. Apostila da disciplina de Manuten¸c˜ao de Equipamentos El´etricos, UFRJ. [2] DE MELLO, D. R. Manual t´ecnico para ensaios de alta tens˜ao 1- Centro de pesquisas de energia el´etrica, 1986. [3] CAGIDO, M. C. “Fotos do acervo da autora”, 2013. [4] ABNT NBR IEC 60060-1: T´ecnicas de ensaios el´etricos de alta tens˜ao Parte 1Defini¸c˜oes gerais e requisitos de ensaios, . ABNT - Associa¸ca˜o Brasileira de Normas T´ecnicas. [5] E. KUFFEL, W. S. ZAENGL, ET AL. High voltage engineering fundamentals. Newnes, 2000. [6] CAGIDO, M. C. “Gr´aficos do acervo da autora, obtidos em simula¸c˜ao com utiliza¸ca˜o dos dados calculados.” 2013. [7] Manual t´ecnico para ensaios de alta tens˜ao 2- Centro de pesquisas de energia el´etrica, . Notas de utiliza¸c˜ao do gerador de impulsos do laborat´orio de ensaios corona. [8] ATALLAH, M. C. M. Geradores de impulso Haefely - Ensaios com impulsos atmosf´erico e de manobra, 2013. Apostila de treinamento - CEPEL. [9] CHARLES K. ALEXANDER, M. N. O. S. Fundamentos de Circuitos El´etricos. Mcgraw-hill Interamericana. [10] PEREIRA, C. E. R. Impulso de alta tens˜ao: Modelagem e simula¸c˜ao de circuitos de ensaio. Tese de Mestrado, UFRJ, 2009. [11] Relat´orio t´ecnico - Centro de pesquisas de energia el´etrica. ALAB 304/96. [12] ARY D’AJUZ, ET AL. Transit´orios el´etricos e coordena¸c˜ao de isolamento aplica¸c˜ao em sistemas de potˆencia de alta tens˜ao. Universidade Federal Fluminense/EDURFF, 1987. 113

[13] HEDMAN, E.D. Coordena¸c˜ao de Isolamento - Curso de Engenharia em Sistemas El´etricos de Potˆencia - S´erie P.T.I. Santa Maria - RS, 1979. Tradutor - Jos´e Wagner M. Kaehler. [14] ABNT NBR IEC 62271-102:2006: Equipamentos de alta-tens˜ao Parte 102: Seccionadores e chaves de aterramento, . ABNT - Associa¸c˜ao Brasileira de Normas T´ecnicas. [15] A. E. FITZGERALD, CHARLES KINGSLEY JR, S. D. U. M´aquinas El´etricas. Bookman. [16] ABNT NBR 6939 - Coordena¸c˜ao do Isolamento - Procedimento, . ABNT Associa¸ca˜o Brasileira de Normas T´ecnicas. [17] DIAS, R. N. Nova Metodologia para Identifica¸c˜ao de Pontos Cr´ıticos de Desempenho em Linhas de Transmiss˜ao Baseada na Aplica¸c˜ao de Sistemas de Localiza¸c˜ao de Descargas Atmosf´ericas. UFMG, 2006. Tese de Doutorado. [18] ABNT NBR 5356-4: Transformadores de potˆencia Parte 4: Guia para ensaio de impulso atmosf´erico e de manobra para transformadores e reatores, . ABNT - Associa¸ca˜o Brasileira de Normas T´ecnicas. [19] ABNT NBR 5356-3: Transformadores de potˆencia Parte 3: N´ıveis de isolamento, ensaios diel´etricos e espa¸camentos externos em ar, . ABNT Associa¸ca˜o Brasileira de Normas T´ecnicas. [20] CAGIDO, M. C. “Gr´aficos do acervo da autora, obtidos em procedimento experimental no laborat´orio AT2 do Cepel.” 2013. [21] Isoladores, 1997. COELCE. [22] IEC 60383-2:Insulators for overhead lines with a nominal voltage above 1000 V, . IEC - International Electrotechnical Commission. ´ [23] NEMESIO, J. S. Transformadores de Corrente, 2013. Apostila da disciplina de Equipamentos El´etricos, UFRJ. [24] ABNT NBR 6856 - Transformador de corrente, . ABNT - Associa¸c˜ao Brasileira de Normas T´ecnicas. [25] A pr´atica de ensaio de impulso - Centro de Pesquisas de Energia El´etrica, . LEE - 07/82. [26] SCHAEFER, J. C. Ensaios de impulso atmosf´erico e de manobra.

114

[27] DE MELLO, D. R. T´ecnicas de ensaio em alta tens˜ao, 2013. Apostila de treinamento - CEPEL.

115

Apˆ endice A Dados da simula¸ c˜ ao

Figura A.1: Programa para obten¸ca˜o da onda simulada

116

Figura A.2: Programa para obten¸ca˜o do tempo de frente - Parte 1

Figura A.3: Programa para obten¸ca˜o do tempo de frente - Parte 2

117

Figura A.4: Programa para obten¸ca˜o do tempo de descida

Figura A.5: Programa para obten¸ca˜o do percentual de oscila¸ca˜o dos impulsos cortados

118