Conceitos Básicos de Isolamento Elétrico, Slides de Eletrônica de Potência

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IMPORTÂNCIA DOS PROTETORES DE

SURTO (SNUBBERS) PARA PROTEÇÃO DE

TRANSFORMADORES

CLÁUDIO S. MARDEGAN

Cláudio Sérgio Mardegan é Diretor da EngePower Engenharia e Comércio Ltda, especialista em proteção de sistemas elétricos industriais e qualidade de energia, com experiência de mais de 38 anos nesta área. Já ministrou por mais de 93 vezes o treinamento de proteção e seletividade, 28 vezes o treinamento de Subestações e 11 vezes o treinamento de Qualidade de Energia, 9 vezes o treinamento de Arc Flash e 5 vezes o treinamento de partida de motores. Apresentou diversos artigos em revistas especializadas e ministrou inúmeras palestras técnicas (Conferências IEEE-IAS e IEEE-I&CPS,IEEE-ESW-Brasil, CINASE, CINAPE, NR- 10 , etc). É consultor das principais empresas multinacionais e empresas corporativas. É engenheiro eletricista formado em 1980 pela Escola Federal de Engenharia de Itajubá (Antiga EFEI atualmente UNIFEI). É autor do livro “Proteção e Seletividade em Sistemas Elétricos Industriais”, patrocinado pela Schneider. É co-autor do Guia de Normas do Setor Elétrico, É Membro Senior do IEEE e participa também dos Working Groups do IEEE para “Generator´s Grounding” e do Buff Book (Série 3004 ). Neste último participa na revisão do Capítulo de Proteção de Transformadores, é Chair do Capítulo 6 – Ground Fault Protection e também é Chair do Capítulo 13 – Protection Coordination. É secretário do Capítulo 1 da Série 3003 (antigo Green Book – Aterramento). É vice-chair de Surge Protection do IEEE e também participa dos grupos de Forensics e do DC Team do IEEE. É paper reviewer e associated editor do IEEE.

1 - MOTIVAÇÃO PARA ESCREVER O ARTIGO

2 - CONCEITOS BÁSICOS

3 - COMENTÁRIOS DE CASOS REAIS OCORRIDOS NO BRASIL E USA

4 - PRINCIPAIS PROTEÇÕES CONTRA OS DISTÚRBIOS

5 – O FENÔMENO

6 – MITIGAÇÃO

7 - MODELAGEM

8 – SIMULAÇÃO

9 – MONTAGEM E INSTALAÇÃO

10 - QUESTÕES A SEREM ANALISADAS AO INCLUIR ESTA PROTEÇÃO

11 - BIBLIOGRAFIA

ÍNDICE

A motivação para o desenvolvimento deste artigo se deve ao fato de que a maior parte da comunidade técnica ainda desconhece este fenômeno e assim, a ideia é demonstrar de uma maneira relativamente simples o fenômeno que acontece, o que ele pode provocar e também as etapas para a mitigação do mesmo.

1 - MOTIVAÇÃO PARA ESCREVER ESTE ARTIGO

(b) REPRESENTAÇÃO IDEAL DE UMA ISOLAÇÃO

Quando se faz uma medição com um Megôhmetro , mede-se apenas a resistência de isolamento, pois a fonte do Megger é corrente contínua ( DC ) e irá enxergar a capacitância como um circuito aberto. Para medir a capacitância se faz necessário a utilização de um Medidor de Fator de Potência de Isolamento , que nada mais é do que um ensaio de tensão de aplicada em corrente alternada ( AC ). Desta maneira, pode-se representar conforme figura abaixo.

C R

(c) Surtos

A referência [ 06 ] define os surtos de tensão são transitórios de tensão de qualquer polaridade de duração inferior a 1 ciclo que tipicamente são decrescentes e oscilatórias. A referência [ 05 ] define o surto como um transitório de tensão de duração inferior 1 ciclo, evidenciada como uma breve e aguda descontinuidade na forma de onda de tensão. A polaridade pode ser aditiva ou subtrativa.

Dependendo da amplitude e energia dos surtos de tensão, os mesmos podem ser a causa de dano e destruição de componentes e equipamentos. Isto acontece quando o surto atinge valores e formas de onda próximos e/ou acima do valor para o qual os equipamentos são testados (p.ex. ANSI C62.41-1991).

Surto Limite de Suportabilidade do Equipamento kV

Tempo

(c) Surtos

Surto Limite de Suportabilidade do Equipamento kV

Tempo

A tensão, na prática não atinge o infinito, mas sim um valor alto (sobretensão).

Após a abertura do dispositivo de manobra o sistema sai de um estado de equilíbrio entra num novo estado de desequilíbrio energético, que agora, a energia eletromagnética é utilizada para carregar as capacitâncias do sistema (½ CV^2 ). A sobretensão da abertura carrega então os capacitores com esta tensão mais elevada, que após a abertura, troca energia com o indutor em cada lado do dispositivo de manobra e oscila até amortecer toda energia.

Se não houver onde amortecer (Resistência) teoricamente a oscilação não cessaria.

(c) Surtos

Surtos devidos a descargas Atmosféricas Os surtos atmosféricos quando caem sobre uma linha, normalmente se divide em dois. I/2 I I/

As tensões que irão se sobrepor à tensão da rede serão dadas por :

Da mesma maneira que no chaveamento a descarga atmosférica tira o sistema elétrico do regime permanente e a nova situação irá criar também uma oscilação das energias armazenadas entre as capacitâncias e a as indutâncias do sistema até que esta energia seja dissipada por efeito Joule nas resistências dos sistema.

𝑉 = 𝑍𝐶 ×

ZC = Impedância de Surto

(d) RESSONÂNCIA PARALELA

Ih

L

ZL =+j w .L ZC =-j [1/( w .C)]=-jXC |Zh |= [XL. XC ] / [XL - XC ]

➔No plano W x w ➔ Reta pela Origem ➔No plano W x w ➔ Hipérbole

w

W

XL =XC

XC =1 / w.C

w o

Conforme aumenta o tamanho do Capacitor muda o ponto de ressonância (Banco Autom.). Zh XL = w.L

w ’ o

w ’’ o

A fonte de corrente harmônica Ih enxerga uma impedância Zh que corresponde ao +jXL (= jw L) em paralelo com - jXC (= - j 1 /w C).

Qdo XL =XC ➔ Zh ➔  ➔w L^^ =w^1 C^ w o = LC^1  fo = 2 ^1 LC

C

(d) RESSONÂNCIA PARALELA

Mesmo com uma pequena corrente harmônica, pode-se ter a ocorrência da ressonância paralela, entretanto, esta ressonância pode se tornar mais crítica quando a frequência de ressonância wo (ou fo) coincidir ou ficar próxima de uma frequência característica (p. ex. 5 , 7 , 11 , 13 , etc).

Cálculo simplificado da frequência provável da ressonância

A ordem da frequência de ressonância pode ser estimada, de uma forma simplificada através da equação abaixo:

MVAr

h MVAcc

I E

I E

I

I

X

E

E

X

h X

X

h Cf

CC Cf

CC Lf

Cf Lf

Cf

h h X X h L h C

L C

X X

Nacondiçãoderessonância

Lf^ Cf

o o

Lh Ch

  =     =

 = 

=

w w

w w

1

1

:

(f) FSRA – Frequency Scan Response Analysis

Todo corpo físico possui uma ou mais frequências próprias a partir das quais o mesmo pode entrar em ressonância. Apresenta-se a seguir um Gráfico de Análise do Scan de Frequências de um transformador.

As frequências de ressonância do transformador são: 10. 87 kHz, 34. 6 kHz 45. 59 kHz, 60. 02 kHz e 02. 0 kHz. Veja gráfico ao lado. Como pode ser observado no gráfico fornecido pelo fabricante, os mesmos enfatizam os pontos correspondentes os valores máximos das impedâncias, que representam as ressonâncias paralelas que vão causar sobretensões.

(f) FSRA – Frequency Scan Response Analysis

A publicação do IEEE Std C 57. 142 TM- 2010 “IEEE Guide to Describe the Ocurrence and Mitigation of Switching Transients Induced by Transformers, Switching Device, and System Interaction” [ 01 ].

Este Guia mostra a importância de se fazer a análise do Scan de Frequência enfatizando a importância das ressonâncias séries, ou seja, os valores mínimos

(f) FSRA – Frequency Scan Response Analysis

Qual das duas considerações é mais importante? Ambas. Veja comentário de um dos maiores especialistas do mundo sobre o assunto.

f) Os transformadores enrolado em camadas (Layer Wound) e Cast Coil são mais susceptíveis a essas condições de ressonância interna. g) Transformadores de construção VPI ( V acuum P ressure I mpregnated) são mais propensos a falhas de dv/dt e as magnitudes da sobretensão do que às ressonâncias internas. h) Este gráfico nos dá uma visão interna da ressonância do transformador para eventos de alta frequência decorrentes de chaveamento sem modelagens complexas do transformador, que cujas informações quase nunca são disponíveis. i) Assim, o trabalho do engenheiro especialista em sistema de potência é fazer com que estas ondas de alta frequência não atinjam o transformador, sejam nos picos, sejam nos vales.

Nota A isolação dos enrolamentos pode ser : Open-wound, vacuum pressure impregnation (VPI), vacuum pressure encapsulated (VPE), encapsulated, and cast coil

2009 – USA – Data Center – 3000/4500 kVA

2012 – Brasil – Planta de Papel – 34.5 kV – 6000kVA - Queima de 11 transformadores

2012 – Brasil – Planta Química – 13.8 kV – Queima de 1 transformador

2013 – Brasil – Planta de Papel – 34.5 kV – 6000 kVA – Queima de 3 transformadores

2014 – Brasil – Indústria de Armas – 13.8 kV – 1250 kVA - Queima de 1 transformador

2014 – Brasil – Industria de equipamentos Eletrônicos – 13.8 kV – Queima de 1 Transformador

2014 – Brasil – Planta de Papel – 34.5 kV – Queima de 2 transformadores um de 6000 kVA e outro de 225 kVA.

2014 – Brasil – Prédio Comercial – 34.5 kV – Queima de 1 transformador - 2500kVA

3 - CASOS REAIS OCORRIDOS NO BRASIL E USA