ESTUDO DO COMPORTAMENTO DA ISOLAÇÃO DE CHAVES SECCIONADORAS DE MÉDIA TENSÃO FRENTE À OCORRÊNCIA DE SURTOS NÃO PADRONIZADOS

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1 XVI ERIAC DECIMOSEXTO ENCUENTRO REGIONAL IBEROAMERICANO DE CIGRÉ Puerto Iguazú, Argentina 17 al 21 de mayo de 215 A3-4 Comité de Estudio A3 - Equipamiento de Alta Tensión ESTUDO DO COMPORTAMENTO DA ISOLAÇÃO DE CHAVES SECCIONADORAS DE MÉDIA TENSÃO FRENTE À OCORRÊNCIA DE SURTOS NÃO PADRONIZADOS G.H. FARIA* G.P. LOPES E.T.W. NETO UNIFEI UNIFEI UNIFEI Brasil Brasil Brasil M.L.B. MARTINEZ UNIFEI Brasil Resumo A avaliação do desempenho dielétrico dos equipamentos e componentes de um sistema elétrico mediante à ocorrência de descargas atmosféricas é realizada através da forma impulsiva padrão 1,2 x µs. Esta forma impulsiva representa uma solicitação dielétrica, originada por descargas atmosféricas que atingem diretamente as linhas de transmissão ou distribuição. Entretanto, na maioria dos casos, as sobretensões impulsivas observadas nas redes de distribuição são causadas por descargas indiretas, que incidem próximas às linhas, induzindo sobretensões com características distintas da forma impulsiva padrão. Este trabalho tem como objetivo avaliar a suportabilidade dielétrica de chaves seccionadoras de média tensão frente à ocorrência de surtos não padronizados, caracterizados pelas formas impulsivas,5 x 5 µs e 5 x µs. Para tanto, foram utilizados dois parâmetros resultantes de ensaios, na condição a seco e nas polaridades positiva e negativa, são eles: tensão disruptiva crítica U% e curvas V x t. Com os resultados obtidos é possível avaliar como a suportabilidade dielétrica destas chaves seccionadoras variam de acordo com alterações no tempo de frente e de cauda das formas impulsivas. Os parâmetros também foram obtidos para a forma padrão, com a finalidade de comparação. Palavras chave: Chave Seccionadora Descargas Atmosféricas Forma Impulsiva Padronizada Surtos Não Padronizados Tensão U% Curva V x t Suportabilidade Dielétrica. 1 INTRODUÇÃO As linhas aéreas de transmissão e distribuição, bem como as subestações ao ar livre, estão expostas à condições ambientais adversas, entre elas, as descargas atmosféricas, que constituem uma das solicitações mais severas aos equipamentos do sistema elétrico. Estas descargas são caracterizadas por surtos de tensão de elevada amplitude e taxa de crescimento rápido, enquadrando-se como transitórios eletromagnéticos de frente rápida, onde o tempo de frente varia entre,1 e 2 µs, conforme a classificação da norma internacional IEC [1]. Apesar de incidirem em todo o sistema elétrico, os surtos de tensão originados por descargas atmosféricas causam maiores danos às redes de média tensão, que operam em tensões menores e, portanto, com nível de isolamento menor. Porém, a metodologia utilizada neste trabalho também pode ser aplicada à equipamentos de alta tensão. Embora os efeitos sejam minimizados devido ao nível maior de isolação, os parâmetros utilizados nesse trabalho podem ser obtidos e analisados utilizando o mesmo critério. Os surtos ocasionados por descargas atmosféricas podem ser originados de duas maneiras: através das descargas diretas ou das descargas indiretas (próximas). As descargas diretas são mais severas, pois incidem * UNIFEI Universidade Federal de Itajubá, LAT-EFEI Laboratório de Alta Tensão. Av. BPS, 133, Bairro Pinheirinho, Itajubá-MG, Brasil. Tel: , gabriel@lat-efei.org.br

2 diretamente nas linhas ou equipamentos da rede através dos condutores de fase, cabo de blindagem ou topo das estruturas, originando sobretensões de elevada amplitude. Esta, por sua vez, tem menor probabilidade de ocorrência. As descargas indiretas são aquelas que incidem nas proximidades da linha, induzindo sobretensões em diversos pontos da mesma através dos acoplamentos eletromagnéticos. Para a realização dos ensaios dielétricos que tem como objetivo avaliar os equipamentos mediante sobretensões atmosféricas, utiliza-se a forma impulsiva padrão, que possui 1,2 µs de tempo de frente (t f ) e µs de tempo de cauda (t c ). Esta forma impulsiva é representativa de uma descarga atmosférica direta. Entretanto, existe uma variabilidade de formas impulsivas associadas às descargas indiretas, que a diferenciam da forma padrão. Porém, não há referências normativas que preveem ensaios utilizando tensões impulsivas não padronizadas, o que torna importante os estudos referentes ao assunto. Os parâmetros utilizados para a avaliação do isolamento das chaves seccionadoras de média tensão, classes 15 e 25 kv, consistem na tensão disruptiva crítica U% e na curva V x t, dada pela tensão de pico pelo tempo até a ocorrência da disrupção. Estes parâmetros foram obtidos mediante ensaios realizados no Laboratório de Alta Tensão (LAT-EFEI) da Universidade Federal de Itajubá, utilizando o gerador de impulsos de tensão (Gerador de Marx). Deste modo, é possível realizar uma análise mais completa do desempenho dielétrico das chaves seccionadoras mediante a ocorrência de surtos não padronizados e avaliar quais as possíveis consequências na operação dos sistemas elétricos de distribuição. 2 TENSÕES IMPULSIVAS NÃO PADRONIZADAS Os surtos induzidos por descargas indiretas apresentam formas impulsivas distintas se comparadas com a forma impulsiva padrão (1,2 x µs). As correntes de retorno em uma descarga atmosférica indireta, induzem tensões em pontos próximos ao ponto de incidência. As tensões induzidas dependem de diversos parâmetros, tais como: a distância entre o ponto de incidência e a linha, os parâmetros da corrente de retorno, a geometria da rede, a resistência de aterramento, entre outros [2,3]. Em sistemas de distribuição, as descargas indiretas podem gerar sobretensões capazes de provocar a falha em equipamentos como transformadores e danos em componentes da rede que possuem isolação auto-recuperante, como chaves fusíveis, chaves seccionadoras e isoladores. O isolamento auto-recuperante caracteriza-se por restaurar completamente suas propriedades dielétricas após a ocorrência de uma descarga disruptiva. A avaliação das tensões induzidas em uma linha parte primeiramente do cálculo do campo eletromagnético gerado pela corrente de retorno. Para este cálculo utilizam-se dos modelos de corrente de retorno [4]. Após calculados os níveis de campos eletromagnéticos em cada ponto da linha, as tensões induzidas são determinadas através dos modelos de acoplamento [5, 6, 7]. Através dos modelos matemáticos, que descrevem os efeitos da corrente de retorno, e dos modelos de acoplamento, que definem os campos eletromagnéticos, pode-se utilizar de métodos computacionais para determinar a amplitude e o formato das tensões induzidas em linhas de distribuição. Dentre as formas impulsivas capazes de serem reproduzidas pelo gerador de impulsos de tensão, foram selecionadas duas não padronizadas e a forma padrão. A escolha dessas formas impulsivas para a realização dos ensaios leva em consideração a variação do tempo de frente e de cauda. A primeira forma não padronizada apresenta tempo de frente rápido e cauda curta (,5 x 5 µs). A segunda forma consiste na forma padrão (1,2 x µs), utilizada com a finalidade de comparação. Por último, foi escolhida uma forma impulsiva com tempo de frente lento e cauda padrão (5 x µs). 3 CHAVES SECCIONADORAS DE MÉDIA TENSÃO As chaves seccionadoras de média tensão ensaiadas são unipolares, do tipo faca, classes 15 e 25 kv, utilizadas em redes aéreas de distribuição. Estas são instaladas em pontos estratégicos na rede, com a finalidade de obter a interrupção do sistema quando se necessita de manutenção ou por ocorrência de algum tipo de falta. 2

3 As chaves seccionadoras foram ensaiadas na sua condição fechada, com os impulsos de tensão aplicados na lâmina, suportada pelos isoladores. A base metálica permaneceu aterrada durante todos os ensaios. Nestas condições, a suportabilidade do equipamento é avaliada com os isoladores em paralelo. As chaves seccionadoras ensaiadas são apresentadas na Figura 1. A chave seccionadora de classe 15 kv apresenta distância de arco de aproximadamente,15 m. Para a chave seccionadora de classe 25 kv, tem-se a distância de arco de aproximadamente,2 m. A distância de arco consiste na menor distância entre o ponto energizado e o ponto aterrado do isolamento que está sendo ensaiado. Este parâmetro é utilizado nas correções da tensão aplicada no ensaio para as condições ambientais padronizadas. Fig. 1 (a). Chave Seccionadora classe 15 kv. Fig. 1 (b). Chave Seccionadora classe 25 kv. 4 PARÂMETROS PARA AVALIAÇÃO DA SUPORTABILIDADE DIELÉTRICA Foram utilizados dois parâmetros a fim de se avaliar a suportabilidade dielétrica das chaves seccionadoras, tensão disruptiva crítica U% e curva V x t. Para a obtenção da tensão U% foi utilizado o método dos acréscimos e decréscimos Up and Down. 4.1 Método Up and down Existem vários métodos utilizados para determinar a tensão U%, porém, o mais comum é o método dos acréscimos e decréscimos Up and Down, devido sua simplicidade, rapidez e por apresentar resultados confiáveis. Este artigo utiliza o procedimento apresentado na norma IEC 66-1 para o cálculo da tensão U% [8]. O procedimento padronizado para a realização deste ensaio inicia-se com a aplicação da tensão inicial u, na qual não deve ocorrer disrupção no isolamento. O valor de pico da tensão deve ser elevado em um passo Δu fixo até que a primeira descarga ocorra. Após a primeira disrupção a tensão deve decrescer de Δu. Se não ocorrer descarga disruptiva no próximo impulso a tensão deve aumentar em Δu, caso contrário deve decrescer Δu. O nível u é aquele em que ocorrem pelo menos duas aplicações de tensão, com ou sem disrupção. É recomendado que o valor de Δu fique entre 3% a 5% do valor da tensão U% e que o número de aplicações de tensão seja superior a 15. Neste trabalho foi adotado um número total de 35 aplicações. A avaliação do ensaio considera o valor de pico do impulso de tensão e as correções para condições ambientais. A correção da tensão para as condições ambientais padronizadas tem como objetivo comparar os resultados com ensaios realizados em condições ambientais distintas. Por esse motivo, os valores de temperatura, umidade e pressão são anotados em três instantes distintos durante o ensaio. Além disso, para se calcular as correções utilizam-se os valores das distâncias de arco das respectivas seccionadoras ensaiadas, apresentadas no item 3. Os valores padronizados de temperatura, umidade e pressão são 2 C, 11 g/m³ e 76 mmhg, respectivamente [8]. 4.2 Curva V x t A característica dada pela tensão de pico por tempo até a ocorrência da disrupção curva V x t, é um parâmetro importante na avaliação da suportabilidade dielétrica de isolamentos auto-recuperantes. A 3

4 alteração da curva V x t de uma chave seccionadora, por exemplo, pode influenciar diretamente na margem de segurança da coordenação de isolamento, adotada no projeto de uma linha de distribuição [9]. É importante ressaltar que, ao contrário do método Up and Down, não há uma forma padronizada para se obter a curva V x t em isolamentos auto-recuperantes. Sendo assim, adotou-se um método próprio de ensaio, utilizado para todas as formas impulsivas, polaridades e seccionadoras ensaiadas. Para traçar a curva foram feitas cinco aplicações em cada nível de tensão. Inicialmente foram aplicados cinco impulsos com valor de pico abaixo da tensão U% obtida no ensaio Up and Down. Geralmente não ocorrem disrupções neste caso. Em seguida, acrescenta-se um valor Δu fixo na tensão inicial e aplicam-se mais cinco impulsos. O valor da tensão de pico (ou tensão disruptiva) e o tempo até a ocorrência da disrupção são anotados e, assim, um ponto é marcado no gráfico. Novamente, acrescenta-se o mesmo valor Δu de tensão e mais cinco impulsos são aplicados. O procedimento se repete até o nível de tensão próximo ao limite do gerador de impulsos ou até se obter um padrão bem definido para a curva V x t. A tensão máxima de carregamento do gerador de impulsos de tensão do LAT-EFEI é de 4 kv, mas o valor real disponível a ser aplicado no isolamento varia de acordo com o conjunto de resistores utilizados para a obtenção das formas impulsivas desejadas. A eficiência do gerador de impulsos para a forma,5 x 5 µs é de aproximadamente 98%, o que permite atingir valores mais elevados de tensão. Para as formas 1,2 x µs e 5 x µs a eficiência é de 92% e 77%, respectivamente. Assim como no método Up and Down, as correções da tensão para as condições ambientais padronizadas devem ser consideradas. Desse modo, os valores de temperatura, umidade e pressão são anotados a cada cinco impulsos aplicados. 5 RESULTADOS E ANÁLISES Neste item serão apresentados os resultados dos ensaios que determinaram a tensão U% e as curvas V x t para as formas impulsivas utilizadas. A tensão U% e seus respectivos intervalos de confiança são apresentados no formato gráfico e de tabelas, enquanto as curvas V x t são apresentadas apenas no formato gráfico, a fim de facilitar as análises comparativas. O grau de confiança utilizado nos cálculos dos intervalos de confiança é 95%. 5.1 Resultados Tensão U% Os resultados das tensões U% e seus respectivos intervalos de confiança para ambas as seccionadoras, polaridades e formas impulsivas ensaiadas, são apresentadas nas Tabelas I e II, e nas Figuras 2 e 3. A Tabela I e a Figura 2 apresentam os resultados para a seccionadora classe 15 kv, enquanto a Tabela II e a Figura 3 apresentam os resultados para a seccionadora classe 25 kv. TABELA I. SECCIONADORA CLASSE 15 kv TENSÕES U% E INTERVALOS DE CONFIANÇA. Forma Impulsiva Positivo Negativo t f (µs) t c (µs) U % (kv) Intervalo de confiança (kv) U % (kv) Intervalo de confiança (kv),5 5, 136,1 134,8 137,76,1 196,93 23,2 1,2, 19,6 16,99 118,76 177,7 175,83 179,8 5,, 12,4 118,15 122,95 141,9 14,35 143,3 TABELA II. SECCIONADORA CLASSE 25 kv TENSÕES U% E INTERVALOS DE CONFIANÇA. Forma Impulsiva Positivo Negativo t f (µs) t c (µs) U % (kv) Intervalo de confiança (kv) U % (kv) Intervalo de confiança (kv),5 5, 165,9 16,88 17,17 234,6 228,17 242,62 1,2, 135,7 133,65 138,13 216,6 194,73 233,46 5,,,4 149,32 151,81 28,6 23,67 218,63 4

5 22 Seccionadora 15 kv - Negativo/Positivo ,5x5 1,2x 5x Formas (µs) Tensão U% - Positivo Tensão U% - Negativo negativo positivo Fig. 2 Tensões U% e seus respectivos intervalos de confiança para a seccionadora classe 15 kv. Seccionadora 25 kv - Negativo/Positivo ,5x5 1,2x 5x Formas (µs) Tensão U% - Negativo Tensão U% - Positivo positivo negativo Fig. 3 Tensões U% e seus respectivos intervalos de confiança para a seccionadora classe 25 kv. 5.2 Resultados Curva V x t As Figuras 4 a 6 comparam os resultados das curvas V x t levando em consideração as polaridades positiva e negativa. As Figuras 7 e 8 apresentam uma comparação das curvas V x t entre as formas impulsivas obtidas para cada polaridade e seccionadora ensaiada. Seccionadora 15 kv -,5x5 µs - Negativo / Positivo 4 Seccionadora 25 kv -,5x5 µs - Negativo / Positivo Tempo (µs),5x5 µs - Negativo,5x5 µs - Positivo ,5x5 µs - Negativo,5x5 µs - Positivo Tempo (µs) Fig. 4 (a).,5x5 µs - Seccionadora classe 15 kv. Fig. 4 (b).,5x5 µs Seccionadora classe 25 kv. 5

6 Seccionadora 15 kv - 1,2x µs - Negativo / Positivo 4 Seccionadora 25 kv - 1,2x µs - Negativo / Positivo ,2x µs - Negativo 1,2x µs - Positivo Tempo (µs) ,2x µs - Negativo 1,2x µs - Positivo Tempo (µs) Fig. 5 (a). 1,2x µs - Seccionadora classe 15 kv. Fig. 5 (b). 1,2x µs - Seccionadora classe 25 kv. Seccionadora 15 kv - 5x µs - Negativo / Positivo 4 4 Seccionadora 25 kv - 5x µs - Negativo / Positivo x µs - Negativo 5x µs - Positivo Tempo (µs) x µs - Negativo 5x µs - Positivo Tempo (µs) Fig. 6 (a). 5x µs - Seccionadora classe 15 kv. Fig. 6 (b). 5x µs - Seccionadora classe 25 kv. Seccionadora 15 kv - Negativo Seccionadora 15 kv - Positivo ,5x5 µs 1,2x µs 5x µs Tempo (µs) ,5x5 µs 1,2x µs 5x µs Tempo (µs) Fig. 7 (a). Seccionadora classe 15 kv Negativo. Fig. 7 (b). Seccionadora classe 15 kv Positivo. 6

7 4 Seccionadora 25 kv - Negativo 4 Seccionadora 25 kv - Positivo ,5x5 µs 1,2x µs 5x µs Tempo (µs) ,5x5 µs 1,2x µs 5x µs Tempo (µs) Fig. 8 (a). Seccionadora classe 25 kv Negativo. Fig. 8 (b). Seccionadora classe 25 kv Positivo. 5.3 Análises Tensão U% Analisando as tensões U% para a seccionadora classe 15 kv (ver Tabela I e Figura 2), observa-se na polaridade positiva que a forma impulsiva com frente rápida e cauda curta (,5 x 5 µs) apresenta suportabilidade dielétrica 24,2% maior se comparada com a forma impulsiva padrão (1,2 x µs). Para o caso da forma impulsiva com frente lenta e cauda longa (5 x µs), tem-se que a suportabilidade é 9,8% maior. Para a polaridade negativa, a forma,5 x 5 µs apresenta suportabilidade dielétrica 12,6% maior se comparada com a forma 1,2 x µs. Por outro lado, a forma 5 x µs apresenta suportabilidade 2,1% menor se comparada com a forma 1,2 x µs. Analisando as tensões U% para a seccionadora classe 25 kv (ver Tabela II e Figura 3), nota-se comparando os gráficos das Figuras 2 e 3, que o comportamento dielétrico da seccionadora classe 25 kv é semelhante à classe 15 kv. Isto ocorre devido ao fato das características construtivas das seccionadoras serem iguais, diferenciando-se apenas nas dimensões. Na polaridade positiva as formas impulsivas,5 x 5 µs e 5 x µs apresentam, respectivamente, suportabilidade dielétrica 22,2% e 1,8% maiores se comparadas com a forma impulsiva padrão. Na polaridade negativa, a forma,5 x 5 µs apresenta suportabilidade dielétrica de 8,29% maior se comparada com a forma padrão. Para a forma 5 x µs tem-se que a suportabilidade dielétrica é estatisticamente igual à tensão U% para a forma 1,2 x µs. Nota-se que para a seccionadora classe 15 kv, polaridade positiva, os intervalos de confiança das formas impulsivas 5 x µs e 1,2 x µs se interceptam, indicando que estatisticamente os resultados são iguais. O mesmo ocorre na seccionadora classe 25 kv, polaridade negativa. Através das Figuras 2 e 3 é possível observar que a polaridade positiva é mais crítica do que a polaridade negativa, ou seja, a suportabilidade do isolamento auto-recuperante da seccionadora é menor quando submetido às solicitações atmosféricas que resultem em sobretensões com polaridades positivas. 5.4 Análises Curva V x t A análise das curvas V x t apresentadas nas Figuras 4 a 6 confirmam o comportamento da tensão U% encontrado no ensaio de Up and Down, onde a polaridade positiva apresenta-se sempre como a mais crítica. Nota-se também uma tendência de encontro das curvas para as tensões mais elevadas, ocorrendo geralmente para valores inferiores ou iguais ao tempo de frente das formas impulsivas,5 x 5 µs e 1,2 x µs. Na Figura 6 este comportamento não é observado devido à baixa eficiência do gerador de impulsos para a forma impulsiva 5 x µs. As Figuras 7 e 8 apresentam as comparações das curvas V x t para as três formas impulsivas analisadas. Independente da polaridade e classe de tensão é possível observar que as curvas V x t se complementam, ou seja, à medida que o tempo de disrupção diminui, reduz também sua dispersão em torno de um valor médio. 7

8 Para valores de tensão reduzidos, ou seja, mais próximos da tensão U%, a dispersão nos tempos de disrupção é maior. Com base nestas características é possível obter uma curva V x t geral para cada classe de tensão e polaridade, apresentando o comportamento dielétrico da seccionadora desde formas impulsivas com frentes rápidas (,5 x 5 µs), passando pela forma padrão (1,2 x µs) e finalizando na forma com frente lenta (5 x µs). 6 CONCLUSÕES A análise dos resultados confirma que os ensaios dielétricos realizados em chaves seccionadoras com a forma impulsiva padrão (1,2 x µs) são mais críticos na polaridade positiva, podendo ser utilizada para representar as solicitações dielétricas das demais formas analisadas neste trabalho. A combinação do tempo de frente rápido com cauda curta, representada neste trabalho pela forma,5 x 5 µs, proporcionam um intervalo de tempo menor no qual as solicitações do impulso permanecem aplicadas no isolamento. Esta combinação de fatores contribui para a redução da probabilidade de ocorrência da disrupção e, consequentemente, um aumento no valor da tensão U% em relação à forma padrão, conforme observado nas Figuras 2 e 3, polaridades positiva e negativa. Os parâmetros curva V x t e tensão U% avaliados nesse trabalho são de extrema importância na coordenação de isolamento de redes de distribuição, uma vez que mostram o comportamento do isolamento das seccionadoras quando submetidas à surtos de tensão não padronizados. Para as concessionárias de energia elétrica, o conhecimento do isolamento real dos equipamentos instalados na rede permite estimar a taxa de desligamentos causados por sobretensões induzidas por descargas atmosféricas indiretas. A metodologia de ensaio e análise dos resultados utilizada neste trabalho podem ser aplicadas em equipamentos de alta tensão, porém, os efeitos serão menos acentuados devido ao nível maior de isolação. 7 REFERÊNCIAS [1] IEC 671-1, Insulation Coordination Part 1. International Standard. International Electrotechnical Commission, Switzerland. 6. [2] C.A. Nucci, Lightning-Induced Voltages on Overhead Power Lines, Part I: Return-Stroke Current Models with Specific Channel-Base Current for the Evaluation of the Return-Stroke Electromagnetic Fields. Working Group 33.1 (Lightning). CIGRÉ, Electra No August, [3] C.A. Nucci, Lightning-Induced Voltages on Overhead Power Lines, Part II: Coupling Models for the Evaluation of Induced Voltages. Working Group CIGRÉ, Electra No October, [4] G.V. Cooray, The Lightning Flash IET Power and Energy Series no ed. London: IET, 8. [5] S. Rusck, Induced Lightning Overvoltages on Power Transmission Lines with Special Reference to the Overvoltage Protection of Low Voltage Networks. Transaction of the Royal Institute of Technology. No. 12. Stockholm, [6] P. Chowdhuri and E.T.B. Gross, Voltage Surges Induced on Overhead Lines by Lightning Strokes. Proceedings of IEE. Vol. 114, No. 12. December, [7] A.K. Agrawal, S.H. Gurbaxani, H.J. Price, Transient Response of a Multiconductor Transmission Line Excited by a Nonuniform Electromagnetic Field. IEEE Transaction on Electromagnetic Compatibility. Vol. EMC-22, No. 2. May, 198. [8] IEC 66-1, High Voltage Test Techniques Part 1: General Definitions and Requirements. International Standard. Ed. 3.. International Electrotechnical Commission. Geneva, Switzerland. 21. [9] G.P. Lopes, Avaliação do Comportamento Dielétrico de Isoladores de Média Tensão Frente à Sobretensões Induzidas de Origem Atmosférica f. Dissertação de Mestrado em Engenharia Elétrica. Universidade Federal de Itajubá, Itajubá,