Ensaios de Transformadores

INSTITUTO DE TECNOLOGIA PARA O DESENVOLVIMENTO INSTITUTO DE ENGENHARIA DO PARAN

JOS CARLOS SOARES

AVALIAO DA SUFICINCIA DOS ENSAIOS DIELTRICOS ESPECIFICADOS PARA AQUISIO DE TRANSFORMADORES ELEVADORES SUBMETIDOS S

SOBRETENSES DE FRENTE MUITO RPIDA

CURITIBA 2011

JOS CARLOS SOARES

AVALIAO DA SUFICINCIA DOS ENSAIOS DIELTRICOS ESPECIFICADOS PARA AQUISIO DE TRANSFORMADORES ELEVADORES SUBMETIDOS S

SOBRETENSES DE FRENTE MUITO RPIDA

Dissertao apresentada como requisito parcial obteno do grau de Mestre, no Programa de Ps-graduao em Desenvolvimento de Tecnologia, do Instituto de Tecnologia para Desenvolvimento, e Instituto de Engenharia do Paran (IEP).

Orientador: Prof. Dr. Gilson Paulillo

CURITIBA 2011

Soares, Jos Carlos

Avaliao da suficincia dos ensaios dieltricos especificados para aquisio de transformadores elevadores submetidos s sobretenses de frente muito rpida / Jos Carlos Soares. Curitiba, 2011. 109 f.

Orientador: Prof. Dr. Gilson Paulillo

Dissertao (Mestrado) Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento - LACTEC, Programa de Ps-Graduao em Desenvolvimento de Tecnologia PRODETEC.

1. Transformador de potncia. 2. Transformador elevador. 3. Ensaio dieltrico. I. Paulillo, Gilson. II. Ttulo. III. Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento LACTEC.

CDD 621.314

minha esposa e aos meus filhos, pelo constante incentivo e pela pacincia.

AGRADECIMENTOS

Ao LACTEC e IEP, pela oportunidade de participar desse programa de ps- graduao.

COPEL, pelo financiamento do mestrado.

Ao Prof. Dr. Gilson Paulillo, por sua orientao neste projeto e pela oportunidade de compartilhar de seus conhecimentos.

Ao Prof. Dr. Edemir Kowalski, pelas sugestes apresentadas na etapa de qualificao.

Ao Eng Msc. Jos Arinos Teixeira, pelo apoio na realizao dos ensaios.

RESUMO

Os transformadores de potncia so elementos essenciais e de grande valor do sistema de gerao, transmisso e distribuio de energia. Uma falha em um transformador de uma usina ou subestao pode resultar na interrupo do fornecimento de energia, com penalidades e elevados custos com a manuteno ou substituio do equipamento. A quantidade de falhas recentes em transformadores e suas consequncias confiabilidade do Sistema Eltrico de Potncia SEP, provocam grande preocupao para os agentes do setor de energia eltrica. Diversas falhas envolvendo os enrolamentos dos transformadores de potncia esto associadas a transitrios eletromagnticos no convencionais, como as falhas atribudas s sobretenses transitrias de frente muito rpida. Na aquisio de equipamentos novos, so especificados ensaios dieltricos para a verificao da qualidade do fornecimento e do projeto, seguindo orientaes previstas nas normas tcnicas. As normas tcnicas atuais no especificam ensaios dieltricos, com o objetivo de avaliar a suportabilidade dos transformadores de potncia aos fenmenos transitrios de frente muito rpida. Visando suprir as deficincias das normas atuais, quanto verificao da suportabilidade dos transformadores de potncia, submetidos a esse tipo caracterstico de sobretenso, o presente estudo prope avaliar a suficincia dos ensaios dieltricos padronizados especificados pelas normas atuais e tambm sugerir uma nova sequncia de ensaios, incluindo ensaio dieltrico de impulso atmosfrico cortado em ambiente SF6. Sero discutidos os resultados e os ensaios realizados em laboratrio que reproduzem os fenmenos geradores de sobretenses transitrias de frente muito rpida. A eficincia desses ensaios ser verificada comparando-se os tempos de frente de onda dos ensaios de impulso cortado em ambiente SF6 e no ar. Finalmente, para efeito de acompanhamento do desempenho dos transformadores, aps a aplicao dos ensaios de impulso, proposto construir-se a matriz admitncia do equipamento.

Palavras-chave: Transformadores de potncia. Transformadores elevadores. Ensaios dieltricos.

ABSTRACT

The power transformers are essential and valuable to generation, transmission and distribution system. A failure in a transformer substation or a power plant can result in disruption of power supply, with penalties and high maintenance costs or replacement of equipment. A number of recent failures in transformers and its consequences to the reliability of the Electric Power System, causing great concern for those involved in the energy sector. Several failures involving the windings of power transformers are associated with unconventional electromagnetic transients, such as failures attributed to very fast transients. When purchasing new equipment, are specified dielectric tests for checking the quality of supply and design, following the guidance provided in the technical standards. The current technical standards do not specify testing dielectrics in order to assess the supportability of the power transformer to the very fast transients phenomena. Aiming to address the weaknesses of current standards, on verification of supportability of power transformers subjected to such a characteristic overvoltage, this study proposes to assess the adequacy of standard dielectric tests specified by current standards and also suggest a new sequence of tests, including lightning impulse dielectric test chopped in SF6 environment. It will be discussed the results and laboratory tests that reproduce the phenomena that generate very fast transients. The efficiency of these tests will be verified by comparing the times of the wavefront of the impulse test cut on the SF6 and in the air. Finally, for purposes of monitoring the performance of transformers, after applying the test pulse, is proposed to construct the admittance matrix equipment.

Keywords: Power transformers. Step-up transformers. Dielectric tests.

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1 - SISTEMA ELTRICO DE POTNCIA DO PR .............................14 FIGURA 2 - FALHA CARACTERSTICA NO ENROLAMENTO DE AT ...............19 FIGURA 3 - SURTOS MEDIDOS NO PRIMRIO E SECUNDRIO DO

TRANSFORMADOR ELEVADOR APS O FECHAMENTO DA CHAVE 89 G (Figura 4) ...................................................................25

FIGURA 4 - DIAGRAMA UNIFILAR SIMPLIFICADO 1 VO DA SIG ...............26 FIGURA 5 - MANOBRA DE CHAVE EM UM TRECHO DE

CIRCUITO/BARRAMENTO .............................................................31 FIGURA 6 - PROPAGAO DAS ONDAS TRAFEGANTES CAUSADAS

PELA OPERAO DA CHAVE .......................................................33 FIGURA 7 - REPRESENTAO DO FENMENO ATRAVS DE

ELEMENTOS DISCRETOS.............................................................33 FIGURA 8 - DIAGRAMA SIMPLIFICADO PARA O CLCULO DA TENSO

A TERRA .........................................................................................33 FIGURA 9 - REPRESENTAO DE UM TRANSFORMADOR ATRAVS

DE ELEMENTOS DISCRETOS .......................................................35 FIGURA 10 - REPRESENTAO DO ENROLAMENTO DO

TRANSFORMADOR NOS INSTANTES INICIAIS DA SOBRETENSO TRANSITRIA.....................................................36

FIGURA 11 - DISTRIBUIO DE TENSO NO ENROLAMENTO .......................37 FIGURA 12 - ENROLAMENTO EM DISCO CONTNUO (a) E

ENTRELAADO (b).........................................................................38 FIGURA 13 - DISTRIBUIO DE TENSO INDUZIDA NO ENROLAMENTO .....45 FIGURA 14 - LABORATRIO DE ALTA TENSO E CIRCUITO DE ENSAIO......52 FIGURA 15 - GERADOR DE IMPULSO DE MARX...............................................53 FIGURA 16 - FORMAS DE ONDA PADRONIZADAS PARA IMPULSO

ATMOSFRICO...............................................................................56 FIGURA 17 - FORMA DE ONDA PARA ENSAIO DE IMPULSO

ATMOSFRICO...............................................................................57 FIGURA 18 - MEDIO DA FUNO TRANSFERNCIA DE TENSO (a) E

MEDIO DA FUNO TRANSFERNCIA ADMITNCIA(b)........60 FIGURA 19 - DISPOSITIVO DE ENSAIO VFT ......................................................65

FIGURA 20 - DIAGRAMA DO ENSAIO VFT.........................................................67 FIGURA 21 - DETALHE DO GAP DE ESFERAS ..................................................68 FIGURA 22 - TRANSFORMADOR COM 04 TERMINAIS......................................69 FIGURA 23 - TRANSFORMADOR COM 04 TERMINAIS MEDIO YH1H1 .......70 FIGURA 24 - ESPECTRO DE FREQUNCIA ANTES DO ENSAIO DE VFT

(H1HO-X1X2 CURTO - LINHA AZUL; H1HO-X1X2 ABERTO - LINHA VERMELHA).........................................................................75

FIGURA 25 - ENSAIO VFT- TENSO DE PICO -709,478 KV...............................76 FIGURA 26 - ENSAIO VFT- TENSO DE PICO - 954,801 KV..............................76 FIGURA 27 - ENSAIO VFT- TENSO DE PICO -1169 KV....................................77 FIGURA 28 - ENSAIO IMPULSO PLENO REDUZIDO TENSO DE PICO -

859,548 KV ......................................................................................79 FIGURA 29 - ENSAIO IMPULSO PLENO REDUZIDO - CORRENTE...................79 FIGURA 30 - ENSAIO IMPULSO PLENO TENSO DE PICO 1421 KV...............80 FIGURA 31 - ENSAIO IMPULSO PLENO - CORRENTE .....................................80 FIGURA 32 - ENSAIO IMPULSO CORTADO REDUZIDO TENSO DE PICO

- 943,220 KV ....................................................................................81 FIGURA 33 - ENSAIO IMPULSO CORTADO REDUZIDO - CORRENTE.............81 FIGURA 34 - 1 ENSAIO IMPULSO CORTADO PLENO TENSO DE PICO -

1559 KV ...........................................................................................82 FIGURA 35 - 1 ENSAIO IMPULSO CORTADO PLENO -1559 KV

CORRENTE.....................................................................................82 FIGURA 36 - 2 ENSAIO IMPULSO CORTADO PLENO TENSO DE PICO -

1558 KV ...........................................................................................83 FIGURA 37 - 2 ENSAIO IMPULSO CORTADO PLENO -CORRENTE ................83 FIGURA 38 - 1 ENSAIO IMPULSO PLENO TENSO DE PICO -1420 KV..........84 FIGURA 39 - 1 ENSAIO IMPULSO PLENO - CORRENTE..................................84 FIGURA 40 - 2 ENSAIO IMPULSO PLENO TENSO DE PICO 1420 KV ...........85 FIGURA 41 - 2 ENSAIO IMPULSO PLENO - CORRENTE..................................85 FIGURA 42 - IMPULSO COM CORTE GAP SF6 ..................................................87 FIGURA 43 - IMPULSO COM CORTE GAP AR....................................................88 FIGURA 44 - ESPECTRO DE FREQUNCIA ANTES (a) E APS O ENSAIO

DE VFT (b)(H1HO-X1X2 CURTO LINHA AZUL; H1HO-X1X2 ABERTO LINHA VERMELHA).........................................................89

LISTA DE QUADROS

QUADRO 1 - CLASSIFICAO DAS SOBRETENSES......................................28

LISTA DE TABELAS

TABELA 1 - TRANSFORMADORES DE POTNCIA INSPECIONADOS .............16 TABELA 2 - ESTRATIFICAO POR MODOS DE FALHAS ...............................16 TABELA 3 - NVEIS DE ISOLAMENTO 1 KV < VMAX 245KV ...........................41 TABELA 4 - NVEIS DE ISOLAMENTO VMAX > 245KV.......................................42 TABELA 5 - NVEIS DE ISOLAMENTO PARA TENSES MXIMA DO

EQUIPAMENTO 245KV..................................................................47 TABELA 6 - NVEIS DE ISOLAMENTO PARA TENSES MXIMA DO

EQUIPAMENTO 362KV..................................................................47 TABELA 7 - NVEIS DE ISOLAMENTO RECOMENDADOS PELA NBR 5336 .....59 TABELA 8 - VALORES MEDIDOS E CALCULADOS DE TEMPO DE

FRENTE DE ONDA ...........................................................................77 TABELA 9 - RESULTADOS DOS ENSAIOS DE IMPULSO ..................................86 TABELA 10 - RESULTADOS DOS ENSAIOS DE IMPULSO CORTADO AR E

SF6 .....................................................................................................88

LISTA DE ABREVIATURAS

ABNT - Associao Brasileira de Normas Tcnicas AIEE - American Institute of Electrical Engineers ANS I - American National Standards Institute AT - Alta tenso BT - Baixa tenso CIGRE - Conseil International ds Grands Rseaux Electriques COPEL - Companhia Paranaense de Energia EEI - Electrical and Electronic Institute ELETROSUL - Centrais Eltricas do Sul do Brasil GCOI - Grupo Coordenador de Operao Interligada IEC - International Electrotechnical Commission IEEE - The Institute of Electrical and Electronics Engineers IEP - Instituto de Engenharia do Paran LACTEC - Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento MVA - Mega Volt Ampere NBR - Norma Brasileira NEMA - National Electrical Manufactures Association SE - Subestao SEP - Sistema Eltrico de Potncia SF6 - Hexafluoreto de enxofre SIG - Subestao isolada a gs SIN - Sistema Interligado Nacional UHE GBM - Usina Hidreltrica Governador Bento Munhoz da Rocha Netto V - Volt VFT - Very fast transients

SUMRIO

1 INTRODUO .......................................................................................................14 1.1 JUSTIFICATIVA DO ESTUDO............................................................................17 1.2 OBJETIVOS ........................................................................................................21 1.2.1 Objetivo Geral ..................................................................................................21 1.2.2 Objetivos Especficos .......................................................................................21 1.3 ESTRUTURA DA DISSERTAO......................................................................22 2 FUNDAMENTAO TERICA.............................................................................23 2.1 SOBRETENSES ORIGINADAS POR CHAVEAMENTOS EM SIGs ................23 2.2 SOBRETENSES E ENSAIOS NORMALIZADOS.............................................27 2.3 FORMAS NORMALIZADAS DE TENSO ..........................................................29 2.4 FENMENOS TRANSITRIOS DE FRENTE MUITO RPIDA .........................30 2.5 ENROLAMENTOS DOS TRANSFORMADORES SUBMETIDOS A FENMENOS TRANSITRIOS. ..............................................................................34 2.6 NVEIS DE ISOLAMENTO NORMALIZADOS.....................................................39 2.7 ENSAIOS ............................................................................................................43 2.7.1 Ensaios de rotina NBR 5361/1193 ................................................................43 2.7.2 Ensaios de tipo NBR 5356/1993 ...................................................................48 2.7.3 Ensaios especiais NBR 5356/1193 ................................................................48 2.7.4 Ensaios de rotina NBR 5356/2007 ................................................................49 2.7.5 Ensaios de tipo NBR 5356/2007 ...................................................................50 2.7.6 Ensaios especiais NBR 5356/2007 ...............................................................50 2.8 ENSAIOS DIELTRICOS....................................................................................51 2.8.1 Gerador de Impulso..........................................................................................52 2.8.2 Objeto sob ensaio ............................................................................................53 2.8.3 Circuito de medio da tenso .........................................................................54 2.8.4 Circuito de corte ...............................................................................................54 2.8.5 Tenso suportvel nominal de impulso de manobra ........................................54 2.8.6 Tenso suportvel nominal de impulso atmosfrico.........................................55 2.9 RESPOSTA EM FREQUNCIA E MATRIZ ADMITNCIA .................................60 2.10 CONSIDERAES FINAIS DO CAPTULO......................................................63 3 DESENVOLVIMENTO EXPERIMENTAL ..............................................................64

3.1 RELAO E SEQUNCIA DOS ENSAIOS ........................................................64 3.2 ENSAIO DE IMPULSO VFT................................................................................64 3.2.1 Desenvolvimento do ensaio VFT......................................................................67 3.3 ENSAIO DE ESPECTRO DE FREQUNCIA E DA MATRIZ ADMITNCIA .......68 3.3.1 Determinao da matriz admitncia para um transformador de quatro terminais....................................................................................................................69 3.3.2 Desenvolvimento dos ensaios para a determinao da matriz admitncia. .....70 3.4 CARACTERSTICAS TCNICAS DOS EQUIPAMENTOS ENSAIADOS ...........71 3.5 INSTRUMENTOS E EQUIPAMENTOS UTILIZADOS NOS ENSAIOS...............71 3.6 CONSIDERAES FINAIS DO CAPTULO........................................................72 4 DISCUSSO E ANLISE DOS RESULTADOS....................................................73 4.1 ENSAIO ESPECTRO DE FREQUNCIA ANTES DOS ENSAIOS DIELTRICOS ..........................................................................................................74 4.2 ENSAIOS DIELTRICOS....................................................................................75 4.2.1 Ensaios de impulso - VFT ................................................................................75 4.2.2 Ensaios de impulso padronizados....................................................................78 4.3 ENSAIO DE ESPECTRO DE FREQUNCIA APS ENSAIOS DIELTRICOS E A MATRIZ ADMITNCIA ..............................................................89 4.4 CONSIDERAES FINAIS DO CAPTULO........................................................90 5 CONCLUSO ........................................................................................................91 REFERNCIAS.........................................................................................................93 ANEXO - RESPOSTA EM FREQUNCIA - GRFICOS DAS ADMITNCIAS Y....97

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1 INTRODUO

O Sistema Eltrico de Potncia - SEP brasileiro, com tamanho e caractersticas que permitem consider-lo nico em mbito mundial, formado pelos sistemas de produo, de transmisso e distribuio de energia. um sistema hidrotrmico de grande porte, com forte predominncia de usinas hidreltricas e com mltiplos proprietrios. O Sistema Interligado Nacional - SIN formado pelas empresas das regies Sul, Sudeste, Centro-Oeste, Nordeste e parte da regio Norte. Apenas 3,4% da capacidade de produo de eletricidade do pas encontram-se fora do SIN, em pequenos sistemas isolados localizados principalmente na regio amaznica. Na Figura 1, mostra-se parte do SEP, destacando-se em linhas vermelhas, o sistema de transmisso de 525 kV do Paran, onde ocorrncias envolvendo transformadores de potncia sero objeto de estudo de caso do presente trabalho de dissertao.

FIGURA 1 - SISTEMA ELTRICO POTNCIA DO ESTADO DO PARAN, EM VERMELHO, SISTEMA DE TRANSMISSO EM 525 KV

FONTE: ONS [1]

Dentre inmeros equipamentos que compem o SIN, geradores, transformadores, reatores, compensadores, disjuntores, secionadores, destacam-se

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os transformadores de potncia que so elementos essenciais e de grande valor do sistema de gerao, transmisso e distribuio de energia. Uma falha em um transformador de uma usina ou subestao pode resultar na interrupo do fornecimento de energia, com penalidades e elevados custos com a manuteno ou substituio do equipamento. Os transformadores de potncia, portanto, so equipamentos essenciais no sistema eltrico de potncia, alterando os nveis de tenso para interligar os sistemas de gerao, transmisso e distribuio de energia eltrica. Na pesquisa realizada por Bechara [2], foram relacionados e descritos os principais modos de falha, normalmente verificados em transformadores, pesquisa elaborada a partir de percias realizadas entre os anos de 2.000 e 2.008 para companhias seguradoras. A anlise de falhas elaborada pelo autor do estudo foi realizada em cerca de uma centena de transformadores com diferentes tipos de aplicaes, classes de tenso e nveis de potncia. Os transformadores de potncia destacam-se entre os componentes de maior porte e valor em subestaes e usinas. A ocorrncia de uma falha nesse tipo de equipamento resulta em transtornos operacionais e financeiros significativos, uma vez que, nem sempre se dispe de equipamento reserva, o custo de aquisio ou de reparo elevado, principalmente para os equipamentos instalados em unidades distantes dos centros de produo. Como so equipamentos produzidos especificamente para uma determinada instalao, o tempo de fabricao e transporte longo, podendo para equipamentos de grande porte levar de nove a doze meses. Assim, no sentido de aumentar a confiabilidade dos transformadores, alm de critrios rigorosos de manuteno e operao, seria muito importante que os mantenedores conhecessem os tipos e as causas dos principais modos de falhas que podem ocorrer com esses equipamentos, na tentativa de bloque-las. No SEP h diferentes tipos de transformadores, que possuem caractersticas especficas quanto classe de tenso, nvel de potncia e utilizao (elevadores, transmisso e subtransmisso). So formados por buchas de alta e baixa tenso, radiadores ou trocadores de calor, tanque principal, tanque de expanso, painis de controle e outros dispositivos, so equipamentos complexos, que dependem da interao de diversos componentes para o seu perfeito funcionamento. Internamente so constitudos de enrolamentos montados em um ncleo ferromagntico, alm de comutadores que podem ser do tipo a vazio, sob carga ou ambos.

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Os ltimos estudos sobre taxas de falhas de transformadores de potncia datam de 1983 [3], para o caso especfico do Brasil, os dados so da dcada de 80, do extinto Grupo Coordenao de Operao Interligada GCOI [4]. Para atualizar e garantir maior confiabilidade aos dados de taxas de falhas encontra-se em andamento uma nova pesquisa mundial, incluindo o Brasil, cujo trabalho est sob coordenao do Grupo A2 Transformadores, subgrupo Confiabilidade, do Comit Nacional Brasileiro de Produo e Transmisso de Energia Eltrica - CIGRE. Portanto, os dados de falhas apresentados a seguir foram extrados das pesquisas anteriores. O valor mundial da taxa anual mdia de falhas de transformadores de at 500kV de aproximadamente 2.5%, enquanto que para tenses superiores a 500 kV aproxima-se de 7% [3]. Em subestaes isoladas a gs SF6 - SIG, de 500 kV, ocorreram nos ltimos 15 anos mais de uma dezena de falhas dieltricas em uma populao observada de 87 transformadores de diferentes fabricantes e tecnologias. No Brasil, a taxa anual mdia de falhas da ordem de 3.5% para transformadores de at 500 kV [4]. Algumas destas falhas levaram ao colapso total dos equipamentos. Nas Tabelas 1 e 2 esto relacionadas as principais caractersticas dos equipamentos e os modos de falhas para cada tipo:

TABELA 1 - TRANSFORMADORES DE POTNCIA INSPECIONADOS Tipo Classe de tenso Potncia Nmero de

unidades Elevador 69,138,230,345,440 e 550 kV At 418,5 MVA 22

Transmisso 230,345,440,550 e 765 kV At 550 MVA 20 Subtransmisso 69,88,138 kV At 60 MVA 45

FONTE: BECHARA [2]

TABELA 2 - ESTRATIFICAO POR MODOS DE FALHAS Componentes Sobretenses Transitrias Falha

Tipos

Defeito de

fabri-cao

Curto-circuito externo

Envelhe-cimento Comuta-

dor Bu-

chas VFT Decarga Atmosf.

Manutenes

inade-quadas

Enxofre corrosivo

Defeito aps

reparo

Elevadores 2 - 4 - 4 6 1 - 2 3 Transmisso 4 6 - 3 4 - - - - 3 Subtransmis-

so 1 16 7 8 1 4 1 3 - 4 Total Modo

Falha 7 22 11 11 9 10 2 3 2 10

FONTE: BECHARA [2]

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Do universo de transformadores analisados, citados nas Tabelas 1 e 2, o interesse do autor desta dissertao se concentrou nos equipamentos de grande porte, especificamente, os transformadores elevadores, cujos modos de falhas esto circunscritos aos fenmenos transitrios. Para o caso do modo de falha buchas, as falhas poderiam estar associadas s manobras Very Fast Transients - VFT, se a anlise fosse mais apurada. Devido quantidade de falhas, aos valores investidos, a idade mdia dos transformadores de potncia instalados, s solicitaes transitrias em operao a que esto submetidos (carregamento, sobrecargas e chaveamentos), a acentuada e necessria interligao dos sistemas, o rigor da legislao vigente em caso de falhas desses equipamentos e a descontinuidade de partes do sistema, obrigatrio estabelecer um processo de anlise de desempenho dos equipamentos de transformao e acompanhamento confiveis de maneira que se permita evitar ou minimizar as interrupes no previstas, evitando-se desta forma multas impostas pelo rgos reguladores. No entanto, quanto antecipao de falhas, as tcnicas atuais utilizadas pelas empresas atendem parcialmente, pois para fenmenos transitrios h muito a se explorar na rea. Por exemplo, a anlise de desempenho de equipamentos eltricos submetidos s sobretenses transitrias produzidas pelos chaveamentos das SIG, merece um melhor entendimento, considerando que as normas atuais de fabricao destes ativos de transformao no prevem tais fenmenos. Segundo Mendes [5], a quantidade de falhas recentes em transformadores e suas consequncias so alarmantes. As perdas econmicas, os riscos e a falta de confiabilidades decorrentes so inaceitveis. Vrios modos de falhas dieltricas de transformadores esto associados a transitrios eletromagnticos no convencionais.

1.1 JUSTIFICATIVA DO ESTUDO

A motivao para o desenvolvimento deste trabalho decorre das constataes anteriores e em mbito mais restrito, falhas com transformadores de grande porte na empresa Copel Gerao e Transmisso S.A COPEL GeT, por causas inicialmente desconhecidas. A referida empresa possui em torno de 110

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transformadores elevadores instalados em Grandes e Pequenas Centrais Hidreltricas. Todos esses equipamentos so acompanhados e avaliados periodicamente sob a mesma tcnica de manuteno, inclusive adota-se a filosofia de Manuteno Centrada na Confiabilidade para anlise de desempenho dos seus ativos, conforme citado por Soares [6]. A Usina Hidreltrica Governador Bento Munhoz da Rocha Netto UHE GBM, situada no municpio de Pinho, estado do Paran, possui 04 unidades geradoras com potncia nominal de 465 MVA cada, gera com a tenso de 16,5 kV e, atravs de bancos de transformadores monofsicos de 155 MVA eleva a tenso para 525 kV. No lado de alta tenso h uma bucha tipo leo/SF6 que conecta o transformador a uma subestao isolada a gs SF6 em 525 kV. Os transformadores monofsicos so conectados em Tringulo na baixa tenso - BT e em Estrela aterrada na alta tenso - AT, com derivaes a serem operados sem carga, para as tenses de 500; 512,5; 525; 537,5 e 550 kV. A subestao isolada a gs SF6 em 525 kV, atravs de duas linhas transmisso, de aproximadamente 13 km de comprimento, so isoladas para operar at 525 kV, conecta a usina SE Areia, das Centrais Eltricas do Sul do Brasil - ELETROSUL, parte integrante da rede bsica. Em 28 de novembro de 2007 ocorreu atuao das protees devido falha no transformador da fase C retirando a mquina de operao. Este equipamento foi imediatamente substitudo pelo transformador reserva. Em 2 de dezembro de 2007, aps 4 dias, nova falha envolveu o transformador da fase C, da unidade 4 (4C). Por falta de transformador elevador reserva, a unidade 4 permaneceu indisponvel. A partir desse sinistro, passou-se a monitorar de periodicidade semestral para quinzenal, o teor de gases dissolvidos no leo mineral isolante de todos os transformadores elevadores da usina. Em 15 de fevereiro de 2008, nova ocorrncia com a fase C, da unidade 3 (3C). Atravs da cromatografia gasosa, constatou-se a presena dos gases hidrognio, etileno e acetileno em nveis preocupantes. Esse equipamento foi substitudo, pelo transformador da fase B, da unidade 4, que estava fora de operao devido ocorrncia com a fase C, relatada no pargrafo anterior. A partir dessa ocorrncia alterou-se a periodicidade de coleta de leo mineral para investigao do teor de gases dissolvidos no leo, de quinzenal para semanal.

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Os transformadores elevadores 1C e 3C estavam em operao h 27 e 28 anos, respectivamente, e o transformador elevador 4C em operao h 13 anos (desde 1995, pois anteriormente era a unidade reserva da usina). Na inspeo, durante a desmontagem do transformador 1C, foi verificado que o defeito ocorreu no enrolamento de baixa tenso BT, prximo chegada do cabo de alta tenso AT, proveniente da bucha (mais ou menos meia altura do enrolamento, regio cujo entrelaamento das espiras duplo). Na inspeo, durante a desmontagem do transformador 4C, foi verificado que o defeito atingiu tanto os enrolamentos de baixa tenso - BT quanto o de alta tenso - AT. Tambm houve quebra das buchas de baixa tenso BT e o tanque foi submetido a nveis de presses internas, suficientes para a deformao lateral do mesma. O mecanismo da falha foi semelhante ao do transformador 1C, porm , com maior intensidade. Na inspeo, durante a desmontagem do transformador 3C, foi verificado que o defeito ocorreu no enrolamento de baixa tenso BT, prximo chegada do cabo de alta tenso AT, proveniente da bucha (mais ou menos meia altura do enrolamento), regio cujo entrelaamento das espiras duplo, como mostrado na Figura 2.

FIGURA 2 - FALHA CARACTERSTICA NO ENROLAMENTO DE AT

Ressalta-se que, no momento das falhas desses transformadores o sistema eltrico da rea de influncia eltrica da usina encontrava-se com sua configurao completa e em condies normais de operao. Tambm, no instante das

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ocorrncias, no houve o registro de qualquer perturbao eltrica sistmica ou mesmo de manobras de equipamentos nas proximidades. O desafio para os envolvidos com o problema, na ocasio, era compreender por qual razo equipamentos que atravs das ferramentas clssicas de anlise de desempenho utilizadas nas empresas nacionais e internacionais do setor eltrico, os quais indicavam condies operacionais satisfatrias, por conseguinte, no apresentavam qualquer indcio de falha potencial, inexplicavelmente comearam a falhar. Aps as investigaes realizadas sobre as falhas ocorridas com os trs transformadores elevadores da UHE GBM, foi atribuda como causa fundamental, sobretenses transitrias. Os equipamentos foram solicitados acima da suportabilidade dieltrica original, portanto, falharam por no suportarem sobretenses transitrias de frente muito rpida de forma cumulativa. A empresa no se antecipou s falhas, como j citado anteriormente, uma vez que as tcnicas de acompanhamento utilizadas no so adequadas na preveno de falhas dessa natureza e caracterstica. Com objetivo de reduzir exposio s penalidades do sistema, devido indisponibilidade, caso novas falhas viessem a ocorrer, foi definido, adquirir equipamentos novos. Na especificao tcnica dos novos transformadores elevadores adquiridos como reserva, seria obrigatrio incluir ensaios especiais para se verificar a suportabilidade dieltrica sobretenses transitrias de frente muito rpida geradas por chaveamentos. Como no h padres definidos para tais ensaios, a partir de uma experincia realizada com buchas, de propsito similar, definiram-se os parmetros para os ensaios. A adoo da metodologia proposta ser discutida e analisada neste trabalho de dissertao. cada vez maior a aplicao de SIGs a serem instaladas no SEP Brasileiro, devido s vantagens com relao utilizao de menores reas e manuteno reduzida, todavia, os transformadores de potncia dessas novas instalaes estaro submetidos s solicitaes transitrias impostas pelos chaveamentos, e a definio de novos padres de ensaios dieltricos ser necessria. Outro fator motivador para a realizao deste trabalho o interesse das entidades do setor com o assunto relacionado ao tema proposto, evidenciado pelas apresentaes realizadas pelo autor desta dissertao em eventos nacionais e internacional, conforme descrito abaixo:

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Artigo tcnico: Anlise das falhas ocorridas com os transformadores elevadores da UHE GBM Usina Hidreltrica Governador Bento Munhoz da Rocha, XX SNPTEE, Recife - PE, 2009, vide SOARES [6];

Contribuio tcnica: As experincias na aquisio de novos transformadores elevadores, 525 kV, incluindo-se na especificao tcnica ensaios dieltricos no padronizados com o objetivo de avaliar a suportabilidade frente s sobretenses transitrias muito rpidas, 43 Seo Bienal Cigre, Paris, Frana, 2010;

Apresentao tcnica: Ensaios dieltricos de alta tenso no padronizados, aplicados nos novos transformadores elevadores reserva para a UHE GBM Usina Hidreltrica Governador Bento Munhoz da Rocha, VIII ETOM, Foz do Iguau-PR, 2010;

Apresentao tcnica: Ensaios dieltricos de alta tenso no padronizados, aplicados nos novos transformadores elevadores reserva para a UHE GBM Usina Hidreltrica Governador Bento Munhoz da Rocha, ABRAMAM, Curitiba-PR, 2010.

1.2 OBJETIVOS

1.2.1 Objetivo Geral

Avaliar a eficcia e suficincia dos ensaios dieltricos padronizados especificados para verificao da suportabilidade de transformadores elevadores sobretenses de frente muito rpida.

1.2.2 Objetivos Especficos

Entender o impacto produzido pelos ensaios dieltricos nos enrolamentos dos transformadores elevadores;

Propor uma alternativa de especificao de ensaios dieltricos para aquisio de transformadores elevadores.

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1.3 ESTRUTURA DA DISSERTAO

Este trabalho est estruturado em cinco captulos, referncias e um anexo. No captulo de INTRODUO, esto abordadas as falhas relacionadas com os transformadores de potncia, o interesse do autor pelo tema, demonstrado na justificativa do estudo e nos objetivos do trabalho. No captulo da FUNDAMENTAO TERICA, esto apresentados os conceitos de sobretenses e as definies de ensaios, que serviro de embasamento para o desenvolvimento e da proposta experimental. No captulo DESENVOLVIMENTO EXPERIMENTAL, descrito como foram realizados os ensaios propostos. No captulo RESULTADOS E DISCUSSO, esto discutidos e analisados os resultados dos ensaios realizados, conforme desenvolvimento mencionado no captulo anterior. No captulo CONCLUSO, esto apresentadas as concluses, as recomendaes e as sugestes para trabalhos futuros. Nas REFERNCIAS, est indicada a bibliografia consultada, para a fundamentao e embasamento deste trabalho de dissertao. No ANEXO, esto indicados todos os diagramas de amplitude e fase das funes de transferncia para a determinao da matriz de admitncia.

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2 FUNDAMENTAO TERICA

As sobretenses, que tantos prejuzos trazem ao isolamento dos equipamentos do SEP, podem ter origem em descargas atmosfricas, chaveamento de sistemas de transmisso e distribuio e nos defeitos monopolares. As sobretenses originadas por chaveamento, ao contrrio das sobretenses ocasionadas por descargas atmosfricas , consideradas de origem externa, surgem quando efetuada: a interrupo de um circuito submetido a correntes muito elevadas, como a de curto-circuito; a interrupo de correntes capacitivas, tais como as de linhas de transmisso operando em vazio, ou de banco de capacitores; a interrupo de pequenas correntes indutivas, como as de reatores e transformadores energizados em vazio. Estas sobretenses so consideradas de origem interna ao sistema.

2.1 SOBRETENSES ORIGINADAS POR CHAVEAMENTOS EM SIGs

H 38 anos, McNutt [7], preocupado com o avano da utilizao das SIGs, demonstrava claramente vrias preocupaes com relao aos projetos dos transformadores, sugerindo o reexame de todo o assunto relacionado resposta do transformador submetido aos transientes do sistema, e a reflexo sobre as seguintes questes:

a) As ondas padres dos transientes utilizadas na definio dos ensaios representam adequadamente todas as formas de transientes de tenso dos sistemas?

b) Ser que os transformadores no estariam desenvolvendo tenses internas preocupantes para determinadas formas de onda?

c) Como se avaliam os efeitos da ressonncia interna nos enrolamentos do transformador?

Boggs [8] demonstrou grande preocupao com as sobretenses, informando que esses transientes provavelmente se tornaro um fator crtico no dimensionamento dos sistemas de Extra Alta Tenso. A operao com secionadores

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geram transientes responsveis por uma razovel quantidade de falhas no Canad e vem se tornando um item de interesse para fabricantes e empresas de energia eltrica. A operao de secionadores com carga capacitiva, como resultado do alto campo eltrico e a baixa impedncia de fonte, o colapso de tenso atravs dos contatos ocorre aproximadamente em 3 a 5 ns e o arco atravs dos contatos se mantm por 10 a 100 s, com as oscilaes ocorrendo nas instalaes. No trabalho de pesquisa de Osmokrovic [9] mencionado que, para as tenses de SIG superiores a 300 kV, as falhas causadas por fenmenos eletromagnticos transitrios comeam a aparecer e trazem preocupaes. Esses transitrios eletromagnticos so causados por desconexes na SIG, processo caracterizado por numerosos reacendimentos do arco, entre os contatos do disjuntor. A caracterstica da frequncia e a amplitude destas ondas so dominantes no intervalo de algumas dezenas de megahertz e harmnicos de pequena amplitude da ordem de algumas centenas de megahertz, podero levar a ruptura eltrica na instalao. Por causa de tais fenmenos, os fabricantes e usurios de subestaes isoladas a gs intensificaram a pesquisa terica e experimental de transientes muito rpidos. A pesquisa experimental, associada aos fenmenos transitrios de frente muito rpida, requer instrumentos de medio adequados. Bo [10], atravs de medies, afirma que tenses transitrias de frente muita rpidas so causadas pela operao das chaves das SIGs, seu nvel de sobretenso da ordem de 2.0 pu, sua frequncia equivalente e gradiente so muito elevados. O gradiente mximo atinge 73,7 MV por s e no final do enrolamento do transformador pode chegar 488 kV por s. O comportamento dos enrolamentos do transformador semelhante ao ser submetido a uma onda cortada, e a distribuio da tenso ao longo do enrolamento assemelha-se a uma distribuio exponencial. Esse tipo de sobretenso abundante de elementos harmnicos, as quais provocam ressonncia nos enrolamentos. Cumulativamente, todos iro contribuir para o colapso final dos enrolamentos do transformador. Em experincias realizados por Bo [10] , com operao de chaves em SIG, 500 kV, foram comprovadas as tenses transitrias de frente muita rpidas, e concludo que as tenses de fase atingem valores da ordem de 1,23 pu. Em 2008, aps algumas falhas com transformadores elevadores da UHE GBM, a COPEL em com conjunto com o LACTEC, procedeu inmeras investigaes

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[11], dentre elas, destaca-se para efeito deste estudo, as medies de transferncia de surto, situao que os transientes so particularmente severos quando existe a manobra de chaves seccionadoras com tenso em um dos lados da chave e carga residual no outro lado. Para as investigaes foram realizadas inmeras manobras sem tenso ou em equipotencial, por restrio operativa, levando-se a resultados aqum do mximo possvel. Os sistemas de medio disponveis para a realizao dos ensaios so considerados muito lentos para medirem com preciso esses fenmenos, portanto, para a avaliao do resultado apresentado na Figura 3, devem ser levadas em considerao as limitaes mencionadas.

FIGURA 3 - SURTOS MEDIDOS NO PRIMRIO E SECUNDRIO DO TRANSFORMADOR ELEVADOR APS O FECHAMENTO DA CHAVE 89 G (Figura 4)

A chave 89G, mostrada na Figura 4, foi fechada com as unidades geradoras desligadas, apenas com tenso e carga do lado do sistema. No entanto, com essa operao, produziu-se sobretenses de 13,2 kV no lado de alta tenso do transformador elevador com frequncias de at 10 MHz, conforme apresentado na Figura 3.

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Gerador

Linha

Barra A

Barra B

89 G

FIGURA 4 - DIAGRAMA UNIFILAR SIMPLIFICADO 1 VO DA SIG

Mesmo levando-se em considerao as deficincias dos sistemas de medio e as condies mencionadas, pode-se afirmar que as manobras de chaves seccionadoras produziram transientes rpidos significativos, com durao das tenses transitrias da ordem de 3 a 4 s e oscilaes da ordem de 6 a 10 MHz, e que podem se transferir para a baixa tenso do transformador elevador mostrado no diagrama unifilar simplificado da Figura 4.

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2.2 SOBRETENSES E ENSAIOS NORMALIZADOS

A norma brasileira de coordenao do isolamento, NBR 6939/2000 [12], define sobretenso como qualquer tenso entre fase e terra, ou entre fases, cujo valor de crista excede o valor de crista deduzido da tenso mxima do equipamento

(Um 2 / 3 ou Um 2 , respectivamente). De acordo com a forma, o grau de amortecimento e a durao, tenses e sobretenses so divididas nas seguintes classes:

Tenso contnua de frequncia fundamental: tenso e frequncia fundamental, considerada como tendo valor eficaz constante, continuamente aplicada a qualquer par de terminais de uma configurao de isolao (vide 2 coluna, Quadro 1);

Sobretenso temporria: sobretenso de frequncia fundamental de durao relativamente longa. A sobretenso pode ser no amortecida ou fracamente amortecida. Em alguns casos, sua frequncia pode ser vrias vezes menores ou maior do que a frequncia fundamental (vide 3 coluna, Quadro 1);

Sobretenso transitria: sobretenso de curta durao tipicamente de alguns milissegundos ou menos -, oscilatria ou no oscilatria e usualmente fortemente amortecida. Sobretenses transitrias podem ser seguidas imediatamente por sobretenses temporrias. Em tais casos as duas sobretenses so consideradas eventos separados (vide 3, 4 e 5 colunas, do Quadro 1).

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Baixa frequncia Transitrio Classe

Contnua Temporria Frente lenta Frente rpida Frente muito rpida

Forma de tenso

Faixas de formas de

tenso

f=50 Hz ou 60 Hz Tf 3600s

10 Hz0,1 s T2 300s

100ns Tf> 3ns 0,3MHz

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temporria, dependendo do grau de amortecimento das cristas sucessivas;

Surto atmosfrico transferido atravs de um transformador pode produzir, no lado secundrio, ondas de curta durao similar aquelas devidas operao de manobra;

Reignio atravs dos espaamentos dieltricos de equipamentos de manobra pode dar origem sobretenses com taxas de crescimento elevadas, similares aquelas devidas s descargas atmosfricas;

Sobretenses decorrentes da energizao de transformadores por meio de disjuntores, da manobra de chaves secionadoras no interior da subestao ou da aplicao de curtos-circuitos nas linhas de transmisso, nas proximidades da mesma subestao, normalmente so estudadas como sobretenses transitrias de frente lenta. Entretanto, as componentes de altas frequncias geradas nos primeiros instantes, logo aps as referidas manobras, podem ser analisadas como aquelas de frente muito rpida.

2.3 FORMAS NORMALIZADAS DE TENSO

As formas de tenso normalizadas, indicadas na quarta linha do Quadro 1, serviro de orientao aos fabricantes para a realizao dos ensaios de rotina e de tipo, indicados na quinta linha do Quadro 1. Assim, tm-se as seguintes consideraes e particularidades solicitadas pelos clientes nas especificaes tcnicas para aquisio de transformadores elevadores:

Ensaio de tenso de frequncia fundamental de curta durao normalizada (sobretenses temporria): tenso senoidal com frequncia entre 48 Hz e 62 Hz e durao de 60 s;

Ensaio de impulso de manobra normalizado (frente lenta): impulso de tenso tendo tempo at a crista de 250 s e um tempo at o meio valor de 2500 s;

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Ensaio de impulso atmosfrico normalizado (frente rpida): impulso de tenso tendo tempo de frente de 1,2 s e um tempo at o meio valor de 50 s.

Observa-se na segunda e na terceira linha do Quadro 1, a caracterizao das sobretenses de frente muito rpida, no entanto, ainda no est definida uma forma de tenso normalizada e tampouco o ensaio para testar a suportabilidade da isolao para sobretenses de frente muito rpida, o que pode remeter a concluso de que todos os equipamentos adquiridos para operarem acoplados s SIGs, no foram testados visando a suportabilidade dos surtos proveniente dos chaveamentos, citadas no Captulo 1 deste trabalho, salvo se em contrrio foram especificados pelos clientes durante o processo de aquisio dos equipamentos. A indstria de transformadores utiliza, para a anlise da resposta transitria e projeto da isolao de enrolamentos, tcnicas avanadas de modelamento matemtico e de resoluo atravs de mtodos adequados em computador. Todavia a validade dos modelos convencionais est limitada frequncias de at algumas centenas de kHz. Em consequncia, o desempenho do equipamento correspondente quando em operao, pode ser comprometido quando submetido sobretenses transitrias de frente muito rpidas, que podem atingir frequncias at 100 MHz.

2.4 FENMENOS TRANSITRIOS DE FRENTE MUITO RPIDA

Segundo Rocha [13], as sobretenses de frente muito rpida aparecem no interior das instalaes do sistema eltrico de potncia, onde esto instalados os equipamentos, quando ocorre uma mudana instantnea, ou brusca, da tenso normal de operao. Essa mudana brusca da tenso, no interior ou nas proximidades das subestaes, pode ocorrer como resultado da abertura ou fechamento de chaves secionadoras, do fechamento de disjuntores ou da aplicao de um curto-circuito monofsico nas linhas de transmisso nas proximidades. Ao se efetuar uma manobra de abertura de uma chave secionadora, para desconectar um trecho de circuito/barramento, a partir do momento em que ocorre a separao eltrica dos contatos, vide Figura 5, o lado que fica em vazio mantm a

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tenso U2 do sistema e decair lentamente. Enquanto isso no lado ligado ao sistema, a tenso U1 continua a variar conforme a frequncia da fonte. Como a velocidade de operao dos contatos pequena, a diferena de potencial U1 - U2 entre os mesmos acaba por superar a rigidez dieltrica do meio provocando um reacendimento do arco eltrico. O meio isolante entre os contatos da chave secionadora (ar, SF6, etc.) tenta extinguir a corrente antes que a separao mecnica entre os contatos seja suficiente para uma completa interrupo. Isto ocorre sucessivas vezes at que a distncia entre contatos seja suficientemente grande para que no ocorram mais reacendimentos.

L1

C1

U1 U2

C2

Chave

L1 Indutncia que alimenta o circuitoC1 Capacitncia que alimenta o circuitoC2 Capacitncia do lado circuito aberto

FIGURA 5 - MANOBRA DE CHAVE EM UM TRECHO DE CIRCUITO/BARRAMENTO

No fechamento de uma chave secionadora acontece um movimento contrrio do descrito acima. Enquanto seus contatos se aproximam, o campo eltrico entre eles aumenta, at que uma descarga eltrica acontea. Em geral, a primeira descarga eltrica entre os dois contatos acontece no mximo da tenso de frequncia fundamental, devido a sua, j mencionada, baixa velocidade de operao. Depois que isto acontece, uma corrente flui atravs do arco eltrico e carrega o trecho aberto de barramento, com a tenso do lado da fonte, desta forma, a diferena de potencial entre contatos decresce e o arco eltrico se extingue. Durante uma manobra de chave secionadora, uma tenso residual, carga armazenada, que decai lentamente, permanece no trecho de barramento "flutuante" (trecho manobrado), que funciona como se fosse um capacitor carregado. Este valor

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de tenso residual fator determinante da amplitude mxima das sobretenses que se desenvolvero no interior das instalaes. No instante em que ocorre cada um dos reacendimentos, nos terminais da chave secionadora tem-se: de um lado a tenso U1 da fonte e do outro a tenso residual U2 - carga armazenada. Neste momento, so gerados dois impulsos de tenso (e dois de corrente, associados) que trafegam no circuito, a partir dos dois terminais da chave secionadora. No caso especfico das SIGs, a amplitude e a forma da sobretenso transiente de frente muito rpida, dependem da sua configurao, do ponto de medio, das cargas residuais, da velocidade dos contatos das chaves, assimetria da tenso de disrupo. Como citado anteriormente, so causadas pela operao das chaves, e seu nvel de sobretenso da ordem de at 2.0 pu. De acordo com Meppelink [14], a formao de Very Fast Transients - VFT em um trecho de uma SIG pode ser dividido em internas e externas, e apresentam diferentes formas, devido s caractersticas fsicas da instalao. As internas so explicadas atravs da teoria das ondas trafegantes, sendo que reflexes em pequenos trechos so mais crticos, pois as ondas refletidas podem ser ampliadas, e assumir at 1,5 pu. Pela interpretao das ondas trafegantes, as externas, do lado de fora do encapsulamento, podem ser compreendidas, pela anlise de um circuito equivalente simplificado, vide Figura 6, onde a linha de transmisso est conectada diretamente SIG. Se a chave provoca uma onda trafegante, com 0,5 pu de amplitude, e se propaga at o final do barramento blindado, onde normalmente esto localizadas as buchas, um campo eletromagntico ocorre do lado externo do barramento, causando o crescimento do transiente da tenso do encapsulamento. Este efeito pode ser explicado utilizando o circuito equivalente da Figura 7, onde o barramento como a linha e o encapsulamento so representados por elementos LC. O circuito equivalente pode ser simplificado pela Figura 8, para se estimar a pior situao da tenso de pico Vk.

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1 3 2

E

H

E

E

H HA

B

C

v v v

FIGURA 6 - PROPAGAO DAS ONDAS TRAFEGANTES CAUSADAS PELA OPERAO DA CHAVE

ChaveLi LfLi Li Li Lf

Lk Lk Lk

Ci

Ck

Ci CiCi CiCi

Cf Cf

CkCk CkCk Ck

Lk

A

C

B

FIGURA 7 - REPRESENTAO DO FENMENO ATRAVS DE ELEMENTOS DISCRETOS

Chave

Vchave

Vk

Li

CiZi =

Lk

CkZk =

Lf

Cf

A

C

BZf =

FIGURA 8 - DIAGRAMA SIMPLIFICADO PARA O CLCULO DA TENSO A TERRA FONTE: MEPPELINK [14]

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As chaves seccionadoras so projetadas para interromper, na condio de disjuntor aberto, a pequena corrente de carga que flui no circuito. Uma vez que a velocidade de separao dos contatos da chave seccionadora geralmente lento, reacendimentos ocorrero inmeras vezes antes da completa interrupo, provocando o aparecimento da tenso de alta frequncia a cada reacendimento. Os transientes gerados dependem da configurao da SIG e da sobreposio de ondas refletidas e refratadas em descontinuidades, por exemplo, as buchas, como citado no item anterior. As principais frequncias da VFT dependem do comprimento da seo da SIG afetadas pela operao das chaves e esto na faixa de 1 MHz at 40 MHz para a componente de base e ainda maior para as frequncias sobrepostas, podendo atingir at 100 MHz. Para a avaliao da VFT as cargas remanescentes do lado da carga da chave seccionadora devem ser levadas em considerao. Para uma chave seccionadora normal com uma velocidade lenta a carga residual pode atingir 0,5 pu podendo nas situaes mais desfavorveis atingir 1,5 pu. Para estes casos, as sobretenses resultantes esto na faixa de 1,7 pu e podem atingir 2,0 pu., de acordo com as pesquisas de Chen [15].

2.5 ENROLAMENTOS DOS TRANSFORMADORES SUBMETIDOS A FENMENOS TRANSITRIOS.

A influncia da VFT no transformador devida principalmente sua distribuio extremamente no-linear de tenso ao longo do enrolamento de alta tenso, que prejudicial para o isolamento das primeiras espiras do enrolamento do transformador. A distribuio VFT ao longo do enrolamento depende da estrutura interna do transformador. Quando a frequncia de VFT coincidente com a frequncia de oscilao transitria, a tenso entre as primeiras espiras do enrolamento pode atingir 25% do valor de pico total oscilatrio. Em um transformador de 500 kV, a tenso disruptiva entre espiras cerca de 100 kV para o impulso atmosfrico, o mesmo equipamento submetido a VFT, a tenso disruptiva entre espiras atinge 125 kV, segundo Chen [16].

35

Em um circuito representativo do transformador, frente a transitrios de tenso esto associados, o valor hmico da resistncia entre os terminais de cada enrolamento, o valor da indutncia prpria de cada bobina, os valores de indutncias mtuas entre os enrolamentos, os valores de capacitncia encontrados ao longo de cada enrolamento, capacitncias srie - Cs e os valores de capacitncias entre enrolamentos adjacentes e entre enrolamentos e partes estruturais aterradas do transformador, capacitncias paralelas Cg, apresentada na Figura 9 [7].

Tanqu

e

Ncl

eo

EnrolamentoAlta Tenso

EnrolamentoBaixa Tenso

R

Cg

L

Cs

FIGURA 9 - REPRESENTAO DE UM TRANSFORMADOR ATRAVS DE ELEMENTOS DISCRETOS

Segundo Wellaur [16], um transformador quando submetido sobretenso transitria, durante os instantes iniciais, se comporta como uma cadeia de capacitores, representada na Figura 10. A corrente circula pela reatncia capacitiva da bobina, o que resulta em uma distribuio de tenso inicial determinada basicamente pelas capacitncias do circuito.

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Cg

Cs

lCs

Cs

Cg

Cg

Cg

FIGURA 10 - REPRESENTAO DO ENROLAMENTO DO TRANSFORMADOR NOS INSTANTES INICIAIS DA SOBRETENSO TRANSITRIA

Ainda segundo Wellauer [16], a distribuio de tenso nos instantes iniciais da sobretenso transitria, ao longo do comprimento x de um enrolamento, mais uniforme quanto maior a distribuio do gradiente de tenso nos enrolamentos. Quanto menor a relao = (Cg/Cs), tanto menor, ser o gradiente de potencial ao longo de todo o comprimento do enrolamento, pois, neste caso a distribuio do gradiente de tenso uniforme. No caso de 10, por exemplo, a distribuio do gradiente de tenso, no uniforme, e ser maior para as primeiras espiras do enrolamento, como pode ser observado na Figura 11.

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= 10

= 5

= 1

= 0

100 %

01

x/l

CgCs

FIGURA 11 - DISTRIBUIO DE TENSO NO ENROLAMENTO

Como Cg determinada por um compromisso entre distncias eltricas mnimas aceitveis e distncias mecnicas mnimas. Cs torna-se a principal varivel para controlar a distribuio inicial de tenso. O ajuste de Cs requer a adoo de tipos de enrolamentos mais complexos como, por exemplo, enrolamentos com espiras entrelaadas, Figura 12, ou contendo blindagens internas, aumentando a Cs (entre espiras), reduzindo ao mximo , quando necessrios.

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6 45 3 2 1

7 98 10 11 12

15 14 13

9 83 2 7 1

4 510 11 6 12

14 19 13

(a) (b)

FIGURA 12 - ENROLAMENTO EM DISCO CONTNUO (a) E ENTRELAADO (b)

Passados os instantes iniciais do transitrio, no caso um degrau de tenso, a corrente atravs dos elementos indutivos intensifica-se e a onda de tenso propaga-se no enrolamento, acompanhada das oscilaes tericas de um circuito RLC no tempo, oscilando com diferentes frequncias, a tenso ao longo do enrolamento apresenta, a cada instante, uma amplitude diferente. Estas tenses oscilam em torno do valor correspondente distribuio final (t ), ou indutiva, e sero tanto menores quanto mais prxima a distribuio inicial for da distribuio final; ou seja, tambm aqui, nas sobretenses oscilatrias, desejvel que o valor da constante seja o menor possvel. Esta resposta oscilatria pode ser obtida analiticamente, em teoria, por ondas trafegantes e ondas estacionrias, para um enrolamento uniforme. Na prtica, entretanto, existem enrolamentos complexos que apresentam descontinuidades, sejam estas, por exemplo, regies com derivaes de tenso ou mesmo onde o tipo construtivo do enrolamento modificado com a finalidade de minimizar o impacto das sobretenses transitrias. A prtica adotada ento a soluo numrica de um modelo do transformador cujos parmetros representem exatamente tais descontinuidades, o modelo de parmetros concentrados limitado para

39

determinadas faixas de frequncias, pois, no transformador real, alguns parmetros so dependentes da frequncia [13].

2.6 NVEIS DE ISOLAMENTO NORMALIZADOS

A parte interna do transformador se constitui por isolantes no auto-regenerativos, no permitem descargas quando solicitados. Um transformador uma malha complexa de parmetros distribudos, compreendendo indutncias, capacitncias e resistncias. Isolamentos auto-regenerativos so aqueles que tm a capacidade de recuperao dieltrica aps a ocorrncia de uma descarga causada pela aplicao da tenso de ensaio de laboratrio, por exemplo: a parte externa das buchas de transformadores de potncia, reatores, transformadores para instrumentos, parte externas dos equipamentos de manobra, cadeias isoladoras e outros. Isolamentos no regenerativos so aqueles que, no tem a capacidade de recuperao dieltrica aps a ocorrncia de uma descarga causada pela aplicao da tenso de ensaio. Nestes equipamentos, h uma danificao parcial ou total do isolamento aps a aplicao da descarga, por exemplo: enrolamentos dos transformadores de potncia, enrolamentos de reatores, enrolamentos de transformadores para instrumentos e outras. O nvel de isolamento de um equipamento o conjunto de tenses suportveis nominais, aplicados ao equipamento durante os ensaios e definidos em norma especfica para a finalidade. A NBR 6939/2000 [12] recomenda duas faixas de tenses mximas para os equipamentos:

Faixa 1: acima de 1 kV at 245 kV, inclusive. Esta faixa cobre tanto sistemas de transmisso como de distribuio. Os diferentes aspectos operacionais, entretanto, devero ser considerados na seleo do nvel de isolamento nominal do equipamento;

Faixa 2: acima de 245 kV: esta faixa cobre os sistemas de transmisso. As tenses definidas em norma, a serem aplicadas nos ensaios para tenso suportvel de impulso de manobra, tenso suportvel de impulso atmosfrico,

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tenso suportvel nominal a frequncia industrial de curta durao, so os ensaios indicados na 5 linha do Quadro 1. A tenso suportvel nominal de impulso de manobra ou atmosfrica o valor eficaz especificado de uma tenso suportvel de impulso de manobra ou atmosfrica, que caracteriza o isolamento de um equipamento. A norma NBR 6939 define os padres de forma, descritos no Quadro 1 e estabelece que para os equipamentos com tenses de operao mxima entre 1 kV < Vmax 245kV, consideram-se para o estabelecimento do nvel de isolamento as tenses suportveis nominais de impulso atmosfrico e a frequncia industrial de curta durao, conforme Tabela 3. Para os equipamentos com tenses iguais e acima de 300 kV consideram-se para o estabelecimento do nvel de isolamento as tenses suportveis nominais de impulso atmosfrico e manobra, conforme valores descritos na Tabela 4.

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TABELA 3 - NVEIS DE ISOLAMENTO 1 KV < VMAX 245KV Tenso Mxima do

Equipamento (kV eficaz) Tenso suportvel Nominal

Frequncia Industrial durante 1 minuto (kV eficaz) crista)

Tenso suportvel Nominal de Impulso Atmosfrico (kV

1,2 10 30 3,6 10 20 40 7,2 20 40 60

12 28 60 75 95

15 34 95 110 17,5 38 75 95

24 50 95 125 150

36 70 145 170 200

52 95 250 72,5 140 325 350 92,4 150 185

380 450

123 185 230 450 550

145 185 230 275

450 550 650

170 230 275 325

550 650 750

245

275 325 360 395 460

650 750 850 950 1050

FONTE: NBR 6939 [12]

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TABELA 4 - NVEIS DE ISOLAMENTO VMAX > 245KV Tenso suportvel de impulso de manobra Tenso

Mxima do Equipamento

(kV eficaz) Isolao

longitudinal (kV crista)

Fase-terra (kV crista)

Fase-terra (relao para o valor de crista

fase terra)

Tenso suportvel Nominal de Impulso

Atmosfrico (kV crista)

750 750 1,50 850 950 300 750 850 1,50 950 1050 850 850 1,50 950 1050 362 850 950 1,50 1050 1175 850 850 1,60 1050 1175 420 950 950 1,50 1175 1300

420/460 950 1050 1,50 1300 1425 525 950 950 1,70 1175 1300

950 1050 1,60 1300 1425 525/550 950 1175 1,50 1425 1550

550 950 1300 1,50 1550 1675 765 1175 1300 1,70 1675 1800

1175 1425 1,70 1800 1950 765/800 1175 1550 1,60 1950 2100


As normas de coordenao de isolamento fixam os nveis de isolamento, conforme valores citados nas Tabelas 3 e 4, as quais serviro de orientao para especificao dos equipamentos. Observa-se no Quadro 1, referente aos tipos de sobretenses e as formas de ondas, que embora sendo mencionada as de frente muito rpida, no h qualquer meno objetiva, para ensaios dieltricos visando comprovar a suportabilidade para esses fenmenos. Cabe ressaltar que a NBR 5356, que trata da especificao de transformadores de potncia, foi totalmente revisada e reeditada em 2007, tambm no recomendou ensaios padronizados para verificao da suportabilidade dos transformadores de potncia frente tenses transitrias de frente muito rpida.

43

2.7 ENSAIOS

O objetivo principal de se submeter os equipamentos a determinados ensaios demonstrar se eles esto aptos a atender os requisitos especificados. Desta forma, tem-se certa garantia de que os equipamentos devero operar satisfatoriamente sob as condies reais do sistema, simulados durante os ensaios. Os ensaios a que cada equipamento dever ser submetido so estabelecidos pelas Normas Tcnicas referentes ao equipamento. As Normas so preparadas por entidades especializadas, normalmente com a colaborao de fabricantes e usurios, visando a padronizao de caractersticas eltricas, mtodos de ensaio e clculo de ciclos de trabalho que o equipamento dever executar em servio. Evidentemente, esta padronizao tem efeito direto na reduo dos custos dos equipamentos, DAjuz [18]. No Brasil, a entidade responsvel pela elaborao das Normas Tcnicas a Associao Brasileira de Normas Tcnicas - ABNT. Outras normas muito referenciadas so a International Electrotechnical Commission IEC e a American National Standards Institute ANSI. Conforme ABNT NBR 5356[19], os ensaios podem ser classificados em: de rotina, de tipo e especiais.

2.7.1 Ensaios de rotina NBR 5361/1193

Devem ser realizados em todos os equipamentos adquiridos, com o objetivo de verificar a qualidade e uniformidade da mo de obra e dos materiais empregados na fabricao dos equipamentos. Os ensaios padronizados devem ser realizados conforme orientaes complementares citados na NBR 5380 [20]:

a) Resistncia eltrica dos enrolamentos - realizado em todas as posies do comutador para verificar se as conexes esto apropriadas e medir o valor da resistncia dos enrolamentos do transformador que multiplicado pela corrente de fase ao quadrado (I) resultar nas perdas hmicas utilizadas no clculo das perdas totais;

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b) Relao de tenses - realizado em todas as posies do comutador e verifica se a relao existente entre os enrolamentos est dentro dos limites dos padres normalizados. Como se utiliza o mtodo do transformador de referncia de relao varivel verifica-se tambm, a polaridade, deslocamento angular e a sequncia de fase dos enrolamentos;

c) Resistncia de isolamento - tem por finalidade verificar a resistncia do isolamento dos enrolamentos entre si e entre os enrolamentos e a terra, com o transformador completamente montado;

d) Polaridade (realizado em conjunto com o ensaio de relao de tenses, vide b);

e) Deslocamento angular e sequncia de fases (realizado em conjunto com o ensaio de relao de tenses, vide b);

f) Perdas (em vazio e em carga) - o ensaio de perdas em vazio tem por finalidade medir a corrente de excitao e as perdas no ncleo do transformador quando estiver operando sem carga. O ensaio de perdas em carga tem por finalidade medir a impedncia de curto-circuito e as perdas dos enrolamentos do transformador quando estiver operando com a mxima carga;

g) Corrente de excitao - o valor eficaz da corrente que flui atravs do terminal de linha de um enrolamento, quando a tenso nominal (tenso de derivao) frequncia nominal aplicada a este enrolamento, estando o outro (ou outros) enrolamento(s) em circuito aberto;

h) Impedncia de curto-circuito (realizado em conjunto com o ensaio de perdas, vide f);

i) Ensaios dieltricos: Tenso suportvel frequncia industrial, aplicada fiao e aos

acessrios - tem por finalidade comprovar a suportabilidade dieltrica da fiao e acessrios;

Tenso suportvel frequncia industrial, este ensaio visa verificar a isolao e distncias eltricas de alta e baixa tenso contra as partes aterradas. O transformador deve suportar os ensaios de tenso suportvel nominal frequncia industrial durante 1 minuto. Deve ser aplicada a tenso de ensaio, correspondente ao nvel de

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isolamento citados nas Tabelas 5 e 6, entre os terminais do enrolamento e a terra sem que se produzam descargas disruptivas e sem que haja evidncia de falha;

Tenso induzida, para transformadores com tenso mxima do equipamento < 242 kV: este ensaio tem por finalidade comprovar que o isolamento entre enrolamentos, espiras e terminais, suportar sobretenses temporrias. Aplica-se uma tenso igual ao dobro da tenso de derivao utilizada no ensaio com o circuito em vazio, porm, este valor no pode ultrapassar ao valor correspondente ao nvel de isolamento especificado nas Tabelas 5 e 6. Devem ser capazes de suportar o ensaio de tenso induzida de curta durao sem que produzam descargas disruptivas e sem que haja evidncia de falha. A durao do ensaio deve ser de 7.200 ciclos com frequncia de ensaio no inferior 120Hz e no superior 480Hz. A frequncia do ensaio deve ser aumentada para no saturar o ncleo j que ser aplicado um valor em torno do dobro da tenso nominal, vide Figura 13, WEG [21];

150V

50V100V

200V

0V

200V

(b)

100V

25V

(a)

75V50V

100V

0V

FIGURA 13 - DISTRIBUIO DE TENSO INDUZIDA NO ENROLAMENTO

Tenso induzida de longa durao, com medio de descargas parciais, para transformadores com tenso mxima do equipamento 362 kV - comprovar que o isolamento entre enrolamentos, espiras e terminais, suportar sobretenses temporrias, com medio de descargas parciais.

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A medio de descargas parciais durante toda a durao do ensaio uma ferramenta valiosa tanto para o fornecedor quanto para o comprador. O aparecimento de descargas parciais durante o ensaio pode indicar uma deficincia no isolamento antes que ocorra a ruptura. Este ensaio verifica uma operao livre de descargas parciais durante as condies operacionais.

O fenmeno das descargas parciais ocorre em cavidades ou incluses de constante dieltrica diferente, e se distribui pelo material, submetendo a cavidade ou incluso a um gradiente de tenso em excesso ao gradiente mximo suportvel pela mesma.

Este fenmeno dar origem a pequenas descargas disruptivas no interior da cavidade, acarretando um processo temporal de deteriorao progressiva do material e eventualmente a falha do equipamento.

Tenso suportvel nominal de impulso de manobra, para transformadores com tenso mxima do equipamento 362 kV: este ensaio visa, fundamentalmente, a verificao do isolamento de um transformador quando solicitado por ondas de sobretenses oriundas de manobras;

Tenso suportvel nominal de impulso atmosfrico, para transformadores com tenso mxima do equipamento 362 kV: este ensaio visa, fundamentalmente, a verificao do isolamento de um transformador quando solicitado por ondas de sobretenso de origem atmosfrica.

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TABELA 5 - NVEIS DE ISOLAMENTO PARA TENSES MXIMA DO EQUIPAMENTO 245KV Tenso suportvel Nominal de

Impulso Atmosfrico Tenso Mxima do Equipamento (kV eficaz) Pleno kV

(crista) Cortado kV

(crista)

Tenso suportvel Nominal Frequncia Industrial durante 1

minuto e tenso induzida kV (eficaz)

0,6 4 1,2 10 7,2 40 60

44 66

20

15 95 110 105 121 34

24,2 125 150 138 155 50

36,2 150 170 200

165 165 187

70

72,5 350 385 140 92,4 380 450

418 495

150 185

145 450 550 650

495 605 715

185 230 275

242 750 850 950

825 935 1045

325 360 395


TABELA 6 - NVEIS DE ISOLAMENTO PARA TENSES MXIMA DO EQUIPAMENTO 362KV Tenso suportvel nominal de impulso

Tenso Mxima do Equipamento (kV

eficaz) Com impulso de

manobra kV (crista) Com impulso

atmosfrico pleno normalizado

kv(crista)

Com impulso atmosfrico cortado

kv(crista)

362 850 950 950 1050 1175

1045 1155 1292

460 1050 1300 1425 1430 1567

550 1050 1175 1300

1300 1425 1550 1675

1430 1567 1705 1842

800 1425 1550

1800 1950 1800 1950 2100

1980 2145 1980 2145 2310


j) Estanqueidade e resistncia presso, a quente, em transformadores subterrneos de qualquer potncia nominal, e temperatura ambiente nos demais transformadores de potncia igual ou superior a 750 kVA;

k) Verificao do funcionamento dos acessrios;

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l) Ensaios no leo isolante, aps contato com o equipamento, em transformadores com tenso mxima do equipamento 72,5 kV, ou potncia nominal 5 MVA;

m) Ensaios de verificao da pintura da parte externa de transformadores com tenso mxima 242 kV;

2.7.2 Ensaios de tipo NBR 5356/1993

Devem ser realizados em apenas um dos equipamentos adquiridos, com o objetivo de se verificar uma caracterstica do projeto.

a) Ensaio de elevao de temperatura - comprovar que o equipamento ir operar com potncia mxima sem violar os limites trmicos da classe de isolamento;

b) Tenso suportvel nominal de impulso atmosfrico, para transformadores com tenso mxima do equipamento 242 kV;

c) Nvel de rudo - comprovar que o equipamento ir operar com o nvel de rudo dentro dos limites padres;

d) Ensaios no leo isolante, aps contato com o equipamento, em transformadores com tenso mxima do equipamento 36,2 kV;

e) Medio da potncia absorvida pelos motores de bombas de leo e ventiladores.

2.7.3 Ensaios especiais NBR 5356/1993

So aqueles que no so caracterizados como rotina ou tipo: a) Ensaio de curto-circuito - visa comprovar a suportabilidade do

equipamento quando submetido a curto-circuito, transformadores, junto com todos os equipamentos e acessrios, devem ser projetados e construdos para resistir, sem danos, aos efeitos trmicos e dinmicos das correntes de curtos-circuitos externos;

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b) Medio da impedncia de sequncia zero em transformadores trifsicos: A impedncia de seqncia zero medida somente em enrolamentos ligados em estrela com neutro acessvel. Nas demais ligaes, a impedncia de seqncia zero infinita;

c) Medio dos harmnicos na corrente de excitao; d) Anlise cromatogrfica dos gases dissolvidos no leo isolante - verificar

a presena de gases combustveis dissolvidos no leo, notadamente aps a execuo dos ensaios dieltricos;

f) Fator de potncia do isolamento - verificar as perdas em w e a corrente de fuga das capacitncias entre enrolamentos e entre enrolamentos e a terra;

g) Vcuo interno - verificar a suportabilidade do tanque do equipamento quando submetido a vcuo;

h) Nvel de tenso de radiointerferncia - verificar quais os nveis de radiointerferncia do equipamento;

i) Ensaios para verificao do esquema de pintura das partes internas e externa do transformador conforme a NBR 11388.

Na reviso da NBR 5356, realizada em 2007, os ensaios de rotina, tipo e especiais foram reavaliados, com pequenas mudanas nos ensaios de rotina e tipo. As incluses mais significativas, ocorreram na relao dos ensaios especiais, ficando demonstrado a preocupao com a questo dos surtos transferidos entre enrolamentos, o que pode ser considerado um avano em termos da avaliao dos transformadores de potncia quanto suportabilidade a fenmenos transitrios. Ressalte-se, no entanto, no que diz respeito aos ensaios dieltricos, razo deste trabalho de dissertao, os mesmos no foram padronizados, apenas foram citados como ensaios dieltricos especiais. Com o propsito, de se comparar os ensaios, entre as duas verses da norma, a seguir sero relacionados os ensaios de rotina, tipo e especiais citados na NBR 5356/2007 [22].

2.7.4 Ensaios de rotina NBR 5356/2007

a) Medio da resistncia dos enrolamentos;

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b) Medio da relao de transformao e polaridade e verificao do deslocamento angular e sequncia de fases;

c) Medio da impedncia de curto-circuito e das perdas em carga; d) Medio perdas em vazio e corrente de excitao; e) Ensaios dieltricos de rotina; f) Ensaios de comutador de derivaes em carga quando aplicvel; g) Medio da resistncia de isolamento; h) Estanqueidade e resistncia presso a quente; j) Verificao do funcionamento dos acessrios; k) Ensaios de leo isolante; l) Verificao da espessura e aderncia da pintura da parte externa de

transformadores com Um=242Kv.

2.7.5 Ensaios de tipo NBR 5356/2007

a) Ensaio de elevao de temperatura; b) Ensaios dieltricos; c) Ensaios de leo para transformadores de tenso nominal < 72,5. kV;

2.7.6 Ensaios especiais NBR 5356/2007

a) Ensaios dieltricos especiais; b) Medio das capacitncias entre o enrolamento e a terra, e entre os

enrolamentos; c) Medio das caractersticas da tenso transitria transferida; d) Medio das impedncias de sequncia zero em transformadores

trifsicas; e) Ensaio de suportabilidade a curto-circuito; f) Determinao do nvel de rudo audvel; g) Medio de harmnicos da corrente de excitao;

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h) Medio da potncia absorvida pelos motores das bombas de leo e dos ventiladores;

i) Medio do fator de dissipao da isolao (medio do fator de potncia do isolamento);

j) Anlise cromatogrfica dos gases dissolvidos no leo isolante; k) Vcuo interno; m) Verificao do esquema de pintura da parte interna; n) Nvel de tenso de radiointerferncia; o) Medio da resposta em frequncia e impedncia terminal; um sinal de

excitao de frequncia varivel aplicado e medido na entrada do enrolamento a ser analisado, o sinal de sada do enrolamento em anlise medido e assim a funo de transferncia calculada;

p) Ensaio do grau de polimerizao do papel- visa verificar o estado do papel atravs da medio dos anis de glicose na celulose;

q) Medio do ponto de orvalho visa verificar a umidade na superfcie dos enrolamentos;

r) Levantamento da curva de saturao e medio da reatncia em ncleo em ar do enrolamento.

2.8 ENSAIOS DIELTRICOS

Os ensaios dieltricos so realizados de acordo os procedimentos das normas e tem por objetivo verificar se um equipamento est em conformidade com as tenses suportveis nominais que determinam o seu nvel de isolamento. Os ensaios dieltricos padronizados, tenso suportvel, tenso induzida de curta e longa durao, embora de extrema importncia para o desempenho do equipamento, no sero estudados nesta seo, destaca-se, no entanto, os conceitos e procedimentos para a realizao dos ensaios de impulso, que sero parte fundamental no procedimento de ensaio proposto no Captulo 3 deste trabalho. Os ensaios dieltricos so realizados com o gerador de impulso, vide Figura 14, destacando-se os ensaios de impulso atmosfrico e impulso de manobra, pelos quais se simula, em laboratrio, sobretenses , originadas, respectivamente, por

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descargas atmosfricas e surtos provenientes de chaveamentos no sistema de potncia. O circuito para ensaio dieltrico de impulso pode ser dividido em:

Gerador de impulso, com seus componentes adicionais; Objeto sob ensaio; Circuito de medio de tenso; Circuito de corte

Divisor Capacitivo

Tenso e Corrente

Gerador de Impulso

Centelhador

FIGURA 14 - LABORATRIO DE ALTA TENSO E CIRCUITO DE ENSAIO.

2.8.1 Gerador de Impulso

Entre as diversas tcnicas utilizadas para a gerao de impulsos de tenso, a mais prtica e eficiente a que utiliza uma associao de capacitores em srie, podendo ser utilizado tanto para a gerao de impulsos atmosfricos quanto os de manobra. O circuito multiplicador de Marx constitudo por quatro estgios, onde RL denominada resistncia de carga, RS a resistncia de frente, Rp a resistncia de cauda e Cs a capacitncia de cada estgio, sendo o objeto de ensaio representado somente por sua capacitncia Cb, em relao terra, conforme esquema eltrico apresentado na Figura 15.

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OBJETO SOB ENSAIO (Cb)

Rp

SGFONTEDC

RL RLSG

Rp

CsRs

Cs Cs

RpRs

Cs

RL

Rs

RLSG

RpRs

SG

FIGURA 15 - GERADOR DE IMPULSO DE MARX

O princpio de funcionamento do gerador de impulso consiste em carregar os capacitores Cs de todos os estgios em paralelo, atravs de uma fonte de corrente contnua usualmente com tenso mxima da ordem de 50 kV a 200 kV. Concludo o perodo de carga, a energia armazenada no gerador de impulso descarregada no terminal de alta tenso do objeto sob ensaio, pela disrupo intencional dos centelhadores de esfera SG, conectando, assim, todos os estgios em srie. A tenso mxima a ser aplicada ao objeto sob ensaio ser, ento, a soma das tenses de carga armazenadas nos estgios individuais. Os geradores de impulso podem ser formados por diversas configuraes, se por exemplo, 16 estgios, sua tenso mxima de carga ser equivalente a 3.200 kV, quando todos os estgios tiverem sido individualmente carregados com a tenso de 200 kV, ou por 24 estgios, tenso mxima de carga ser equivalente a 2.400 kV, quando todos os estgios tiverem sido individualmente carregados com a tenso de 100 kV [21,23].

2.8.2 Objeto sob ensaio

O objeto sob ensaio, no caso, pode ser um transformador, reator, autotransformador caracterizado por sua capacitncia efetiva C e sua indutncia L.

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2.8.3 Circuito de medio da tenso

O circuito de medio de tenso constitudo por um divisor de tenso e um ou mais instrumentos de medio. Normalmente usado um osciloscpio como instrumento de medio, juntamente com um voltmetro de crista. O osciloscpio usado para registrar a forma de impulso e o valor da crista.

2.8.4 Circuito de corte

O circuito de corte consiste de um centelhador que ligado entre o terminal ensaiado do objeto sob ensaio e a terra, atravs de condutores. Pode ser usado um centelhador de pontas ou algum tipo de centelhador com disparo controlado. Somente a utilizao do centelhador com disparo controlado permite um ajuste do tempo de corte com uma preciso suficiente para obterem-se tempos at o corte razoavelmente idnticos, que permitam a constatao de falhas por comparao de oscilogramas aps o corte.

2.8.5 Tenso suportvel nominal de impulso de manobra

A forma de onda dos impulsos de manobra est compreendida entre as formas de onda definidas para os impulsos atmosfricos e para os ensaios de baixa frequncia, frente lenta, vide Quadro 1. Assim sendo, transformadores que suportam a aplicao dos ensaios de baixa frequncia e de impulso atmosfrico, deveriam suportar tambm a aplicao do ensaio de impulso de manobra, se a amplitude destes impulsos correspondesse entre 80 % e 85 % da tenso suportvel nominal sob impulso atmosfrico. Experincia da indstria, entretanto, demonstra que a considerao anterior no verdadeira em todos os casos, sendo ento recomendada a realizao do ensaio de impulso de manobra para avaliar

55

adequadamente a suportabilidade de transformadores, especialmente quando operam em sistemas com tenso mxima de operao de 362 kV e superiores. A tenso suportvel de impulso de manobra geralmente adotado de 83 % do valor correspondente para impulsos atmosfricos.

A forma de onda padronizada para os impulsos de manobra denominada 250/2500 (Tcr = 250s e T2 = 2500 s), vide Quadro 1, com os valores de tenso definidos na Tabela 6. Cada um dos terminais de linha dos enrolamentos do transformador deve ser submetido a seguinte sequncia de impulsos de manobra:

Um impulso pleno com valor reduzido - 60 %; Trs impulsos plenos com valor especificado - 100%.

2.8.6 Tenso suportvel nominal de impulso atmosfrico

As formas de onda aplicadas aos ensaios de impulso foram inicialmente padronizadas em 1937, pela American Institute of Electrical Engineers-Eletrical Eletronics Institute-National Electrical Manufactures Association - AIEE-EEI-NEMA, revisada pelo Institute of Electrical and Electronic Engineers - IEEE, Std 4- 1978 [24], tomando-se como base os registros de distrbios no sistema eltrico, provenientes de quedas de raios. Definiu-se, ento, que estes distrbios poderiam ser representados por trs tipos de impulso: ondas plenas, ondas cortadas e frentes de onda, representadas na Figura 16.

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FrentedeOnda

Onda Cortada

V

Onda Plena

t

Curva Tenso x Tempo

FIGURA 16 - FORMAS DE ONDA PADRONIZADAS PARA IMPULSO ATMOSFRICO

Ainda que os distrbios provocados por raios no possuam sempre essas formas de onda, o emprego de formas de onda padronizadas, frente rpida, torna possvel estabelecer limites mnimos de suportabilidade que os transformadores devem atender, Tabelas 5 e 6.

A forma de onda padronizada para impulsos atmosfrico denominada 1,2/50 ( T1 = 1,2s e T2 = 50 s), vide Quadro 1. Desprezando-se o efeito da indutncia e das capacitncias parasitas no circuito de ensaio, o impulso de tenso aplicado ao equipamento em teste ter uma forma de onda similar apresentada na Figura 17.

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TEMPO VIRTUAL DE CAUDA (50 us)

100%90%

50%

30%

OTEMPO VIRTUAL DE FRENTE (1,2 us)

O'

V

t

FIGURA 17 - FORMA DE ONDA PARA ENSAIO DE IMPULSO ATMOSFRICO

Os impulsos atmosfricos se caracterizam por possuir forma de onda padronizada como 1,2/50, sendo o tempo virtual de frente igual a 1,2 s 30 % e o tempo virtual de cauda equivalente a 50 s 20 %. A sua caracterizao feita com base na amplitude da onda de tenso, nos tempos virtuais de frente e de cauda e, eventualmente, no tempo virtual at a disrupo, se o objeto sob ensaio no suportar a aplicao do impulso de tenso. Para impulsos atmosfricos, padronizada a tcnica de medio de tempos virtuais ao invs dos valores reais, em face dificuldade de determinao exata do momento da aplicao do impulso, j que o mesmo pode ser influenciado pelo transitrio de disparo dos vrios estgios do gerador de impulso, principalmente quando a caracterizao da forma de onda realizada com antigos sistemas de medio. Na prtica comum de laboratrios de alta tenso, a realizao do ensaio de impulso em um determinado prottipo de equipamento eltrico constituda pela montagem do equipamento que ser testado, pelo ajuste do gerador de impulso com resistores adequados para um dado nmero de estgios utilizados, pela calibrao da forma de onda e pela execuo propriamente dita do procedimento de ensaio, atendendo rigorosamente s prescries das normas tcnicas apropriadas. Impulsos plenos simulam distrbios do tipo atmosfrico, que se propagam por um certo comprimento da linha de transmisso antes de atingir o transformador.

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Neste instante, o surto de tenso cresce do zero at a crista em torno de 2 s e decai at o tempo de meio valor em 50 s, com aproximadamente a forma de onda 1,2/50 padronizada. Impulsos cortados na cauda simulam a condio do distrbio provocar descarga disruptiva em um isolador prximo da linha de transmisso, logo aps a crista do surto de tenso ter penetrado no transformador. Frentes de onda, por sua vez, simulam a condio de uma descarga atmosfrica atingir diretamente ou muito prxima de um dos terminais do transformador. Neste caso, a elevada taxa de crescimento da tenso provoca descarga disruptiva na bucha do transformador. As trs formas de onda padronizadas, vide Figura 14, possuem diferenas nas duraes e nas taxas de crescimento e de decaimento da sobretenso, solicitando de modo diferenciado a isolao dos enrolamentos do transformador. A onda plena, por sua maior durao, causa o desenvolvimento de oscilaes mais intensas ao longo do enrolamento e, em conseqncia, provoca maiores solicitaes tanto nas isolaes entre espiras como entre sees do enrolamento, alm de desenvolver elevadas tenses entre partes do enrolamento e entre enrolamento e partes aterradas. As ondas cortadas no provocam oscilaes to intensas como as ondas plenas, porm, pela sua amplitude superior, geram tenses mais elevadas especialmente nas pores iniciais do enrolamento e, em decorrncia da queda abrupta da tenso aplicada no momento do corte, produzem maiores solicitaes nas isolaes entre espiras e entre sees do enrolamento. Nos impulsos de frente de onda a durao ainda menor, entretanto, devido sua amplitude e taxa de crescimento bastante elevadas, causam respectivamente severas solicitaes na isolao entre enrolamento e massa e entre espiras do enrolamento, particularmente em sua regio inicial. Na Tabela 7 (resumo das Tabelas 5 e 6), esto indicados alguns valores usuais recomendados pela NBR 5356 [19,22], para a realizao dos ensaios de impulso atmosfrico e impulso de manobra. O nvel de isolamento dos enrolamentos deve corresponder ao valor especificado pelo comprador do transformador, o que ser comprovado pelo desempenho do transformador aos ensaios dieltricos.

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TABELA 7 - NVEIS DE ISOLAMENTO RECOMENDADOS PELA NBR 5336 Impulso Atmosfrico (kV) Tenso Mxima

Operao (kV) Frequncia

Industrial (kV) Onda Plena Onda Cortada Impulso de

Manobra (kV) 15 34 95 105 -

36,2 70 150 165 - 72,5 140 350 385 - 145 230 550 605 - 242 460 950 1045 - 550 620 1550 1705 1175 765 830 1800 1980 1550

FONTE: NBR 5356 [19,22]

O ensaio de impulso atmosfrico a combinao de aplicaes de ondas plenas cortadas numa nica seqncia. A ordem recomendada para a aplicao dos diferentes ondas impulsivas :

Ajuste da forma de onda Tempo frente=1,2s / Tempo cauda=50s; Um impulso pleno com valor reduzido - 60%; Um impulso pleno com o valor especificado - 100%; Um impulso cortado com valor reduzido - 60%; Dois impulsos cortados com valor especificado - 100%; Dois impulsos plenos com o valor especificado - 100%;

Quando aplicados ao terminal de neutro, a seguinte seqncia de impulsos deve ser aplicada, com o valor especificado para o impulso pleno correspondente ao nvel de isolamento do terminal de neutro:

Um impulso pleno com valor reduzido - 60 %; Dois impulsos plenos com valor especificado -100 %; Um impulso pleno com valor reduzido 60 %;

O transformador deve suportar a aplicao do ensaio de impulso atmosfrico sem que se produzam descargas disruptivas internas ou que haja evidncias de defeito. Eventuais falhas nas isolaes do transformador podem ser avaliadas pela anlise dos oscilogramas de tenso dos impulsos aplicados. Defeitos nas isolaes entre espiras e entre sees do enrolamento, mesmo nos enrolamentos no diretamente ensaiados, causam discrepncias significativas nos oscilogramas de tenso. Oscilogramas de corrente no so geralmente necessrios para a deteco de defeitos, porm, pode fornecer informao til no diagnstico do defeito.

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2.9 RESPOSTA EM FREQUNCIA E MATRIZ ADMITNCIA

O mtodo de resposta em frequncia est baseado na suposio que qualquer deformao mecnica nos enrolamentos ou ncleo dos transformadores pode ser associada com uma mudana das impedncias do circuito equivalente e essas mudanas serem detectadas por uma funo de transferncia. O ensaio de resposta em frequncia, consiste na aplicao de um sinal senoidal de baixa tenso, 10V, como representado na Figura 18, variando a frequncia do sinal aplicado, de 10Hz at 20MHz. Em outro terminal so medidos amplitude e ngulo do sinal da resposta correspondente ao sinal de aplicado. O sinal aplicado mantido no mesmo nvel para cada frequncia de teste. Os resultados obtidos so apresentados em forma grfica, segundo as medidas dos sinais de tenso e corrente de entrada e sada. Tem-se como resultado, tanto para amplitude, quanto para fase, a funo transferncia de tenso, ganho de tenso, V(w)=Vo/Vi , como mostrado na Figura 18a, ou seja, a re

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