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V Pra-raios para aplicao em Subestaes

Atualmente quase todos os pra-raios adquiridos pelas empresas concessionriasde energia eltrica e grandes consumidores industriais para novos projetos desubestaes, ampliaes de subestaes existentes ou para a substituio dospra-raios convencionais de SiC, so do tipo xido de Zinco (ZnO) semcentelhadores.

Apesar do aumento crescente do nmero de pra-raios de ZnO, em algunspases, como por exemplo o Brasil, a grande maioria dos pra-raios atualmenteinstalados nas subestaes ainda so do tipo Carbeto de Silcio (SiC), apesar dassuas limitaes tecnolgicas, quando comparados aos pra-raios de ZnO semcentelhadores. Estudos realizados junto s empresas de energia eltrica egrandes indstrias apontaram que aproximadamente 64% dos pra-raiosinstalados nas subestaes brasileiras so de Carbeto de Silcio (SiC), comtempos de instalao e de operao mdios superiores a 20 anos. Condiessimilares tm sido verificadas em outros pases. No Brasil algumas empresas deenergia eltrica vm adotando a utilizao de centelhadores com dieltrico de arna entrada das subestaes com tenses nominais at 138 kV.

Este cenrio indica a necessidade de substituio de um grande nmero de pra-raios ao longo dos prximos 5 anos, de modo a se manter a confiabilidadenecessria dos sistemas eltricos. Os novos cenrios do setor eltrico, associadoa necessidade de grandes investimentos para a modernizao do parque de pra-raios faz com que as empresas concessionrias de energia e grandesconsumidores industriais cada vez mais avaliem a melhor relao entre benefcioe custo para a aquisio de novos equipamentos.

Tais condies podem ser obtidas a partir de critrios bem definidos para aespecificao dos pra-raios. Neste enfoque, torna-se essencial o conhecimento eo entendimento das caractersticas construtivas dos pra-raios, bem como oscritrios para a definio de seus parmetros.

Desta forma, conhecer os tipos de pra-raios atualmente existentes, seusaspectos construtivos, bem como os critrios para uma seleo e aplicaoadequadas dos pra-raios tem se tornado fundamental. No presente captulo, soabordados os aspectos referentes a aplicao dos pra-raios em subestaes,com nfase nos pra-raios de xido de Zinco (ZnO) sem centelhadores, porserem esses os pra-raios atualmente mais solicitados pelos usurios.

V.1 Aspectos construtivos:

Existem atualmente duas filosofias de pra-raios de ZnO com relao ao tipo deinvlucro: pra-raios com invlucros de porcelana e polimrico. Para ambas asfilosofias, existem diferentes concepes de projeto de montagem, que sogeralmente apresentados pelos fabricantes em seus catlogos tcnicos.

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V.1.1 Pra-raios de ZnO com invlucro de porcelana

Os primeiros pra-raios de ZnO com invlucros de porcelana desenvolvidos parasistemas de potncia foram apresentados ao mercado no final de dcada de 70.Na dcada de 80 diversas empresas japonesas, europias e americanas,desenvolveram e produziram para-raios de ZnO para aplicao em subestaes.

A Figura V.1 apresenta os detalhes construtivos de um pra-raios com invlucrode porcelana constitudo por uma seo.

Figura V.1 Detalhes de montagem de um pra-raios de porcelana

De um modo geral, o processo de montagem dos pra-raios de porcelana deveser tal que os elementos de ZnO se mantenham localizados preferencialmente deforma concntrica dentro do invlucro de porcelana, com uma geometria definidapara minimizar os efeitos de distribuio no uniforme de campo eltrico e deionizao interna, mesmo sob condies severas de poluio externa.

Mecanismos de alvio de sobrepresso devem ser incorporados dentro dasflanges terminais, de modo a evitar a fragmentao ou a exploso violenta dospra-raios, em caso de uma eventual falha seguida da passagem da corrente decurto-circuito do sistema.

Os perfis das saias da porcelana devem garantir uma distncia de escoamentoadequada s condies ambientais e caractersticas eltricas do invlucrocompatveis com as caractersticas de proteo dos pra-raios. Geralmente ospra-raios com invlucros de porcelana classe estao apresentam distncias deescoamento de 20 mm / kV.

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V.1.2 Pra-raios de ZnO com invlucro polimrico

Uma evoluo tecnolgica bastante significativa para os pra-raios de ZnO semcentelhadores surgiu em meados da dcada de 80, com o desenvolvimento demateriais polimricos para aplicao em pra-raios de alta tenso.

Apesar das diferenas construtivas entre os diferentes fabricantes, existematualmente duas concepes de projeto: de pra-raios polimricos com e semespaamentos internos de ar.

Pra-raios com espaos internos de ar

Os projetos so equivalentes aos projetos de pra-raios com invlucro deporcelana. O invlucro polimrico moldado e posteriormente o conjunto deblocos de ZnO inserido dentro do invlucro. De modo a garantir uma boasustentao mecnica para o pra-raios, o invlucro composto de um tudo defibra de vidro de alta resistncia mecnica sobre o qual o polmero injetado. Estetipo de projeto apresenta um espaamento interno de ar entre a parteinterna do polmero e os blocos de ZnO, sendo necessria a utilizao dedispositivos de alvio de sobrepresso. A Figura V.2, ilustra os detalhesconstrutivos de um pra-raios com invlucro polimrico apresentando espaosinternos de ar.

Figura V.2 Pra-raios polimricos com espaos internos de ar

Pra-raios sem espaos internos de ar

Na maioria dos projetos sem espaos internos de ar, os elementos de ZnO soenvoltos em um tubo de fibra de vidro impregnado em resina epoxi. O invlucro

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polimrico geralmente aplicado sobre o tubo pelo processo de injeo daborracha ou de moldagem. Detalhes construtivos de um projeto de pra-raios semespaos internos de ar utilizando as caractersticas construtivas informadas acimaso apresentados na Figura V.3.

Figura V.3 Pra-raios polimricos sem espaos internos de arPolmero injetado sobre um tubo de fibra de vidro

Existem projetos onde os elementos de ZnO so fixados por sustentaesmecnicas, sendo o polmero injetado diretamente sobre o conjunto. Detalhesdeste projeto so apresentados na Figura V.4.

Figura V.4 Pra-raios polimricos sem espaos internos de arPolmero injetado sobre e estrutura

1 - Enrolamento de proteo2 - Invlucro polimrico3 - Base4 - Terminal de linha5 - Contato eltrico entre os blocos de ZnO e o terminal de linha6 - Coluna de blocos de ZnO7 - Amarrao de fibra de vidro8 - Contato eltrico entre os blocos de ZnO e o terminal de terra

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Os projetos de pra-raios sem espaos internos de ar entre os elementos de ZnOe o invlucro no requerem dispositivos de alvio de sobrepresso e tmnormalmente se mostrado mais confiveis em relao a possibilidade depenetrao de umidade.

Outra vantagem deste tipo de projeto est relacionada ao peso do pra-raios,comparado a um pra-raios apresentando espaos internos de ar de mesmascaractersticas eltricas.

A principal vantagem do projeto de pra-raios com espaos internos de ar estrelacionada a sua maior suportabilidade mecnica em relao aos projetos semespaamentos internos de ar, sendo este tipo de projeto mais recomendado paraaplicaes que exigem esforos mecnicos no atendidos pelo outro projeto.

Os pra-raios polimricos podem ser eletricamente compostos por uma nicaseo ou ser do tipo multi-sees, montados em uma nica coluna de elementosde ZnO ou ser do tipo multi-colunas, formados por colunas de elementos de ZnOdispostas em paralelo.

Alguns fabricantes vm optando pela montagem de pra-raios multi-colunas paraaplicao em sistemas que requerem uma maior capacidade de absoro deenergia. Neste caso, os pra-raios com arranjo srie paralelo so compostos pordois ou mais conjuntos de elementos de ZnO em paralelo, os quais podem estardentro de um mesmo invlucro ou em nvlucros separados. Para ambas asconstrues, cuidados especiais devem ser tomados nos procedimentos defabricao e de montagem desse tipo de pra-raios, de modo a se prever umarepartio de corrente a mais uniforme possvel atravs dos conjuntos emparalelo.

Desta forma, fundamental que seja verificada a disperso entre as colunas emtodas as unidades de pra-raios srie-paralelo. Esta verificao pode ser realizadaatravs do ensaio de repartio de corrente, que consiste em determinar a relaoentre a corrente total aplicada nos pra-raios e a maior corrente obtida em umadas colunas. Para garantir uma boa capacidade de absoro de energia dessespra-raios, quando solicitados por sobretenses de manobras ou por descargasatmosfricas, este ensaio deve ser realizado considerando-se a aplicao deimpulsos de corrente com as formas de onda 8/20 s e 30/60 s. Em todos ospra-raios os valores obtidos para o coeficiente de repartio de corrente devemestar dentro da faixa declarada pelos fabricantes.

De uma maneira em geral, pra-raios com construo srie-paralelo apresentam,para uma mesma classe de descarga de linhas de transmisso, uma capacidadede absoro de energia igual ou superior aos pra-raios de uma nica coluna.

A Figura V.5, apresenta detalhes de montagem de pra-raios com tenso nominalde 120 kV, compostos por duas e trs colunas.

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Figura V.5 - Arranjos de montagem de pra-raios com duas ou mais colunas

Independente do tipo construtivo considerado, tm sido verificado nos ltimosanos que os dois maiores problemas verificados nos pra-raios com invlucro deporcelana ao longo do tempo: perda de estanqueidade e fragmentao doinvlucro com ou sem exploso, vm sendo minimizados pela utilizao de pra-raios com invlucro polimrico.

A experincia de campo tem demonstrado que os pra-raios polimricos, emespecial queles apresentando projetos sem espaamentos internos de ar, sobem menos propensos a perda de estanqueidade do que os pra-raios cominvlucro de porcelana, reduzindo a causa mais comum de falha nos pra-raios.

Outro aspecto importante dos projetos construtivos de pra-raios polimricos estassociado o efeito em caso de falha do pra-raios, o qual depende do projetomecnico construtivo do pra-raios.

Em caso de falha interna nos pra-raios com invlucro de porcelana, existe apossibilidade de exploso ou fragmentao do invlucro, com riscos de danos aosequipamentos adjacentes ou mesmo s pessoas prximas ao evento. O mesmofenmeno pode ser verificado em pra-raios polimricos com espaamento internode ar, apesar dos riscos aparentemente serem menores.

Para esses tipos de pra-raios, os projetos do dispositivo de alvio desobrepresso e da estrutura mecnica da porcelana ou do tubo de fibra de vidro(em pra-raios polimricos) tm uma importncia fundamental no desempenhomecnico dos pra-raios em caso de uma eventual falha.

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Projetos de pra-raios polimricos sem espaamento interno de ar so menossusceptveis a fragmentao do invlucro e ao desprendimento de seuscomponentes internos. Neste caso, os projetos de pra-raios devem sermecanicamente dimensionados de forma que os elementos internos permaneamintactos aps a passagem de uma corrente de curto-circuito mxima prestabelecida, sem a necessidade de utilizao do mecanismo de alvio desobrepresso usado nos pra-raios de com espaamentos internos de ar. Oprojeto mecnico do pra-raios deve, portanto, resistir passagem da corrente decurto-circuito do sistema, sem que ocorra o desprendimento dos elementos.

importante ressaltar que uma eventual falha do pra-raios no acarreta somentena perda do equipamento, podendo causar tambm distrbios severos no sistema,bem como a danificao de outros equipamentos adjacentes (como por exemplo,buchas de transformadores), em caso de fragmentao ou exploso do invlucroisolante ou desprendimento dos elementos de ZnO.

Devido ao menor peso, maior facilidade e flexibilidade de montagem e pela nofragmentao ou exploso do invlucro com desprendimento dos elementos deZnO, pra-raios com projetos sem espaamentos internos de ar tm sidoinstalados mais prximos aos equipamentos a serem protegidos, melhorando demodo considervel as caractersticas de proteo desses equipamentos quandoda ocorrncia de sobretenses atmosfricas, atravs da reduo das tensesimpulsivas nos seus terminais devido ao efeito distncia. Em alguns casos, temsido prtica, a instalao dos pra-raios diretamente na carcaa dostransformadores.

Em adio, os pra-raios com invlucro polimrico apresentam vantagens emrelao aos pra-raios de porcelana, tornando a sua utilizao mais atrativa:

- Melhor desempenho sob contaminao, bem como uma melhor distribuiode tenso ao longo do pra-raios;

O efeito da contaminao externa do invlucro, crtico em pra-raios cominvlucros de porcelana, bastante atenuado quando da utilizao de invlucrospolimricos. Isto ocorre devido a maior distncia de escoamento dos projetos depra-raios polimricos comparados aos de porcelana de mesmo comprimento,associada a elevada capacidade de hidrofobicidade apresentada em materiaispolimricos, especialmente os polmeros a base de silicone.

Tem sido verificado na prtica, que o bom desempenho de invlucros polimricosem ambientes altamente contaminados e sujeitos a elevada umidade e elevadaexposio de raios ultra-violeta, est diretamente relacionado com o tipo e aqualidade do polmero utilizado. Melhores desempenhos em regies mais crticastm sido obtidos com a utilizao de materiais apresentando silicone comopolmero base os quais, em geral, apresentam uma maior capacidade dehidrofobicidade e melhor comportamento sob ao ultravioleta, comparados aoutros tipos de polmeros.

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Por esta razo, a aplicao de pra-raios polimricos tem sido amplamenteconsiderada em ambientes altamente contaminados e agressivos. Pra-raiospolimricos a base de silicone com uma ou mais sees e uma ou mais colunastm apresentado desempenhos altamente satisfatrios em regies crticas,independente de suas caractersticas construtivas.

No entanto, para aplicaes em sistemas de extra alta tenso, ou em regies deelevado nvel de contaminao, cuidados devem ser tomados com relao ascaractersticas do material polimrico empregado na fabricao do invlucro, emespecial com relao s caractersticas de envelhecimento por exposioultravioleta, trilhamento eltrico e de hidrofobicidade.

- Reduo das perdas de energia provenientes da menor corrente de fuganos invlucros polimricos, comparado aos de porcelana;

- A maior distncia de escoamento do invlucro polimrico, para um mesmocomprimento, permite a montagem de pra-raios com invlucros de menorcomprimento, facilitando a montagem. Em pra-raios aplicados emsubestaes, est reduo pode ser de at 40% ou mais;

- Menor peso em relao aos pra-raios com invlucro de porcelana(tipicamente menos do que 50% do peso no caso de pra-raios semespaamentos internos de ar para aplicao em subestaes), acarretandoem menores esforos mecnicos sobre as estruturas e permitindo umamaior versatilidade na montagem dos arranjos.

- Maior facilidade de transporte, manuseio, armazenamento e instalao,proporcionando uma reduo significativa de custos.

- No necessitam, geralmente, de dispositivos de alvio de sobrepresso(pra-raios sem espaamentos internos de ar), tornando o projeto do pra-raios mais simples e menos custoso;

- No apresentam problemas de trincas ou lascas nas saias, ocasionadas portransporte, mau manuseio durante a instalao ou mesmo vandalismo, eque podem vir a comprometer a estanqueidade do pra-raios ao longo dotempo;

- Possuem uma melhor capacidade de dissipao de calor, aumentando assuas propriedades trmicas e melhorando a sua capacidade de dissipaode calor.

Devido as vantagens tcnicas e econmicas apresentadas pelos pra-raios cominvlucros polimricos, quando comparados aos projetos de pra-raios deporcelana, a utilizao desse tipo de pra-raios em subestaes vem crescendode uma maneira bastante acentuada. Existe atualmente uma grande quantidade

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de pra-raios com invlucro polimrico instalados em sistemas com tensesnominais at 500 kV. No Brasil, empresas concessionrias de energia e grandesconsumidores industriais vm instalando desde o incio da dcada de 90 pra-raios polimricos em sistemas com tenses nominais at 230 kV. Aplicaes emsistemas de 500 kV foram realizadas nos ltimos anos.

Geralmente os pra-raios instalados em subestaes so providos de contadoresde descarga e de miliampermetros inseridos no prprio contador. Neste caso,sub-bases isolantes so utilizadas para isolar o terminal inferior do pra-raios doponto de terra.

V.2 Desempenho dos pra-raios instalados em subestaes:

Considerando que os pra-raios aplicados em subestaes apresentem bonsprojetos eltrico e mecnico dos sistemas de vedao, bem como sejamadequadamente selecionados e instalados, estima-se que a sua vida til seja emtorno de 20 a 25 anos.

No entanto, na prtica, tem sido constatado ao longo dos ltimos anos algumasalteraes significativas no seu desempenho que resultam, em muitas das vezes,na operao inadequada ou at mesmo na falha dos pra-raios com menos dedez anos de operao comprometendo, desta forma, a confiabilidade do pra-raios e a continuidade no fornecimento de energia eltrica.

Durante a sua vida til, os pra-raios so submetidos diferentes solicitaeseltricas e ambientais:

- Tenso normal de operao;- Sobretenses temporrias;- Descargas de longa durao ou de alta intensidade e curta durao;- Contaminao externa do invlucro, quando instalados em ambientes poludos.- Variaes climticas, exposio a raios ultra-violeta, umidades elevadas, etc.

Essas solicitaes, impostas aos pra-raios individualmente ou em conjunto,podem afetar e alterar de forma significativa a caracterstica tenso x correntedos elementos de ZnO atravs do aumento da componente resistiva da corrente edas perdas em condies de regime permanente, e da reduo da capacidade deabsoro de energia dos pra-raios. Em pra-raios de SiC, alm da alterar acaracterstica tenso x corrente dos elementos de SiC, essas solicitaes afetame alteram as caractersticas disruptivas dos centelhadores.

- Tenso normal de operao:

No caso de pra-raios de ZnO sem centelhadores a tenso de servio podeprovocar, ao longo do tempo, o envelhecimento dos blocos de ZnO.

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Cuidados devem ser tomados com relao aos efeitos de uma distribuio nouniforme de tenso ao longo dos invlucros dos pra-raios aplicados em Alta eExtra Alta Tenses, especialmente em regies com elevados ndices decontaminao. Esse efeito pode solicitar mais os blocos de ZnO localizadosprximos ao terminal de linha, fazendo com que esses apresentem entre seusterminais nveis de tenso superiores a sua MCOV.

- Sobretenses temporrias:

Sobretenses temporrias (TOV) de longa durao ocorrem nos sistemaseltricos. Estas sobretenses tm se mostrado responsveis por muitas das falhasverificadas em pra-raios instalados em subestaes, em especial os pra-raiosde ZnO. A razo para as falhas dos pra-raios tem sido as severas solicitaes deenergia impostas por essas sobretenses, as quais provocam perfuraes, trincase/ou envelhecimento acelerado em todos ou alguns elementos no-lineares.

- Descargas de longa durao ou de alta intensidade e curta durao:

Chaveamentos de grandes bancos de capacitores ou de linhas longas em vazio,podem solicitar severamente os pra-raios acarretando, via de regra, naperfurao, trincas ou descargas externas em todos ou alguns dos elementos no-lineares que compem os pra-raios.

Impulsos de alta intensidade e de curta durao, caractersticos de sobretensesatmosfricas, podem causar alterao da caracterstica V x I dos elementos no-lineares, descargas externas ou perfurao em todos ou alguns elementos.

- Contaminao externa do invlucro:

A contaminao externa do invlucro tem se mostrado como um fator bastantecrtico para a degradao dos pra-raios aplicados em subestaes, e pode afetarde forma significa o desempenho dos pra-raios com invlucros de porcelana,levando-os a degradao e ao envelhecimento.

Depsitos de materiais contaminantes nas superfcies dos invlucros dos pra-raios, associada a umidade externa, podem causar uma elevao da corrente defuga pelo invlucro, provocando uma distribuio de tenso no uniforme internaao longo do pra-raios. Este efeito pode causar a disrupo dos centelhadores, nocaso de pra-raios de SiC. Em pra-raios de ZnO, esse efeito pode causar umaquecimento excessivo em alguns dos elementos de ZnO que compem o pra-raios, provocando a degradao desses elementos com aumento da componenteresistiva da corrente de fuga e das perdas, e a conseqente reduo nacapacidade de absoro de energia dos pra-raios.

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O efeito da contaminao externa do invlucro torna-se mais crtico em pra-raiosconstitudos por mais de uma seo onde a corrente de fuga externa peloinvlucro da seo superior pode ser transferida para a parte interna da seoinferior devido a transferncia galvnica atravs das flanges metlicas,aumentando consideravelmente a componente resistiva da corrente e as perdasatravs dos elementos de ZnO.

Alm disso, a contaminao do invlucro gera o fenmeno de ionizao interna nointerior dos pra-raios. Investigaes de campo e laboratoriais tm mostrado quequalquer variao de tenso ao longo da porcelana, resultante de chuva, fumaaou poluio, capaz de gerar descargas internas que produzem alteraesirreversveis na composio interna do gs, atravs de reaes qumicas no gsde enchimento, queima de oxignio e criao de componentes qumicos.

Em pra-raios de SiC, o efeito acima altera ao longo do tempo as caractersticasdisruptivas dos centelhadores e a caracterstica tenso x corrente dos elementosno-lineares de SiC, acarretando na falha do pra-raios.

No caso de pra-raios de ZnO, a ausncia de oxignio e a criao de novos gasesqumicos gerados pelas descargas parciais so responsveis pelo envelhecimentoacelerado de todos ou alguns dos elementos de ZnO que constituem o pra-raios,podendo levar a falha do pra-raios ao longo dos anos.

O efeito da contaminao externa pode ser bastante crtico em pra-raios cominvlucros de porcelana, sendo substancialmente atenuado quando da aplicaode pra-raios com invlucros polimricos, especialmente em projetos que noapresentem espaamentos internos de ar no interior do pra-raios.

O efeito da contaminao pode ser minimizado com o aumento da distncia deescoamento do invlucro. Pra-raios com invlucro de porcelana so geralmentefabricados para uma distncia de escoamento de 20 mm / kV fase-fase, quecorresponde ao nvel de contaminao II de acordo com a norma IEC 60.815. Oaumento da distncia de escoamento reduz a corrente de fuga para umdeterminado nvel de contaminao, diminuindo os efeitos da distribuio detenso no-uniforme e da ionizao interna.

Os fenmenos de degradao e de envelhecimento dos pra-raios podem seracelerados pela penetrao de umidade no interior dos pra-raios devido a perdade estanqueidade do invlucro. Tal efeito tem sido bastante crtico em pra-raioscom invlucro de porcelana, principalmente em projetos de pra-raios maisantigos.

Estudos realizados por empresas concessionrias de energia eltrica einstituies de pesquisa tm identificado as principais causas que afetam odesempenho dos pra-raios. Tal como verificado em pra-raios para aplicao emredes de distribuio, todos os estudos realizados apontam a penetrao de

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umidade por perda de estanqueidade do invlucro como sendo a principal causade falha dos pra-raios para subestaes, sendo esta causa responsvel poraproximadamente 70 a 90 % de todas as falhas verificadas neste tipo de pra-raios.

No caso de pra-raios aplicados a subestaes, a penetrao de umidade pode sedar por vrios motivos: danificao das gaxetas de vedao durante o processo defechamento dos pra-raios, envelhecimento das gaxetas ao longo do tempo comperda de suas propriedades, trincas ou fissuras que se formam ao longo do tempona porcelana ou na cimentao entre a porcelana e flange, por variaes bruscasde temperatura, descolamento da cimentao, entre outras causas.

Problemas de vandalismo tambm tm sido observados em algumas regies,facilitando o ingresso de umidade no interior dos pra-raios com invlucro deporcelana.

Em pra-raios com centelhadores, a presena de umidade altera ascaractersticas disruptivas dos centelhadores e a caracterstica tenso x correntedos elementos no-lineares, dificultando a capacidade de interrupo da correntesubsequente e reduzindo a capacidade de absoro de energia dos pra-raios.

A presena de umidade no interior dos pra-raios de ZnO altera asignificativamente a caracterstica tenso versus corrente dos elementos de ZnOem toda a sua faixa de operao, com um aumento da componente resistiva dacorrente e das perdas na tenso de operao do pra-raios; reduo dacapacidade de absoro de energia e de seus nveis de proteo, fato que podelevar o pra-raios a falha por instabilidade trmica e comprometer a isolao dosequipamentos protegidos, respectivamente.

O aumento da corrente de fuga resistiva que flui pelo pra-raios, para uma dadasolicitao de tenso, e a reduo na capacidade de absoro de energia podelevar os pra-raios uma instabilidade trmica quando de uma solicitaotemporria ou transitria, acarretando na sua falha, que seguida pela passagemda corrente de curto-circuito fase-terra do sistema. Nesse caso, devido ascaractersticas construtivas dos pra-raios de porcelana (espaamento interno dear entre a parte ativa do pra-raios e a parte interna do invlucro), a passagem dacorrente de curto-circuito gera a formao de gases de alta presso que tendem aprovocar a fragmentao do invlucro ou at mesmo a sua exploso, caso esseno possua dispositivos de alvio de sobrepresso.

Outro ponto que deve ser considerado a possibilidade de religamentos dasubestao. Havendo uma falha do pra-raios, esse representa um curto-circuitopara o sistema, provocando a atuao da proteo. Quando do religamento, existeuma probabilidade de exploso do pra-raios devido a passagem da corrente decurto-circuito, uma vez que o mecanismo de alvio de sobrepresso geralmenteno ter funo para essa segunda operao.

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V.3 Critrios para a seleo e aplicao dos pra-raios para subestaes

O dimensionamento adequado dos pra-raios em relao s caractersticas dossistemas para os quais esses so aplicados, propicia uma proteo adequada aosequipamentos protegidos alm de uma otimizao na relao entre benefcio ecusto para aquisio dos pra-raios.

De uma maneira genrica, os seguintes passos devem ser seguidos para umaseleo e aplicao adequadas dos pra-raios em subestaes:

Seleo das caractersticas de operao e de proteo dos pra-raios, emfuno das caractersticas dos sistemas;

Seleo ou determinao da suportabilidade da isolao;

Avaliao da coordenao do isolamento.

Cada um dos aspectos acima requer estudos especficos.

So apresentados a seguir os procedimentos bsicos para a seleo e aplicaodos pra-raios de xido de Zinco (ZnO) sem centelhadores.

V.3.1 Seleo do pra-raios adequado e determinao das suascaractersticas de proteo

A seleo de um pra-raios envolve basicamente as seguintes consideraes:

- Determinao da tenso nominal e da mxima tenso contnua deoperao, em funo da mxima tenso de operao do sistema e daspossveis sobretenses temporrias que podem vir a ocorrer e suasrespectivas duraes, no ponto de aplicao dos pra-raios;

- Determinao da corrente de descarga nominal;

- Determinao da capacidade de absoro dos pra-raios, em funo dasenergias a serem absorvidas por esses, quando da ocorrncia desobretenses atmosfricas e de manobras;

- Caractersticas de proteo para sobretenses atmosfricas e de manobra;

- Requerimentos de alvio de sobrepresso ou de corrente suportvel defalta;

- Condies de servio (ambientais).

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As consideraes referentes ao nvel de proteo e capacidade de absoro deenergia determinam a classe do pra-raios a ser escolhido.

(1) Seleo da tenso nominal dos pra-raios:Os procedimentos para a seleo da tenso nominal dos pra-raios so osmesmos apresentados na Seo III.5 Captulo III.

Em pra-raios aplicados a sistemas a alta e extra alta tenses, alm da anlisedas sobretenses temporrias devido a faltas no sistema, as demais causas desobretenses temporrias devem ser analisadas.

Tem sido verificado que a maioria das empresas concessionrias de energiaeltrica e grandes consumidores industriais definem, em suas especificaestcnicas, a tenso nominal dos pra-raios de ZnO sem centelhadores seguindo osmesmos critrios anteriormente utilizados para a seleo dos pra-raios comcentelhadores. Esse critrio garante ao usurio que, em caso de ocorrncia deuma sobretenso temporria no sistema, no ir ocorrer a disrupo dos pra-raios com centelhadores evitando, desta forma, a absoro pelo pra-raios deuma energia que esse no possua condies de dissipar e que fatalmenteresultaria em sua falha.

No entanto, no caso de pra-raios de ZnO, fato que pode em alguns casosacarretar na escolha de pra-raios com tenses nominais maiores do que onecessrio.

Exemplo 1 - Seleo da tenso nominal de um pra-raios para aplicao emsubestaes, considerando um sistema com as seguintes caractersticas:

- Tenso nominal Un: 138 kVef- Mxima tenso operativa do sistema Umax.: 145 kVef- Mxima sobretenso temporria 125 kV- Durao considerada para a falta: 1 segundo.

Pra-raios com centelhadores:

Vn TOVSIST. Vn 125 kV Vn = 132 kV

Neste caso, o pra-raios dever apresentar uma tenso nominal de 132 kV.

Pra-raios sem centelhadores:

MCOVPR UMax. SIST. MCOVPR 145 / 3 MCOVPR 84 kVefSer considerada uma margem de segurana de 5% para compensar possveisefeitos de distribuio no uniforme de tenso ao longo do pra-raios, e que

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poderia provocar a sua degradao. Desta forma a MCOV do pra-raios deve sersuperior a 88 kV.

A princpio ser escolhido um pra-raios com tenso nominal de 120 kV, o qualapresenta uma MCOV de 96 kV.

Logo, qualquer valor de tenso com valor eficaz superior a 96 kV, serconsiderado uma sobretenso para o pra-raios. Portanto:

TOVPR / (MCOV) TOVSIST. / (MCOV PR) 125 / 96 TOVPR / (MCOV) 1,30ou,

TOVPR / Vn TOVSIST. / Vn 125 / 120 TOVPR / Vn 1,04

O prximo passo consiste em verificar se as caractersticas de suportabilidade dopra-raios para sobretenses temporrias atendem a sobretenso verificada nosistema. Uma curva tpica apresentando a caracterstica tenso de freqnciafundamental versus tempo para um pra-raios classe estao apresentada naFigura V.6.

Figura V.6 Caracterstica tenso de freqncia fundamental x tempo

Para uma sobretenso equivalente a 1,04 pu (TOV sistema / Vn PRs) verifica-sena curva tenso de freqncia fundamental x tempo do pra-raios uma duraomxima permitida para a sobretenso temporria de aproximadamente20 segundos.

Logo, o pra-raios com tenso nominal de 120 kV atende ao sistema sob estudo.

0.80

0.90

1.00

1.10

1.20

1.30

1 10 100 1000 10000 100000

Tempo (segundos)

Rel

ao

TO

V / U

n

103

(2) Definio da corrente de descarga nominal dos pra-raios:Informaes sobre a definio da corrente de descarga de um pra-raios foramapresentadas na seo III.5 Captulo III.

No caso de subestaes conectadas a linhas blindadas a amplitude da correntede descarga do pra-raios pode ser estimada por:

IMAX Corrente de descarga que flui pelo pra-raios, em ampres.IC Corrente de coordenao do pra-raiosUCF0 Tenso disruptiva crtica de polaridade negativa da linha , em voltsVr Tenso residual do pra-raios para impulso atmosfrico (para o valor

estimado da corrente de coordenao), em volts.Z0 Impedncia de surto monofsica da linha, em ohms.

Esta relao assume que a descarga disruptiva da linha ocorre uma distnciaconsidervel da subestao, ou que os condutores fase so atingidos sem queisso resulte em uma descarga disruptiva pelas cadeias de isoladores. De outraforma, a poro da corrente de descarga total descarregada atravs do pra-raiospode variar consideravelmente em funo de todos os parmetros envolvidos.

Quando a blindagem no abrange toda a extenso da linha, torna-se provveluma maior corrente de descarga nos pra-raios. Neste caso deve-se considerar:

(1) A densidade de descargas para terra da regio;(2) A probabilidade de descargas na linha que excedem um valor determinado;(3) O percentual da corrente de descarga total que descarrega atravs do PRs.

A Tabela V.1 apresenta, de modo conservativo, o percentual da corrente dedescarga total que descarrega atravs do pra-raios no caso de uma linhablindada.

Tabela V.1 Percentual das correntes descarregadas pelos pra-raios

Extenso da blindagem da linhaa partir da subestao

Percentual da corrente de descargaatmosfrica descarregada atravs do

pra-raios0,8 km 501,6 km 352,4 km 25

( )0

rCFOCMAX Z

VU4,2II ==

104

Linhas sem qualquer blindagem so geralmente limitadas a linhas com tensesnominais mais baixas (69 kV e abaixo), e/ou linhas localizadas em reas de baixadensidade de descargas atmosfricas para a terra.

A probabilidade dos pra-raios instalados em subestaes de baixa tensoestarem sujeitos a altas correntes e taxas de crescimento pode ser elevada emreas da alta densidade de descarga atmosfrica para a terra. Nestes casos, acorrente de coordenao no deve ser inferior a 20.000 A.

Para linhas localizadas em reas de baixa densidade de descarga atmosfricapara terra, as correntes de coordenao podem ser similares quelas para linhascompletamente blindadas em reas de alta densidade de descargas para terra.

A experincia prtica tem demonstrado que pra-raios com corrente de descarganominal de 10 kA tm sido freqentemente utilizados pelas empresasconcessionrias de energia em sistemas com tenso operativa at 362 kV. Acimadesse nvel de tenso, tem-se utilizado somente pra-raios de 20 kA.

No caso de sobretenses de manobra, a corrente conduzida por um pra-raios uma funo complexa das caractersticas do pra-raios e do sistema. Aimpedncia efetiva vista pelo pra-raios durante um surto de manobra pode variardesde algumas centenas de ohms para uma linha area, at dezenas de ohmspara pra-raios conectados prximos a cabos isolados e grandes bancos decapacitores. Nestes dois casos, a corrente do pra-raios e a energia resultantevariam significativamente para uma dada amplitude e durao de surto demanobra.

No caso de pra-raios de ZnO conectados a linhas areas, as correntes decoordenao para sobretenses de manobra recomendadas esto apresentadasna Tabela V.2.

Tabela V.2 - Correntes de coordenao para sobretenses de manobra

Mxima tenso dosistema (kVef)

PR Classe Estao(Acrista)

PR Classe Intermediria(ACrista)

3 - 150 500 500151-325 1000 ---326-900 2000 ---

(3) Determinao da capacidade de absoro de energia dos pra-raiosAlm de suportarem as energias provenientes das sobretenses temporrias, ospra-raios instalados nos sistemas eltricos devem ser capazes de absorver asenergias provenientes das sobretenses transitrias que ocorrem nos sistemas,causadas por :

105

- Energizao ou religamento de linhas longas;- Abertura de bancos de capacitores ou cabos, atravs de disjuntores que

permitam o reacendimento (restrike);- Descargas atmosfricas diretas sobre os condutores fase das linhas areas de

transmisso ou de descargas sobre as estruturas prximas s subestaes ousobre os cabos pra-raios, provocando descargas de retorno backflashovernas cadeias de isoladores.

Para uma especificao adequada dos pra-raios, ou em casos de sistemas maiscrticos, estudos especficos envolvendo simulaes computacionais devem serrealizados, de modo a se obter as mximas energias a serem absorvidas pelospra-raios. A partir desses estudos, definida a capacidade mnima de absorode energia dos pra-raios, que deve ser maior do que as energias mximasobtidas nos estudos. No caso de pra-raios aplicados a sistemas de Extra AltaTenses deve-se avaliar principalmente as energias absorvidas devido aos surtosde manobra.

Um fator importante que deve ser considerado quando do estudo da absoro deenergia devido a manobras de bancos de capacitores, a relao entre acapacidade de absoro de energia e a corrente de descarga que flui pelo pra-raios, pois a partir de uma dada corrente de descarga (definida pelos fabricantes)h uma reduo na capacidade de absoro de energia dos pra-raios.

Em muitas das vezes, a realizao de estudos computacionais mais especficosno de fcil implementao. Neste caso, conhecidos os nveis de proteo dospra-raios, as energias absorvidas por esses podem ser estimadas pelasequaes apresentadas na Seo III.5 Captulo III. Utilizando-se as equaespropostas e conhecendo-se a tenso nominal do pra-raios, possvel estimar, deuma forma conservativa, as energias absorvidas pelos pra-raios em kJ/kV datenso nominal. No entanto, deve-se ressaltar que as informaes obtidas sopara fins orientativos.

Na Tabela V.3 so apresentados os valores sugeridos pela referncia /1/ paraserem aplicados na equao descrita no item 4.2 Seo III.5 Captulo III,quando da realizao de estudos para energizao e religamentos de linha.

Tabela V.3 Valores utilizados para estudos de energizaoe religamentos de linha /1/

Tenso mxima operativado sistema (kV)

Impedncia de surto dalinha ()

Sobretenso prospectivasem o pra-raios UL (kV)

Um < 145 450 3,0145 Um 345 400 3,0362 Um 525 350 2,6

Um = 765 300 2,2

106

Pra-raios instalados na entrada das subestaes podem ser submetidos amaiores nveis de energia quando do aumento da isolao das linhas.

De um modo geral, as empresas concessionrias de energia vm adotando noBrasil pra-raios classe 2 ou 3 de descarga de linhas de transmisso (DLT) parasistemas com mxima tenso operativa at 145 kV; pra-raios classe 3 parasistemas de 145 kV a 242 kV; pra-raios classes 3 ou 4 para sistemas de 362 kV epra-raios classe 5 para sistemas com tenses operativas acima de 460 kV.

Tem sido observado que, em muitas das aplicaes, os nveis de energiarequeridos pelos usurios encontram-se acima dos nveis realmente necessriospara uma dada condio de sistema, havendo a necessidade de se reavaliar oscritrios atualmente utilizados.

Por outro lado, a maioria dos usurios vm definindo em suas especificaestcnicas a classe de descarga de linhas de transmisso requerida pela normaIEC 60.099-4. Tal critrio pode levar a erros considerveis em relao e energiarequerida, devido a existncia, para uma mesma classe de descarga de linhas, deuma faixa considervel de energias para os diferentes fabricantes.

Por exemplo para a classe 2, segundo a IEC, existe uma faixa de variao nacapacidade de absoro de energia para os pra-raios de 2,9 a 4,5 kJ / kVnominal. Da mesma forma, para a classe 3 a faixa est entre 4,2 a 8,0 kJ / kVnominal.

De forma a se obter os valores de energia desejveis, as especificaes tcnicasdevem conter a capacidade mnima de absoro de energia requerida para ossistemas, associada ou no classe de descarga de linhas de transmisso.

De uma forma geral, a experincia de campo tem demonstrado que pra-raioscom capacidade de absoro de energia mnima de 3,5 kJ / kV nominal soadequados para a maioria dos sistemas com tenses nominais at 138 kV,mesmo considerando a presena de bancos de capacitores. Para sistemas comtenses nominais de 230 kV, pra-raios com uma capacidade de absoro deenergia mnima de 7,0 kJ / kV nominal atendem maioria dos sistemas.

Cabe ressaltar, no entanto, que as informaes acima so orientativas e com baseem experincias de campo. Energias menores podem ser adequadas para algunssistemas. Da mesma forma, maiores energias podem ser necessrias parasistemas mais crticos.

A seguir so apresentados os resultados de um estudo realizado para estimar asenergias absorvidas pelos pra-raios para sobretenses atmosfricas e demanobra em um sistema de 145 kV. Os resultados apresentados foram obtidos apartir das equaes apresentadas na Seo III.5 Captulo III, para as faixasmximas para os valores de tenso residual sugeridos pela norma tcnicaIEC 60.099-4. Foram consideradas as seguintes condies para o sistema:

107

- Tenso disruptiva crtica da linha, polaridade negativa: 760 kV- Impedncia transitria da linha de transmisso: 450 - Nmero de linhas conectadas: N = 1- Tempo total de durao da descarga atmosfrica: 300 s- Sobretenso esperada para a energizao da linha: 3,2 pu = 379 kV- Comprimento da linha de transmisso: 300 kms- Caractersticas do pra-raios utilizado no estudo:

Tenso nominal: 120 kVMxima tenso contnua de operao: 96 kVCorrente de descarga nominal: 10 kACapacidade de absoro de energia: 4,5 kJ/kV - IA 950 ATenso residual para impulso ngreme: 339 kV 10 kATenso residual para impulso atmosfrico: 312 kV 10 kATenso residual para impulso de manobra: 239 kV 0,5 kA

Uma sntese dos resultados obtidos est apresentada nas Tabelas V.4 a V.6.

Tabela V.4 Resultados do estudo para sobretenses atmosfricas

Tenso Tenso Relao Energia Energianominal (kV) residual (kV) Un / Ures (kJ) (kJ / kV)

276 (1) 2,30 142,3 1,19120 312 2,60 148,5 1,24

396 (2) 3,30 156,1 1,30

(1) Valor mnimo de tenso residual dentro da faixa de valores mximossugeridos pela IEC 60.099-4;

(2) Valor mximo de tenso residual dentro da faixa de valores mximossugeridos pela IEC 60.099-4.

Tabela V.5 Resultados do estudo para sobretenses devido a energizaoe religamento de linhas de transmisso

Tenso Tenso Relao Energia EnergiaNominal (kV) residual (kV) Un / Ures (kJ) (kJ / kV)

240,0 (1) 2,00 148,1 1,23120 239,0 1,99 148,6 1,24

312,0 (2) 2,60 92,7 0,77

(1) Valor mnimo de tenso residual dentro da faixa de valores mximossugeridos pela IEC 60.099-4;

(2) Valor mximo de tenso residual dentro da faixa de valores mximossugeridos pela IEC 60.099-4.

108

Tabela V.6 Resultados do estudo para sobretenses devidoa manobras de bancos de capacitores

Corrente de Potncia do Energia Corrente pelo kJ/kV corrigidacurto (kAef) Banco (MVAr) Absorvida (kJ) PRs (kA)

10,0 0,56 1,49 3,9115 15,0 0,85 1,83 3,58

20,0 1,13 2,11 3,3010,0 0,56 2,11 3,30

20 15,0 0,85 2,59 2,8320,0 1,13 2,99 2,4310,0 0,56 2,59 2,83

30 15,0 0,85 3,17 2,2520,0 1,13 3,66 1,77

Dos resultados apresentados nas tabelas pode-se verificar que:

- No caso da incidncia de descargas atmosfricas (Tabela V.4) verifica-se umaumento da energia absorvida pelos pra-raios com o aumento da tensoresidual.

- Descargas atmosfricas incidindo ao longo de uma linha de transmisso emum ponto distante da subestao conectada a linha, no so significativas paraa definio da capacidade de absoro de energia dos pra-raios instaladosnas subestaes.

- Para manobras devido ao religamento ou energizao da linha (Tabela V.5)verifica-se a reduo da energia absorvida pelos pra-raios com o aumento datenso residual. Portanto, pra-raios de menor tenso nominal geralmenteabsorvem uma maior quantidade de energia.

- Considerando-se a possibilidade de rejeio de carga durante a primeiraoperao de energizao da linha de transmisso, com uma segundaenergizao ocorrendo em um pequeno intervalo de tempo devido aoreligamento automtico, a energia total absorvida pelo pra-raios durante asoperaes de manobra pode ser considerada como a soma das energiasabsorvidas durante cada operao: neste caso, 297,2 kJ, correspondente auma energia total de 2,48 kJ / kV nominal do pra-raios. Mesmo sendobastante conservativo ao se considerar a energia absorvida pelo pra-raiosdevido a sobretenso temporria proveniente da rejeio de carga como sendoequivalente a energia absorvida durante a energizao da linha, tem-se umaenergia total de 445,8 kJ, equivalente a 3,72 kJ / kV da tenso nominal dopra-raios.

- Para manobras de banco de capacitores (Tabela V.6) a corrente que circulapelos pra-raios quando da manobra dos bancos aumenta com o aumento da

109

corrente de curto-circuito do sistema e com o aumento da potncia do bancode capacitores. O valor de corrente obtido fundamental para a verificao dacapacidade de absoro de energia e deve ser comparado com o valormximo declarado pelo fabricante, para a condio de mxima capacidade deabsoro de energia. A relao entre a corrente obtida e a corrente mximadeclarada pelo fabricante deve ser considerada para a obteno dacapacidade de absoro de energia corrigida em funo do aumento dacorrente (Ver Figura III.9, Captulo III Seo III.5).

(4) Requerimentos de suportabilidade a correntes de falta:Havendo a falha do pra-raios circular por esse uma corrente de falta,correspondente a corrente de curto-circuito do sistema.

De modo a evitar riscos s pessoas e aos demais equipamentos instalados nassuas proximidades, os pra-raios devem ser projetados para suportarmecanicamente os efeitos das correntes de curto-circuito. No caso de pra-raioscom invlucro de porcelana ou polimricos que apresentem o dispositivo de alviode sobrepresso esse dispositivo deve atuar, de modo a evitar a fragmentao ouexploso do invlucro. No caso de pra-raios polimricos sem espaamentosinternos de ar, esses devem suportar mecanicamente os esforos da corrente decurto-circuito sem liberao ou desprendimento de sua parte ativa.

No caso de falha do pra-raios flui atravs desse uma corrente correspondente acorrente de curto-circuito do sistema, que pode ser determinada por:

IFALTA Corrente de curto-circuito do sistema no ponto de instalao do PRs, (kAef)PCC Potncia de curto-circuito do sistema no ponto de instalao do PRs (MVA)Vn Tenso nominal do sistema (kV).

Desta forma, os pra-raios devem ser dimensionados em funo da mximacorrente de curto-circuito do sistema, no ponto de instalao do pra-raios.

Pra-raios com correntes suportveis de 25 kA e 40 kA tm sido maisfreqentemente utilizados por empresas concessionrias de energia eltrica noBrasil. Em alguns casos, correntes de 63 kA so requeridas.

Geralmente tem sido constatado na prtica, valores especificados geralmentemuito acima dos nveis de curto-circuito dos sistemas onde os equipamentos estoinstalados. Tal situao eleva os custos dos pra-raios, sendo mais crtica quandoda utilizao de pra-raios de porcelana, visto que em muitas das vezes, a

( )n

CCFALTA V3

MVAPI

=

110

operao correta do projeto do dispositivo de alvio de sobrepresso estdiretamente relacionada com a corrente de curto-circuito que poder fluir atravsdo pra-raios.

(5) Condies de servio (ambientais)Quando da especificao de um pra-raios para aplicao em subestaes, deve-se levar em considerao as condies ambientais.

Os nveis de poluio, aplicados a invlucros de porcelana, so definidos pelanorma tcnica IEC 60.815, abrangendo 4 nveis:

- Nvel de poluio leve: distncia de escoamento de 16 mm / kVfase-fase- Nvel de poluio moderado: distncia de escoamento de 20 mm / kVfase-fase- Nvel de poluio alto: distncia de escoamento de 25 mm / kVfase-fase- Nvel de poluio muito alto: distncia de escoamento de 31 mm / kVfase-fase

Pra-raios com invlucros de porcelana apresentam, geralmente, uma distnciade escoamento da ordem de 20 mm / kVfase-fase . Pra-raios com invlucrospolimricos apresentam valores de distncia de escoamento normalmentesuperiores a 25 mm / kVfase-fase.

(6) Caractersticas de proteo dos pra-raios para sobretensestransitrias de frente rpida e de frente lenta:

As caractersticas de proteo dos pra-raios dependem do tipo de pra-raiosutilizado e devem ser definidas em funo dos nveis de suportabilidade dosequipamentos a serem protegidos; do grau de importncia dos equipamentos edas linhas onde os pra-raios sero aplicados; e do tipo de instalao do pra-raios em relao ao equipamento a ser protegido.

As caractersticas de proteo dos pra-raios para surtos atmosfricos e demanobra so apresentados pelos fabricantes em seus catlogos tcnicos. Noentanto, na ausncia de tais informaes, podem ser utilizados os valoresapresentados nas Tabelas III.1 a III.3 Seo III.3.2, dependendo do tipo de pra-raios considerado.

A tenso residual dos pra-raios aumenta com o aumento da amplitude dacorrente de descarga e apresenta uma pequena dependncia com a temperatura.Um aspecto importante que deve ser destacado, a sua dependncia com afreqncia, ou seja, para uma mesma amplitude de corrente a tenso residualaumenta com a diminuio do tempo de frente do surto (aumento da freqncia).

111

A Figura V.7 apresenta a curva de um fabricante considerando a tenso residualpara impulsos com frente ngreme, atmosfrico e de manobra, para pra-raioscom tenses nominais de 54 a 360 kV.

Figura V.7 Curva da tenso residual versus corrente de descarga

O efeito da dependncia da tenso residual com a freqncia, onde para umamesma amplitude de corrente de descarga a tenso residual aumenta com areduo do tempo de frente do impulso apresentado na Figura V.8.

Figura V.8 - Variao da tenso residual em funo dotempo de frente da corrente de impulso

0.50

0.75

1.00

1.25

1.50

0.1 1 10 100 1000 10000 100000Corrente de descarga (Acr)

Tens

o re

sidu

al (p

.u. V

10kA

)

Frente ngreme impulso atmosfrico Impulso de manobra

112

V.3.2 Seleo ou determinao da suportabilidade da isolao;

Procedimentos para a determinao da suportabilidade da isolao soapresentados no Captulo I.

V.3.3 Avaliao da coordenao do isolamento

A efetiva proteo dos equipamentos dentro de uma subestao alcanadaatravs do correto posicionamento dos dispositivos de proteo. Geralmente seutilizam pra-raios e as subestaes so protegidas por cabos de blindagem paraevitar a incidncia de descargas atmosfricas diretas sobre os barramentos e osequipamentos da subestao.

Os pra-raios geralmente so utilizados na entrada da subestao e prximos aosequipamentos principais. A necessidade de pra-raios prximos aosequipamentos principais est associada a eventual elevao da sobretenso emrelao a tenso no terminal do pra-raios, em virtude das caractersticas depropagao do surto no interior da subestao (frente de onda de poucos s evelocidade de propagao prxima a da luz no vcuo). As reflexes nos diversospontos de descontinuidade dos barramentos (conexes com outros barramentos,terminaes e conexes com equipamentos) e as distncias entre os pra-raios eos equipamentos podem fazer com que a tenso alcance nveis perigosos emalguns pontos da subestao.

Este fato deve ser evitado localizando-se os pra-raios em locais apropriados,inclusive aumentando a sua quantidade, caso necessrio.

Nesta seo, ser apresentado o efeito da distncia de separao entre o pra-raios e o equipamento protegido, conforme mostrado na Figura V.9.

Os nveis de proteo dos pra-raios acrescidos da tenso a ser adicionadadevido aos efeitos dos cabos de conexo e da distncia de separao entre opra-raios e o equipamento protegido, estabelecem as tenses impulsivas nosterminais dos equipamentos protegidos.

Existem diferentes metodologias para a determinao dessas tenses:

(1) Mtodo simplificado;(2) Mtodo sugerido pelo Guia de Aplicao de pra-raios;(3) Atravs de simulao computacional, utilizando-se programas digitais.

113

D Distncia de separao entre a "Juno J" e o terminal dotransformador ( m );

J Ponto comum entre as conexes do equipamento protegido, do pra-raios ea linha sob surto;

S Taxa de crescimento do surto equivalente incidente na "Juno J" ( kV/s )UT Tenso nos terminais do equipamento protegido ( kV )UPR Tenso residual do pra-raios ( kV )

Figura V.9 Representao esquemtica da distncia entreo pra-raios e o equipamento a ser protegido.

De acordo com o mtodo simplificado, a tenso nos terminais do equipamentoprotegido pode ser estimada por:

vDS2UU PRT +=

UT Tenso nos terminais do equipamento protegido ( kV )UPR Tenso residual do pra-raios ( kV )S Taxa de crescimento do surto de tenso ( kV / s )D Distncia entre o pra-raios e o equipamento a ser protegido ( m )v velocidade de propagao da onda de tenso ( v = 300 m/s )

aconselhvel adicionar tenso residual do pra-raios o efeito dos cabos deconexo. Neste caso, pode-se considerar a seguinte equao:

114

vDS2UU PRT +=

U*PR Tenso residual do pra-raios ( kV ) acrescida do efeito das conexes

( ) mdtdiLUU RESPR +=L Indutncia dos cabos de conexo valor tpico de 1,3 H / mdi/dt Taxa de crescimento da corrente ( kA / s ) 2 . S / Z0m Comprimento total dos cabos de conexo ( metros )Para a determinao da taxa de crescimento da tenso em linhas providas comcabos pra-raios, pode-se considerar a ocorrncia de uma descarga de retornobackflashover nas ltimas estruturas antes da chegada a subestao. Nestecaso, a taxa de crescimento obtida pela equao abaixo:

t

3US )(50

+=

S Taxa de crescimento da tenso incidindo na subestao ( kV/s );U50(-) Tenso crtica de descarga para a cadeia de isoladores, para a

polaridade negativa ( kV ); Desvio padro, considerado como sendo igual a 3% da tenso crtica de

descarga;t Tempo considerado no estudo (s).O procedimento adotado pelo Guia de Aplicao de pra-raios foi desenvolvidopela Comisso CE 37-4 do COBEI , a partir do Guia de Aplicao de Pra-raios daANSI referncia ANSI C62.22 Apndice C. Os procedimentos para utilizaodesse mtodo, bem como exemplos de aplicao encontram-se no Anexo desseCaptulo. Maiores informaes podero ser obtidas junto a CE 37-4 do COBEI.Este estudo ser inserido no Guia de Aplicao de Pra-raios que dever entrarem votao ainda este ano.

A anlise do comportamento das tenses impulsivas nos terminais dosequipamentos atravs da utilizao de programas digitais permite, via de regra,uma maior preciso nas informaes obtidas. No entanto, cuidados devem sertomados quando da modelagem do sistema a ser avaliado, de modo a se obter osresultados desejados.Maiores informaes quanto a aplicao do programa ATP e a modelagem dosistema para se avaliar as tenses impulsivas nos terminais dos equipamentosdas subestaes, podem ser obtidas no Captulo X Injeo de Surtos emSubestaes e no Captulo XII Modelagem de Pra-raios de ZnO em Estudos deSobretenses da referncia /2/.

115

De acordo com a referncia, a simulao dos componentes envolvidos emestudos de propagao de surtos em subestaes inclui os seguintes modelos:

Modelo do surto a ser injetado: Modelo da linha de transmisso; Modelo dos barramentos; Modelos dos equipamentos da subestao.

Nos estudos de injeo de surtos em subestaes, ateno especial deve serdada a modelagem do pra-raios, cujas as caractersticas devem ser corrigidaspara as frentes de onda mais rpidas, com base nas informaes apresentadas naFigura V.8 e que permitem a correo da caracterstica da tenso x corrente dosimpulsos de corrente 8 / 20 s para frentes de onda mais rpidas. Uma outrapossibilidade consiste na utilizao do modelo de ZnO para surtos rpidosdesenvolvido pelo IEEE Working Group 3.4.11 /3/

Exemplo 2 Considere um sistema de 145 kV, cujo transformador e o pra-raiosestejam eletricamente conectados, apresentando as seguintes caractersticas:- Tenso suportvel nominal para impulso atmosfrico do trafo: 550 kV- Tenso suportvel de impulso cortado na frente para o trafo: 633 kV- Taxa de crescimento do surto de tenso: 1028 kV/s- Impedncia transitria na entrada da subestao: 450 ohms- Impedncia transitria do barramento onde est sendo 350 ohms analisado o efeito da distncia:- Comprimento dos cabos de conexo do pra-raios: 6 metros

- Caractersticas do pra-raios:Tenso nominal: 120 kVTenso residual para impulso de corrente ngreme 10 kA: 339 kVTenso residual para impulso atmosfrico 10 kA: 312 kVTenso residual para surto de manobra 0,5 kA: 239 kV

De forma a avaliar os mtodos apresentados, bem como o efeito da tensoresidual dos pra-raios e o seu posicionamento na coordenao do isolamento dosistema, foi realizado um estudo considerando-se os mtodos descritos, bemcomo a simulao computacional utilizando-se o programa ATP Draw.

Para os dois primeiros mtodos utilizados, foi considerada a tenso residual paraimpulso de corrente ngreme do pra-raios (339 kV) acrescida do efeito dos cabosde conexo ( L . di/dt ). A taxa de crescimento considerada para a corrente de4,6 kA / s.

116

A simulao computacional foi realizada considerando-se uma fonte de tenso tiporampa com forma de onda 1 / 50 s e amplitude de 2056 kV, correspondente aduas vezes o valor do surto de tenso desejado. A fonte de tenso foi conectadaem srie com uma impedncia de surto monofsica de 450 , correspondente aimpedncia de surto do barramento da subestao. Esse modelo garante ainjeo de uma tenso com amplitude de 1028 kV incidindo na subestao.De forma a considerar a dependncia da tenso residual com a freqncia, acurva tenso residual x corrente de descarga do pra-raios foi obtida a partir domodelo de ZnO para surtos rpidos proposto pelo IEEE Surge Protective DevicesCommittee Working Group, baseado nos valores de tenso residual paraimpulsos atmosfrico (10 kA) e de manobra (0,5 kA), e considerando-se ascaractersticas e dimenses fsicas dos pra-raios. Os erros entre os valoresmedidos e simulados com o modelo ficaram na faixa de 2%. O transformador foirepresentado no estudo por uma capacitncia de 3.000 pF.

A variao da tenso nos terminais do transformador devido a distncia deseparao entre o pra-raios e o transformador apresentado na Figura V.10.

Figura V.10 - Variao da tenso nos terminais do transformador devido adistncia entre o pra-raios e o transformador

Da Figura acima possvel verificar que no caso da incidncia de uma onda detenso com uma taxa de crescimento de 1.028 kV/s, resultante de uma descargadisruptiva nas ltimas torres antes da chegada subestao, o pra-raiosconsiderado oferecer uma proteo adequada ao transformador ou outroequipamento protegido pelo pra-raios, para distncias de separao em relao

0100200300400500600700800900

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50Distncia (m)

Tens

o d

e Im

pulso

(kVc

r)

Usup. Trafo Utrafo simplicado Utrafo simulao ATPUtrafo Guia Usup/1,20

117

ao equipamento considerado de aproximadamente 12 metros, considerando-se ocomprimento dos cabos de conexo de 6 m. Estudos adicionais considerando ocomprimento dos cabos de conexo de 3 m, mostrou uma proteo adequada dospra-raios aos equipamentos protegidos para distncias de separao em tornode 20 metros.

Considerando-se a distncia entre o pra-raios e o transformador de 12 metros e ocomprimento dos cabos de conexo entre os terminais do pra-raios e obarramento de AT / base aterrada da subestao de 6 metros, tem-se asseguintes relaes de proteo para sobretenses de frente rpida e lenta(distncia total de conexo da ordem 18 m):

Determinao da Margem de Proteo 1 (ondas rpidas):

TSIACF = 1,15.TSNIA TSIACF = 1,15 . 550 TSIACF = 633 kVNPFO + V = 519 kV Valor obtido durante a simulao computacional.

Determinao da Margem de Proteo 3 (impulsos de manobra):

TSNIM = 0,83 . TSNIA TSNIM = 457 kVNPIM = 239 kV

Dos resultados obtidos na simulao pode-se constatar a importncia dascaractersticas de proteo dos pra-raios e do seu posicionamento em relaoao(s) equipamento(s) protegido(s). Maiores valores de tenso residual dos pra-raios, bem como maiores distncias dos pra-raios em relao aos equipamentosprotegidos reduzem as margens do proteo.

VNPFOTSIACFMP1 +

=

519633MP1 = %2222,1MP1 ==

NPIMTSNIMMP3 =

NPIMTSNIMMP3 = 239

457MP3 =%9191,1MP3 ==

VNPFOTSIACFMP1 +

=

118

A simulao considerou uma situao de tenso incidente na subestao bastantecrtica, como por exemplo, a ocorrncia de backflashover nas cadeias deisoladores situadas nas ltimas torres prximas a subestao. Esta situaoprovoca surtos de tenso com taxas de crescimento bastante ngremes. Parasurtos incidentes na subestao com menores taxas de crescimento, a proteooferecida pelo pra-raios ser ainda maior.

A Tabela V.7 apresenta uma sntese das tenses resultantes obtidas no terminaldo transformador em funo da distncia entre o pra-raios e o transformador (ououtro equipamento qualquer a ser protegido), e as respectivas margens deproteo obtidas:

Tabela V.7 - Sntese dos resultados obtidos na simulao

Distncia (m) TSNIACF (kV) Tenso resultantenos terminais (kV)

Margem desegurana (%)

0,11 632,5 441,2 43,4 %7,0 632,5 491,8 28,6 %9,0 632,5 503,1 25,7 %

12,0 632,5 518,6 22,0 %15,0 632,5 532,5 19,0 %20,0 632,5 553,5 14,3 %35,0 632,5 570,6 10,9 %30,0 632,5 586,5 7,8 %40,0 632,5 609,7 3,7 %50,0 632,5 624,5 1,1 %

1 Considera-se a instalao do pra-raios junto a bucha do transformador,eliminando o efeito da distncia de separao. Neste caso, foi consideradosomente o efeito dos cabos de conexo de 6 metros.

Da tabela verifica-se que o pra-raios avaliado oferece uma proteo adequadaaos equipamentos protegidos para distncias de separao at aproximadamente12 metros (considerando os cabos de conexo com comprimento de 6 metros).

O estudo apresentado considera a instalao do pra-raios prximo a umtransformador. No caso da instalao de outro pra-raios na entrada de linha, estaproteo ser garantida para maiores distncias, conforme pode ser verificado naTabela V.8, que apresenta os resultados obtidos para as tenses resultantes noponto de instalao do pra-raios e nos terminais do transformador estando opra-raios a uma distncia de 20 metros, com outro pra-raios do mesmo tipoinstalado na entrada da subestao:

119

Tabela V.8 Tenses nos terminais dos transformadores

Distncia entre PRs na entrada Tenso PRs Tenso noPRs e trafo (m) da Subestao mais conexo (kV) Transformador (kV)

20 NO 391,4 553,520 SIM 358,0 492,0

Considerando-se o pra-raios na entrada da subestao, tenso nos terminais dotransformador para uma distncia entre o pra-raios de proteo do transformadore o transformador de 20 metros, reduzida de 553,5 kV para 492,0 kV,aumentando a margem de proteo de 14,3% para 28,6%.

V.4 Referncias bibliogrficas

/1/ ABB, Selection Guide for ABB HV Surge Arresters, TechnicalInformation Publ. SESWG/A 2300 E, Edition 2, 1991.

/2/ Pereira, M. P. & Amon Filho, J., ATP Alternative Transient Program,Curso bsico sobre a utilizao do ATP, Novembro 1996.

/3/ Velasco, J. A. M., Computer Analysis of Electric Power systems Transients Selected Readings, IEEE, 1997, pp 287-294.

/4/ Ohio Brass, Application Guide DynaVar Metal-Oxide Surge Arresters,Ohio Brass Technical Bulletin EU1091-HR, 1990.

/5/ CE 37-4, Guia de Aplicao de Pra-raios - Draft

120

Mtodo sugerido pelo Guia de Aplicao de Pra-raios Texto originaldesenvolvido e proposto pela Comisso CE 37-4 do COBEI / ABNT.

ANEXO D

Clculo das Distncias de Separao de Pra-Raios a xidoMetlico sem Centelhadores

D1. ObjetivoO objetivo deste anexo prover um mtodo relativamente simples para o clculo das mximas distncias deseparao permissveis entre os pra-raios a xido metlico sem centelhadores e os equipamentos a seremprotegidos.

D2. Introduo

A localizao mais eficaz de um pra-raios junto aos terminais do equipamento a ser protegido. Por vriasrazes, os pra-raios tem que ser instalados, algumas vezes, a uma distncia do equipamento a serprotegido, ou em outras vezes um conjunto de pra-raios pode ser utilizado para proteger mais de umequipamento.

Ao se instalar pra-raios distantes do equipamento a ser protegido a margem de proteo oferecida reduzida. Dependendo de uma srie de fatores, o transitrio de tenso no equipamento a ser protegido podeatingir nveis superiores a duas vezes o nvel de proteo do pra-raios. Uma anlise deve ser feita paradeterminar o quanto distante um pra-raios pode ser instalado do equipamento e ainda prover uma proteoadequada.

D3. Mtodo de Estudo

Esse anexo detalha um procedimento simplificado para o clculo das distncias de separao aceitveis paraconfiguraes operativas de subestaes que resultam em arranjo em barra simples. Sua aplicabilidade demonstrada atravs de dois exemplos:

(1) Uma subestao constituda de uma nica linha area terminada em um nico transformador.(2) Uma subestao com vrias linhas e dois transformadores.Um processo de reduo utilizado no segundo exemplo, de modo a transformar uma configurao complexaem configurao equivalente a uma subestao de uma nica linha e um nico transformador, que pode seranalisada como mostrado no primeiro exemplo.

O procedimento de coordenao de isolamento proposto utiliza a curva mostrada na Figura D8, gerada apartir de estudos utilizando Programas de Transitrios Eletromagnticos, em especfico, o EletromagneticTransients Program EMTP. A Equao D1 representa a curva mostrada na Figura D8.

Todos os estudos por computador, para definio desta equao e correspondente figura foram realizados emsubestaes com uma nica linha e transformador, com tenses de sistema variando de 69 kV at765 kV. conveniente ressaltar que a curva na Figura D8 uma curva mdia utilizando os resultadosprovenientes de estudos. Para a sua definio foi includo o efeito da tenso de freqncia fundamental. Estacurva considerada como vlida para distncias de separao no superiores a 100 m. Valores decapacitncia de surto do transformador entre 1000 pF e 5000 pF no afetam materialmente os efeitos daseparao.

Estudos utilizando ferramentas analticas tais como o EMPT - ATP so recomendados para subestaes comarranjos mais complexos. No a inteno deste anexo prover a orientao na seleo de casos para estudoou na interpretao de resultados obtidos a partir da utilizao do Programa EMTP - ATP ou qualquer outraferramenta analtica.

121

D4. Definio dos SmbolosOs smbolos usados para clculo da distncia de separao em pra-raios so definidos como aseguir:

Fig. D1 Definio de Smbolos

TSNIA - Tenso suportvel nominal de impulso atmosfrico do transformador (kV)c - Velocidade de propagao do surto em condutores areos ( m/s )TSNIAC - Tenso suportvel nominal de impulso atmosfrico cortado na frente do transformador (kV)

TSNIAC = 1,15 x TSNIAd - Comprimento do condutor entre a "Juno - J" e o "Terminal do pra-raios" (m)d - Comprimento do condutor entre o "Terminal de aterramento do pra-raios e o ponto de

terra" (m)d - Comprimento total das conexes do pra-raios - d+d ( m )D - Distncia mxima de separao entre a "Juno J" e o "Terminal do transformador" (m)di/dt - Taxa de crescimento do surto de corrente incidente (kA/s)

di/dt= 2(S)/ZJ - Ponto comum entre as conexes do transformador, do pra-raios e a linha sob surto

L - Indutncia dos cabos de conexo do pra-raios (H) ( 1,3 H/m )N - Nmero de linhas efetivamente conectadas a subestao, incluindo a linha sob surtoS- Taxa de crescimento do surto incidente na linha de transmisso (kV/s)

(Adotar 11kV/s por kV de MCOV at um mximo de 2000 kV/s )S - Taxa de crescimento do surto equivalente incidente na "Juno J" (kV/s)NPROTFO - Nvel de proteo do pra-raios para impulsos de frente ngreme a 1,0s (kV)

Na ausncia de dados de fabricantes possvel utilizar o valor mostrado na Tabela 3.UPR - Tenso atravs do pra-raios, incluindo a queda de tenso nos condutores de conexo (kV)UT - Mxima solicitao de tenso suportvel pelo transformador (kV)

UT = TSNIAC/1,15 - Para impulsos com tempo de frente inferior a 3sUT = TSNIA/1,15 - Para impulsos com tempo de frente superior a 3s

Nota:- Estas definies assumem uma margem de proteo de 15%.Z - Impedncia de surto das linhas de transmisso conectadas a subestao () (Ver Tabela 1)

122

D5. Exemplo 1 - Subestao com uma nica Linha Transformador

O Exemplo 1 refere-se Figura D1. Os parmetros utilizados neste exemplo, relativos a um sistema em145 kV, protegido por pra-raios com MCOV de 98 kV, esto apresentados a seguir:

TSNIA = 550 kVMCOV = 98 kVc = 300 m/sD = d+d = 7,6 mS = 11 x MCOV Nominal = 11 x 98 = 1078 kV/sS = S(Uma nica linha incidente)NPROTFO = 269 kV Para: MCOV = 98 kV e Tempo de Frente = 1,0 s.

Tempo de crista da tenso: (269/1078) = 0,25 s < 3 s Logo:- UT = TSNIAC/1.15

Z = 450

A partir destes dados procede-se aos seguintes clculos:

TSNIAC = 1.15 x TSNIA = 1.15 x 550 = 632.5 kVdi/dt = 2.S/Z = 2.(1078)/450 = 4,79 kA/sL = (d+d) 1.3 H/m = 7.6 x 1.3 = 10 HUPR = UR + L.(di/dt) = 269 + 10.(4,79) = 317 kVUT = TSNIAC/1.15 = 632.5/1.15 = 550 kVUT/UPR = 550/317 = 1.73

O valor da abscissa correspondente a UT/UPR = 1.73 na Figura D8 D(S)/(C x UPR) = 0.25

Resolvendo para: D = 0.25 (c x UPR) / (S) = 0.25.(300 x 317)/1078 = 22.1 m.

Esta a distncia mxima aceitvel entre o pra-raios e o transformador.

D5.1 Distncias de Separao Aceitveis Calculadas.

Para tenses de sistema de 72.5 kV at 800 kV, foram calculadas distncias de separao aceitveis usandoo procedimento acima, baseando-se nas seguintes consideraes:

- Valores tpicos de TSNIA.- Pra-raios classe estao.- MCOV nominais mnimas.- Valores mximos para nveis de proteo para frente de impulso de 0.,5 s, conforme Tabela 3.

Deste modo, as distncias de separao aceitvel so dadas na Tabela 9, conforme Item 6.2.7 deste Guia.

NOTA:Conforme mostrado no exemplo, para valores de frente de impulso superiores a 0,5 s, por exemplo1,0 s, as distncias de separao so superiores s mostradas na Tabela 9.

D6. Subestao com Vrias Linhas e Dois Transformadores.A Figura D2 mostra uma subestao com trs linhas, dois transformadores e um conjunto de pra-raios. Paradeterminar a proteo contra surtos, adequada a ambos os transformadores com um nico conjunto de pra-raios, a mxima distncia de separao entre pra-raios e transformadores deve ser calculada considerando-se o surto incidente sobre cada uma das linhas.

Para usar o mtodo deste anexo, a subestao multi-linhas com dois transformadores da Figura D2 deve serreduzida a uma subestao de uma nica linha e transformador similar mostrada na Figura D1. O seguinte

123

procedimento detalha o mtodo de reduo. O procedimento deve ser repetido para cada transformador,enquanto se considera o surto incidente sobre cada linha separadamente. Hipteses considerandodesconexes de uma ou mais linhas devem ser investigadas a fim de se identificar os casos mais severos.

D6.1 Procedimento Passo a Passo para o Processo para a Reduo daSubestao.

1 Passo:Remover o transformador no considerado e identificar a linha sob surto.

Fig. D2 Um Exemplo de Subestao Multi-linha com dois Transformadores.

2Passo:a)- Identificar a "Juno J", ou seja, o ponto comum entre a conexo do transformador, aconexo do pra-raios e a linha sob surto.b)- Identificar a "Conexo do pra-raios - d ", ou seja, a conexo entre a "Juno J" e o terminaldo pra-raios que tambm pode incluir trechos do barramento.c)- Identificar a "Distncia de Separao - D", ou seja, a conexo entre a "Juno J" e o terminaldo transformador que pode incluir trechos do barramento.

3Passo:Remover todas as linhas conectadas "Conexo do pra-raios - d "

4Passo:Determinar a "Taxa de Crescimento Equivalente da Tenso Incidente na "Juno J - S"

S SN

=

+

32

'

onde:

N - Equivale ao nmero total de linhas (incluindo a linha sob surto) remanescente aps a aplicao do3 Passo.

124

Deste modo, a subestao multi-linha com dois transformadores foi reduzida. Logo a Distncia deSeparao Mxima Permissvel - D, pode ser calculada utilizando-se do procedimento mostrado noItem D5 - Exemplo - 1.

D6.2 Exemplo 2 Subestao Multi-linha com dois Transformadores.

As Figuras D2 - D7 so aplicadas para o desenvolvimento deste exemplo. Os parmetros utilizados sorelativos a um sistema de 145 kV, conforme apresentados a seguir:

TSNIA = 550 kVMCOV = 98 kVc = 300 m/sd'' = 3 mS = 11 x MCOV Nominal = 11 x 98 = 1078 kV/sNPROTFO = 269 kV Para: MCOV = 98 kV e Tempo de Frente = 1,0 s.

Tempo de crista da tenso: (269/1078) = 0,25 s < 3 s Logo: UT = TSNIAC/1,15

Z = 450

D6.2.1 Reduo da Subestao da Figura D2 - para um Surto Incidente naLinha A

1 Passo:Remover o transformador no considerado - no caso o Transformador T2 - e identificar a linhasob surto, ou seja, a Linha A, conforme mostra a Figura D3.

Fig. D3 Subestao Multi-linhas com Dois Transformadores com Surto Incidente Linha A.

O Transformador T2 no Considerado foi Removido.

125

2 Passo:a)- Identificar a "Juno J", ou seja, o ponto comum entre a conexo do transformador, aconexo do pra-raios e a linha sob surto. Na Figura D3 o ponto onde as linhas se encontram.b)- Identificar a "Conexo do pra-raios - d ", ou seja, a conexo entre a "Juno J" e o terminaldo pra-raios que tambm pode incluir trechos do barramento.Neste exemplo, para condio analisada, d' = 12 mc)- Identificar a "Distncia de Separao - D", ou seja, a conexo entre a "Juno J" e o terminaldo transformador que pode incluir trechos do barramento.

3 Passo:Remover todas as linhas conectadas "Conexo do pra-raios - d ". Neste caso a Linha C oque resulta em nmero equivalente de linhas N = 2, conforme Figura D4.

4 Passo:Determinar a "Taxa de Crescimento Equivalente da Tenso Incidente na "Juno J - S

S SN

x=

+=

+=

32

3 10782 2

809'

kV/s

Fig. D4 Subestao Multi-Linhas Dois Transformadores com Surto Incidente Linha A,com Todas as Linhas Conectadas ao Condutor d Removidas.

Deste modo, a subestao multi-linhas reduzida a uma subestao com uma nica linha e transformadorconforme mostra a Figura D5.

A partir dos dados originais e da subestao reduzida procede-se aos seguintes clculos:

TSNIAC = 1.15 x TNSIA = 1.15 x 550 = 632.5 kVdi/dt = 2.S/Z = 2.(809)/450 = 3.59 kA/sL = (d+d) 1.3 H/m = 15 x 1.3 = 20 HUPR = UR + L.(di/dt) = 269 + 20.(3.59) = 341 kVUT = TSNIAC/1.15 = 632.5/1.15 = 550 kVUT/UPR = 550/341 = 1.61O valor da abscissa correspondente a UT/UPR = 1.61 na Figura D8 D(S)/(C x UPR) = 0.17

126

Resolvendo para: D = 0.17 .(c x UPR) / (S) = 0.17 x (300 x 341)/809 = 21.5 m.

Esta a mxima distncia aceitvel entre a "Juno J" - Ponto da Barra - e o Transformador T1 estando aLinha A sob surto.

Fig. D5 Subestao Multi-linhas Dois Transformadores com Surto Incidente Linha A,Simplificada para uma Subestao com uma nica Linha e Transformador

1 Passo:Remover o transformador no considerado - no caso o Transformador T2 - e identificar a linhasob surto, ou seja, a Linha C, conforme mostra a Figura D6.

Fig. D6 Subestao Multi-linhas com Dois Transformadores estando a Linha C sob surto. OTransformador T2 no Considerado foi Removido.

127

2 Passo:a)- Identificar a "Juno J", ou seja, o ponto comum entre a conexo do transformador, aconexo do pra-raios e a linha sob surto. Na Figura D6 o ponto onde as linhas se encontram.b)- Identificar a "Conexo do pra-raios - d ", ou seja, a conexo entre a "Juno J" e o terminaldo pra-raios que tambm pode incluir trechos do barramento.Neste exemplo, para condio analisada, d' = 6 mc)- Identificar a "Distncia de Separao - D", ou seja, a conexo entre a "Juno J" e o terminaldo transformador que pode e inclui, neste caso, trechos do barramento.

3 Passo:Remover todas as linhas conectadas "Conexo do pra-raios - d ". Neste caso, nenhumalinha pode ser removida o que resulta em nmero de linhas equivalente N= 3.

4 Passo:Determinar a "Taxa de Crescimento Equivalente da Tenso Incidente na "Juno J - S"

S SN

x=

+=

+=

32

3 10783 2

647'

kV/s

Deste modo, a subestao multi-linhas reduzida uma subestao comuma nica linha e transformador conforme mostra a Figura D7.

Fig. D7 Subestao Multi-linhas Dois Transformadores com Surto Incidente Linha C,Simplificada para uma Subestao com uma nica Linha e Transformador

A partir dos dados originais e da subestao reduzida, procede-se aos seguintes clculos:

TSNIAC = 1.15 x BIL = 1,10 x 550 = 632.5 kVdi/dt = 2.S/Z = 2.(647)/450 = 2,88 kA/sL = (d+d) 1.3 H/m = 9 x 1.3 = 12 HUPR = UR + L.(di/dt) = 269 + 12.(2,88) = 304 kVUT = TSNIAC/1.15 = 6032.5/1.15 = 550 kVUT/UPR = 550/304 = 1,81

O valor da abscissa correspondente a UT/UPR = 1.81 na Figura D8 D(S)/(C x UPR) = 0.28

128

Resolvendo para: D = 0.28 .(c x UPR) / (S) = 0.28 x (300 x 304)/647 = 39.5 m.

Esta a mxima distncia aceitvel entre a "Juno J" - Ponto da Barra - e o Transformador T1 estando aLinha C sob surto.

Ao se comparar este exemplo com o anterior necessrio observar que a distncia agora calculada incorporaum trecho de 6 metros de barramento Verificar posio da Juno J nas Figuras D.4 e D.7. Logo, emrelao ao ponto de conexo do transformador a distncia efetiva a ser considerada de 33.5 metros. Istoimplica que um surto incidindo na Linha A mais severo que um surto incidindo na Linha C pois, neste caso otransformador sob estudo - T1 necessita estar instalado a uma distncia inferior.

O procedimento completo implica em repitir a anlise acima para a Linha B e para o Transformador T2.

D7. Modelo Matemtico para a Curva da Figura D8A Equao D1 pode ser utilizada para calcular a Mxima Distncia de Separao Aceitvel (D), poisrepresenta um bom modelo para a curva apresentada na Figura D8.

( )

BILV

VBILS

VCDsa

sasa.957,0.92,2

.957,0.385,0 (D1)

0.01 0.10 1.00

1.10

1.30

1.50

1.70

1.90

2.10

2.30 U T / U PR

D(S) / c U PR

Fig D8 - Curva para Determinao Grfica da Mxima Distncia de Separao