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Estudo detalhado sobre geradores de impulso de tensão e sua aplicação em ensaios elétricos. Estabelece procedimentos para utilização desses geradores em laboratório, incluindo montagem do circuito de alta tensão, níveis de tensão aplicados, uso de normas técnicas e metodologia para obtenção de impulsos de tensão ajustados. Aborda estudos de caso envolvendo ensaios em diversos equipamentos elétricos, com o objetivo de analisar cada situação, validar o estudo sobre o gerador de impulsos de tensão e aplicar os conceitos teóricos de forma prática.
Tipologia: Resumos
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Mayara Cunha Cagido
Projeto de Gradua¸c˜ao 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¸c˜ao do t´ıtulo de Engenheiro.
Orientadores: Antonio C. Siqueira de Lima H´elio de Paiva Amorim J´unior
Rio de Janeiro Fevereiro de 2014
A inspira¸c˜ao vem, mas tem que te encontrar trabalhando. Picasso
iv
Gostaria de agradecer a Deus e Nossa Senhora Aparecida por toda for¸ca e f´e que me proporcionaram durante a realiza¸c˜ao 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¸c˜ao. 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 paciˆencia durante esses anos. E um companheiro e amigo sem igual, que me ajuda´ 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¸c˜ao 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 ´unico, 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¸c˜ao 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
Resumo do Projeto de Gradua¸c˜ao apresentado `a Escola Polit´ecnica/ UFRJ como parte dos requisitos necess´arios para a obten¸c˜ao do grau de Engenheiro Eletricista.
Impulso Atmosf´erico em Laborat´orio – Aplica¸c˜ao, Medi¸c˜ao e Interpreta¸c˜ao
Mayara Cunha Cagido
Fevereiro/
Orientadores: Antonio C. Siqueira de Lima H´elio de Paiva Amorim J´unior
Curso: Engenharia El´etrica
Este trabalho re´une informa¸c˜oes importantes sobre geradores de impulsos como suas carater´ısticas f´ısicas e funcionamento. Estabelece ainda os procedimentos necess´arios para a sua utiliza¸c˜ao 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¸c˜ao de normas t´ecnicas e realiza¸c˜ao de uma metodologia para obten¸c˜ao 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 fa- tor 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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Lista de Figuras x
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¸c˜ao de Rp 36
3.1 Impulso de tens˜ao pleno......................... 39 3.2 Impulso de tens˜ao cortado na cauda................... 41 3.3 Impulso de tens˜ao cortado na frente de onda.............. 42 3.4 Impulso atmosf´erico em cadeia isoladores polim´ericos......... 44 3.5 Impulso de manobra em cadeia de isoladores polim´ericos....... 46
4.1 Transformador trif´asico.......................... 51 4.2 Liga¸c˜ao do lado de alta do transformador trif´asico em laborat´orio.. 56 4.3 Esquema para a liga¸c˜ao do transformador trif´asico para o ensaio el´etrico 57 4.4 Esquema do circuito completo montado para o ensaio diel´etrico do transformador com chopping gap.................... 57 4.5 Simula¸c˜ao da forma de onda esperada com aplica¸c˜ao de tens˜ao no transformador trif´asico.......................... 61 4.6 Resultados de tens˜ao (a) e corrente (b) obtidos com a aplica¸c˜ao 1 na fase A.................................... 66 4.7 Resultados de tens˜ao (c) e corrente (d) obtidos com a aplica¸c˜ao 2 na fase A................................... 66 4.8 Resultados de tens˜ao (e) e corrente (f) obtidos com a aplica¸c˜ao 3 na fase A................................... 67 4.9 Resultados de tens˜ao (g) e corrente (h) obtidos com a aplica¸c˜ao 4 na fase A................................... 67 4.10 Resultados de tens˜ao (i) e corrente (j) obtidos com a aplica¸c˜ao 5 na fase A................................... 68 4.11 Resultados de tens˜ao (l) e corrente (m) obtidos com a aplica¸c˜ao 6 na fase A................................... 68 4.12 Resultados de tens˜ao (n) e corrente (o) obtidos com a aplica¸c˜ao 7 na fase A................................... 69 4.13 Resultados da sobreposi¸c˜ao dos impulsos de tens˜ao cortados na fase A (p).................................... 70 4.14 Resultados da sobreposi¸c˜ao dos impulsos de tens˜ao plenos na fase A (q)..................................... 70 4.15 Resultados da sobreposi¸c˜ao das correntes com a aplica¸c˜ao de impulsos cortados na fase A (r).......................... 71 4.16 Resultados da sobreposi¸c˜ao das correntes com a aplica¸c˜ao de impulsos plenos na fase A (s)............................ 71
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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¸c˜ao de impulsos cortados na fase C (r)........................... 85 4.38 Resultados da sobreposi¸c˜ao das correntes com a aplica¸c˜ao 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¸c˜ao da forma de onda esperada com aplica¸c˜ao de tens˜ao no isolador polim´erico............................ 92 4.42 Transformador de Corrente........................ 100 4.43 Liga¸c˜ao do TC em laborat´orio...................... 102 4.44 Simula¸c˜ao da forma de onda esperada com aplica¸c˜ao 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¸c˜ao 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¸c˜ao dos impulsos de tens˜ao cortados no TC (f) 4.49 Resultados da sobreposi¸c˜ao dos impulsos de tens˜ao plenos no TC (g) 110
A.1 Programa para obten¸c˜ao da onda simulada............... 116 A.2 Programa para obten¸c˜ao do tempo de frente - Parte 1......... 117 A.3 Programa para obten¸c˜ao do tempo de frente - Parte 2......... 117 A.4 Programa para obten¸c˜ao do tempo de descida............. 118 A.5 Programa para obten¸c˜ao do percentual de oscila¸c˜ao dos impulsos cor- tados.................................... 118
xiii
3.1 Tipos de impulsos aplicados aos ensaios de acordo com n´ıvel de tens˜ao do equipamento.............................. 38 3.2 Tolerˆancias relativas as formas de onda de impulso atmosf´erico.... 45 3.3 Tolerˆancias relativasas formas de onda de impulso de manobra.... 47
4.1 Informa¸c˜oes nominais da placa do transformador testado em laborat´orio 51 4.2 Parˆametros calculados utilizados para a obten¸c˜ao da forma de onda simulada.................................. 61 4.3 Parˆametros medidos na onda simulada................. 61 4.4 Parˆametros aplicados no circuito de ensaio............... 62 4.5 Medi¸c˜oes feitas no ensaio de ajuste de onda na fase A......... 62 4.6 Medi¸c˜oes feitas no ensaio de impulso atmosf´erico na fase A...... 65 4.7 Verifica¸c˜ao da porcentagem das oscila¸c˜oes dos impulsos de tens˜ao cortados das Figuras 4.8, 4.9 e 4.10................... 69 4.8 Medi¸c˜oes feitas no ensaio de ajuste de onda na fase B......... 72 4.9 Medi¸c˜oes feitas no ensaio de impulso atmosf´erico na fase B...... 73 4.10 Verifica¸c˜ao da porcentagem das oscila¸c˜oes dos impulsos de tens˜ao cortados das Figuras 4.19, 4.20 e 4.21.................. 77 4.11 Medi¸c˜oes feitas no ensaio de ajuste de onda na fase C......... 79 4.12 Medi¸c˜oes feitas no ensaio de impulso atmosf´erico na fase C...... 80 4.13 Verifica¸c˜ao da porcentagem das oscila¸c˜oes dos impulsos de tens˜ao cortados das Figuras 4.30, 4.31 e 4.32.................. 84 4.14 Informa¸c˜oes do isolador testado em laborat´orio............. 87 4.15 Parˆametros calculados utilizados para a obten¸c˜ao da forma de onda simulada.................................. 92 4.16 Parˆametros medidos na onda simulada................. 93 4.17 Parˆametros aplicados no circuito de ensaio............... 93 4.18 Resultado da etapa de verifica¸c˜ao com polaridade positiva...... 94 4.19 Valores obtidos na norma para a realiza¸c˜ao da corre¸c˜ao atmosf´erica. 95 4.20 Valores obtidos durante a execu¸c˜ao do ensaio.............. 95 4.21 Resultado da etapa de verifica¸c˜ao com polaridade negativa...... 96
xiv
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¸c˜ao de ensaios el´etricos que buscam maior
clareza das causas das falhas e identifica¸c˜ao das caracter´ısticas do projeto em rela¸c˜ao
ao isolamento do equipamento testado.
Uma importante ferramenta na efetua¸c˜ao 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¸c˜ao at´e sua aplica¸c˜ao, a descri¸c˜ao e as principais caracter´ısticas associadas `a
sua utiliza¸c˜ao. Em seguida, ser˜ao apresentados os resultados obtidos com a execu¸c˜ao
de ensaios el´etricos, utilizando o gerador de impulsos, em trˆes tipos de equipamentos:
transformador trif´asico, isolador polim´erico e transformador de corrente.
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 veri-
fica¸c˜ao da suportabilidade de determinados elementos de um sistema de transmiss˜ao
atrav´es da aplica¸c˜ao de impulsos atmosf´ericos com esse mesmo gerador.
Como benef´ıcios complementares, os procedimentos detalhados visam:
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 com-
2
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´e-
estabelecida 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¸c˜ao do gerador.
(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, locali-
zado 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¸c˜ao de 1,1 MV.
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¸c˜ao. A solu¸c˜ao
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