Palestra Alstom Para Raio

7/25/2019 Palestra Alstom Para Raio

1/98

Pra-raios para aplicaoem subestaes

Alstom Grid

Itajub 21 de fevereiro, 2011

Jorge Luiz De Franco - Tyco Electronics

PALESTRA TCNICA


2/98

Critrios bsicos para especificao, seleo otimizadae aplicao dos pra-raios de ZnO em subestaes

TPICOS ABORDADOS

Aspectos construtivos e tecnolgicos dos pra-raios dexido de Zinco (ZnO)

Princpio de operao dos pra-raios e sua importncia

na proteo dos sistemas eltricos

Ensaios de rotina e de recebimento em pra-raios


3/98

TPICOS ABORDADOS


na proteo dos sistemas eltricos.


4/98

Os pra-raios tm por finalidade limitar as sobretenses de origens

atmosfrica e de manobra nos terminais dos equipamentos / sistemas por

ele protegidos a nveis pr estabelecidos, de modo aps a ocorrncia

dessas sobretenses a isolao dos equipamentos no fique com assuas caractersticas comprometidas.

A tenso mxima nos terminais dos equipamentosprotegidos pode ser definida

pelas caractersticas de proteo oferecidas pelos pra-raios adicionada aos

efeitos dos cabos de ligao dos pra-raios e do efeito distncia entre o pra-

raios e o equipamento protegido.

Funo dos pra-raios nos Sistemas eltricos

INTRODUO FUNO DOS PRA-RAIOS NOS SISTEMAS


5/98

Princpio de operao de um pra-raios

Tenso na isolao com o pra-raios

Impulso plenotenso suportvel

Descarga disruptiva na isolao



6/98

Tenso na isolao a ser protegida

Efeitos da distncia de separao

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Distncia (m)

TensodeImpulso(k

Usup. Trafo (550 kV) Utrafo simplicado Usup.550/1,20

Distncia VT



7/98

Definio: NBR 6939 - 2000 / IEC 60071-1 Ed. 8.0 - 2006

Uma sobretenso pode ser definida como qualquertenso entre fase e terra, ou entre fases, cujo valorde crista excede o valor de crista deduzido da

tenso mxima do equipamento (Um.2 / 3 ouUm.2, respectivamente).

Entende-se por tenso mxima de um equipamento,

a mxima tenso de linha eficaz que pode sermantida em condies normais de operao, emqualquer instante.

SOBRETENSES


8/98

Classificao das sobretenses

As sobretenses podem ser classificadas de acordo com aforma da sobretenso, sua durao, seu efeito sobre aisolao ou sobre o dispositivo de proteo em:

Sobretenses transitrias:Sobretenses de frente lentaSobretenses de frente rpida

Sobretenses de frente muito rpida

Sobretenses temporrias;

SOBRETENSES


9/98

Durao das sobretenses

Tenses sem os pra-raios

Tenses com os pra-raios

Tenso suportvel do equipto

Lightning overvoltages(Microseconds)

Switching overvoltages(Milliseconds)

Temporary overvoltages(Seconds)

Highest voltage of equipment(Continuously)

Amplitudedassobretenses

/p.u.

1

2

3

4

0

5


SOBRETENSES


10/98

Sobretenses temporrias:

Caracterizada por umasobretenso de freqnciafundamental de duraorelativamente longa.

Pode originar-se de faltas,operaes de chaveamento(como por exemplo rejeio decarga), condies de

ressonncia, no linearidades(ferro-ressonncias) ou poruma combinao dessas.

SOBRETENSES


11/98

Isolao dos equipamentos - Faixa 1

SOBRETENSES


12/98

Durao das sobretenses

Tenses sem os pra-raios

Tenses com os pra-raios

Tenso suportvel do equipto

Lightning overvoltages(Microseconds)

Switching overvoltages(Milliseconds)

Temporary overvoltages(Seconds)

Highest voltage of equipment(Continuously)

Amplitudedassobretenses

/p.u.

1

2

3

4

0

5


SOBRETENSES


13/98

Sobretenses transitrias:

Caracterizada por uma sobretenso de curtadurao, de alguns milisegundos ou menos, oscilatria ouno oscilatria, usualmente fortemente amortecida.

SOBRETENSES


14/98

Isolao dos equipamentos - Faixa 2

SOBRETENSES


15/98

Pra-raios para SEs Pra-raios para LTsPra-raios para RDs



16/98

Quantidade significativa de pra-raios de Carbeto

de Silcio (SiC) instalados nos sistemas detransmisso - tempo de vida superiores a 25 anos

Necessidade de substituio de um grandenmero de pra-raios, visando manter aconfiabilidade dos sistemas.

Necessidade de uma melhor relao entrebenefcio e custo para a aquisio de novosequipamentos.

Especificaes para os pra-raios mais adequadas sreais necessidades dos sistemas

APLICAO DE PRA-RAIOS EM SUBESTAES


17/98

Aplicao de pra-raios de ZnO em Subestaes

Reduo da distncia eltrica entre os pra-raiose os equipamentos protegidos:

Utilizao de pra-raios polimricos junto aos

transformadores de fora: Aumento da margem de proteo;

Possibilidade de reduo do nvel do isolamento



18/98

Coordenao do isolamento - Mtodo determinstico



19/98

TSNIA

TSNIM

NPIM PR

NPIA PR

VMAX

VMAX

MP 1,20

MP 1,15



tVtVtVRESMAX


20/98

Pra-raios junto aos transformadores de fora


APLICAO DE PRA RAIOS EM SUBESTAES


21/98

Sistema de 230 kV - CHESF





22/98

Sistema 220kV - Cazaquisto





23/98





24/98

Aplicao de pra-raios de ZnO em Subestaes

Reduo da distncia eltrica entre os pra-raiose os equipamentos protegidos:

Utilizao de pra-raios polimricos junto aos

transformadores de fora: Aumento da margem de proteo;

Possibilidade de reduo do nvel do isolamento

Pra-raios como parte integral dos equipamentos


TPICOS ABORDADOS


25/98


TPICOS ABORDADOS

Princpio de operao dos pra-raios e sua importnciana proteo dos sistemas eltricos

CRITRIOS PARA SELEO DE PRA-RAIOS DE ZnO


26/98

Seleo do pra-raios com base nas informaesdo sistema e determinao das suas caractersticas deproteo

Verificao da suportabilidade da isolao

Avaliao da coordenao do isolamento

Procedimentos para a seleo de um pra-raios

objetivando a proteo dos sistemas eltricos




27/98

Seleo do pra-raios com base nas informaesdo sistema e determinao das suas caractersticas deproteo



CRITRIOS PARA SELEO DE PRA RAIOS DE ZnO



28/98

1t

pU

rwU

Time

Voltage

cU

Tenso normal deoperao

Sobretensotemporria

SobretensesManobra e Descargas eltricasPoluio

externa




29/98

Seleo do pra-raios e determinaodas suas caractersticas de proteo

Definio da corrente de descarga nominal;

Seleo da tenso nominal do pra-raios;

Mxima tenso contnua de operaoSobretenses temporrias

Verificao das energias a serem absorvidas pelospra-raios para surtos atmosfricos e de manobra;

Determinao das caractersticas de proteo dospra-raios para surtos atmosfricos e de manobra;

Definio dos nveis de proteo; Verificao da suportabilidade a correntes de falta;

Verificao das condies ambientais;




30/98

Seleo da tenso nominal dos pra-raios de ZnO

Tenso Contnua de Operao (COV)

A tenso nominal dever se basear em duas condies:

Corresponde ao valor limite de tenso eficaz defreqncia fundamental que pode ser aplicadocontinuamente ao pra-raios sem alteraes nassuas propriedades trmicas e eltricas.



31/98


Usistema



32/98

A tenso nominal dever se basear em duas condies:

Tenso de freqncia fundamental x tempo

Associada a elevada capacidade de absoro deenergia dos elementos de ZnO. Essa

caracterstica definida pela curva Tenso defreqncia fundamental x tempo (TOVPR).




33/98

Curva tenso de freqncia fundamental x tempo



34/98

(1) A MCOV do pra-raios seja igual ou superior mximatenso operativa do sistema no ponto de aplicao do pra-raios


(2) Quando da ocorrncia de uma sobretenso sustentada, acaracterstica tenso de freqncia industrial versus tempodos pra-raios deve exceder a caracterstica amplitudeda sobretenso temporria versus durao para o sistema.

Ur1 = K1 Uc,min 1.25 ( Um/3)

UTOVUr2 = _______ = f(tTOV)

kTOV



35/98


Exemplo:

Tenso nominal Un: 550 kVefMxima tenso operativa do sistema Umax.: 318 kVef

Caso 2: Mxima sobretenso temporria: 346 kV por 3600 s

600 kV fase-fase por 1 hora

Caso 1: Mxima sobretenso temporria: 479 kV por 1 s



36/98

Seleo da tenso nominal dos pra-raios - Exemplo

325,1

min11

mUUcKUn

kVUn 9,3963

550

25,11

A MCOV do pra-raios deve ser igual ou superior mxima tenso operativa do sistema no ponto de aplicaodo pra-raios:

K1= Un/ Uc

Un= 420 kVUc= 336 kV

K1

1,25



37/98


Durante uma sobretenso temporria a caractersticatenso de freqncia industrial versus tempo dos pra-raiosdeve exceder a caracterstica amplitude da sobretensotemporria versus durao para o sistema (caso 1).

TOV

SIST

K

TOVUn 2

kVUn 2,38325,1

4792

Pelos critrios estabelecidos: Un 396,9 kV



38/98


Durante uma sobretenso temporria a caractersticatenso de freqncia industrial versus tempo dos pra-raiosdeve exceder a caracterstica amplitude da sobretensotemporria versus durao para o sistema (caso 2).

TOV

SIST

K

TOVUn 2

kVUn 2,39388,0

3462

Pelos critrios estabelecidos: Un 396,9 kV



39/98

Seleo da tenso nominal do pra-raios

VMAX1,0 pu

TOV sistema1,42,0 puTOV PR

MCOV

Ur Nveis de Proteo dos PRs



40/98

Determinar as caractersticas de proteodo pra-raios escolhido

As caractersticas de proteo dos pra-raiosdependem do tipo de pra-raios utilizado edevem ser comparadas com os nveis desuportabilidade dos equipamentos.

A tenso residual aumenta com o aumentoda amplitude da corrente de descarga.

A tenso residual aumenta com a reduo no tempode frente da onda de corrente.



41/98




42/98

Caractersticas de proteo para ospra-raios sem centelhadores

As caractersticas de proteo so definidas pela IEC60099-4/09, pela combinao dos seguintes ensaios:

Tenso residual para impulso de corrente comfrente ngreme de 1s;

Curva caracterstica "tenso residual x corrente

de descarga 8/20s;

Tenso residual para impulso de manobra.



43/98


Curva tpica para pra-raios de ZnO



44/98

Dimensionamento do invlucro do pra-raios

Para impulsos atmosfricos:Tenso de ensaio igual a 1,3 x Nvel de proteo para impulsoatmosfrico do pra-raios (IEC 60.099-4).

Para impulsos de manobra:

Pra-raios de 10 kA e 20 kA com Ur 200 kV (IEC 60.099-4)Tenso de ensaio igual a 1,25 x Nvel de proteo para impulso demanobra do pra-raios.

A freqncia industrialPra-raios 1,5 kA; 5 kA; 10 kA; e 20 kA com Ur < 200 kV (IEC 60.099-4)Tenso de ensaio (valor de crista) igual a 1,06 x Nvel de proteo paraimpulso de manobra do pra-raios.



45/98

Condies ambientaisDistncia de escoamento (linha de fuga)

DLF - Distncia de escoamento mnima para H 1.000 m:

Pra-raios de 420 kV para um sistema com mxima tensode operao de 550 kV - altura mdia de 1.000 m.a.n.m.

Nvel de poluio alto25 mm / kV fase-fase

DLF = 25 mm / kV fase-fasex 550 kV = 13.750 mm



46/98

Seleo do pra-raios com base nas informaesdo sistema e determinao das suascaractersticas de proteo






47/98

As Normas de Coordenao do isolamento definem osnveis de isolamento normalizados,em funo das tensesmximas dos equipamentos em duas faixas:

- Faixa 1: Superior a 1 kV e igual ou inferiora 245 kV.

- Faixa 2: Superior a 245 kV




48/98

Isolao dos equipamentos - Faixas 1 e 2



49/98

Seleo do pra-raios com base nas informaesdo sistema e determinao das suascaractersticas de proteo


Avaliao da coordenao do isolamento





50/98

Localizar o pra-raios o mais prximopossvel do equipamento a ser protegido

Determinar a tenso naisolao a ser protegida

Os pontos de aterramento dos pra-raios e dosequipamentos devem, se possvel, ser interligadoseletricamente.

Para a determinao da tenso nos terminais doequipamento protegido deve-se levar emconsiderao os efeitos dos cabos de conexo dadistncia de separao.



51/98

Tenso na isolao a ser protegidaEfeitos da distncia de separao

Distncia VT



52/98




53/98

Relaes de proteo

TSNIMMP3 = ---------------

NPIM

TSNIM Tenso suportvel nominal de impulso de manobraNPIM Nvel de proteo do pra-raios para impulso de manobra

TSIACFMP1 = -----------------

NPFO +V

TSIACFTenso de impulso atmosfrico cortadoNPFO Nvel de proteo do pra-raios para frente de onda

TSNIAMP2 = ---------------

NPIA +V

TSNIA Tenso suportvel nominal de impulso atmosfricoNPIA Nvel de proteo do pra-raios para impulso atmosfrico

V Valores de tenso a ser adicionados aos nveis de proteodos pra-raios, devido ao efeito da distncia de separaoe das conexes de ligao dos pra-raios.



54/98

Resumo do processo de seleo do Pra-raios

VMAX1,0 pu

TOV sistema1,42,0 pu

TSNIA

TSNIM

TOV PR

MCOV

NPIM PR

NPIA PR

Ur

VMAX

VMAX

MP 1,20

MP 1,15

Nveis de Proteo dos PRs



55/98

Exemplo - Seleo do Pra-raios 245 kV LIWV = 950 kV

VMAX142 kV

TOV sistema198 kV

TSNIA = 950 kV

TSNIM = 789 kV

TOV PR

MCOV

NPIM PR

NPIA PR

Ur

VMAX = 792 kV

VMAX = 686 kV

MP 1,20

MP 1,15




56/98

VMAX142 kV

TOV sistema198 kV

TSNIA = 1050 kV

TSNIM = 872 kV

TOV PR

MCOV

NPIM PR

NPIA PR

Ur

VMAX = 875 kV

VMAX = 758 kV

MP 1,20

MP 1,15


Exemplo - Seleo do Pra-raios 245 kV LIWV = 1050 kV

TPICOS ABORDADOS


57/98


Aspectos construtivos e tecnolgicos dos pra-raios dexido de Zinco (ZnO)

Princpio de operao dos pra-raios e sua importnciana proteo dos sistemas eltricos

ASPECTOS CONSTRUTIVOS E TECNOLGICOS DOS PRA-RAIOS DE ZnO


58/98

Evoluo dos dispositivos utilizados

Centelhadores com dieltrico de ar (A)



59/98

Centelhadores com dieltrico de ar230 kV



60/98

Centelhadores com dieltrico de ar (A) Pra-raios de Carbeto de Silcio (SiC) comcentelhadores invlucro de porcelana (B, C)




61/98

Pra-raios de SiC com centelhadores

Pra-raios de SiC com centelhadorativo em formato zig-zag.

Constitudos basicamente

por um conjunto deresistores no-lineares abase de Carbeto de Silcio(SiC) em srie com umconjunto de centelhadoreslimitadores de corrente.



62/98

Centelhadores com dieltrico de ar (A) Pra-raios de Carbeto de Silcio (SiC) comcentelhadores invlucro de porcelana (B, C)

Pra-raios de xido de Zinco sem centelhadoresinvlucros de porcelana e polimrico (D)


P i d Z O t lh d



63/98

Constitudos basicamente por um conjunto de resistores no-lineares de ZnO.

Pra-raios de ZnO sem centelhadores

P i d Z O t lh d



64/98

Os blocos de resistncia no-lineares a base de ZnOso constitudos de um material cermico denso, comum elevado grau de no-linearidade na suacaracterstica tenso- corrente.


A ausncia dos centelhadores deve-se a essa elevadano-linearidade.

P i d Z O t lh d



65/98

Comparao de desempenho com os pra-raios de SiC




66/98

Pra-raios de ZnO Pra-raios de SiC

Comparao de desempenho com os pra-raios de SiC

Caractersticas construtivas



67/98

Porcelana PolimricoColuna nica Srie- Paralelo

Caractersticas construtivasPra-raios de ZnO sem centelhadores

P i i i li i i d Z O



68/98

Principais normas aplicveis a pra-raios de ZnO

C t ti t ti



69/98

Caractersticas construtivasPra-raios de ZnO sem centelhadores - porcelana




70/98

Pra-raios sem centelhadores - porcelana




71/98

Caractersticas construtivasPra-raios sem centelhadores - polimrico

Tipos de projetos construtivos

1 Invlucro polimrico(Silicone, EPDM ou

liga EPDM/Silicone)2 Tubo de fibra de vidroreforado (FRP)

3 Flanges metlicas4 Coluna de blocos de

xido de Zinco (ZnO)5 Espaamento de arinterior do pra-raios




72/98

1 - Diafragma de alvio de sobrepresso2Mola de compresso3Meio interno (ar sco)4Blocos espaadores de alumnio

5 - Invlucro polimrico de silicone6 - Coluna de blocos de ZnO7 - Anel de fixao8 - Tubo reforado de fibra de vidro9 - Flange metlica (alumnio)


1

2

3

4

5

6

7

8

9




73/98

Pra-raios polimricoSistema 230 kV

Ca acte st cas co st ut asPra-raios sem centelhadores - polimrico




74/98

Pra-raios polimrico de 420 kV utilizadocomo isolador de pedestal (Station Post)

EnBW - Alemanha

Pra-raios sem centelhadores - polimrico




75/98



1 Invlucro polimrico(Silicone, EPDM ouliga EPDM/Silicone)

2 Tubo de fibra de vidroreforado (FRP)


xido de Zinco (ZnO)5 Espaamento de ar

interior do pra-raios




76/98

1 - Terminal de linha2 - Flange metlica3 - Bloco metlico de alumnio (terminao)

4 Encapsulamento dos blocos em umtubo de fibra de vidro (wrapping)5 - Invlucro polimrico de silicone6 - Espaadores metlicos7 - Coluna de blocos de ZnO


1

2

3

4

5

6

7




77/98





78/98


Pra-raios tipos HSR,2HSR e 3HSR

Corrente de descarga nominal de

10 kA, classe 2 de descarga delinhas de transmisso, faixa detenso de 6 a 132 kV, coluna nica.

Construo pelo processo de injeoda borracha de silicone sobre oncleo do pra-raios.




79/98

Sistema de 88 / 138 kV AES Eletropaulo





80/98

Sistema de 110 kV - Estnia





81/98



1 Invlucro polimrico(Silicone, EPDM ouliga EPDM/Silicone)

2 Tubo de fibra de vidroreforado (FRP)


xido de Zinco (ZnO)5 Espaamento de ar

interior do pra-raios




82/98





83/98


Pra-raios tipo PCA

Corrente de descarga nominal de 10 kA,Classe 3 de descarga de linhas detransmisso (7,8 kJ / kV)Faixa de tenso de 18 a 240 kVClasse de alvio de sobrepresso: 65 kA

Caractersticas construtivasP i t lh d li i



84/98



Caractersticas construtivasPra raios sem centelhadores polimrico



85/98



TPICOS ABORDADOS



86/98


Aspectos construtivos e tecnolgicos dos pra-raios de

xido de Zinco (ZnO)

p p p pna proteo dos sistemas eltricos

Ensaios de rotina e de recebimento em pra-raios

Classificao dos ensaios

ENSAIOS EM PRA-RAIOS


87/98

Principais normas aplicveis a pra-raios sem centelhadores

IEC 60099-4 Ed. 2.22009: Surge Arresters - Part 4: "Metal-Oxidesurge arresters without gaps for a.c. systems".

ANSI C62.11/2005 "IEEE Standard for Metal-Oxide surge arrestersfor AC power circuits".




88/98

Ensaios de rotina:

Consiste em um conjunto de ensaios realizadosem cada elemento de pra-raios ou pra-raios completo,

com o objetivo de verificar as caractersticas mnimas dequalidade e uniformidade de produo em conformidadecom o projeto.




89/98

Ensaios de recebimento:

Consiste em um conjunto de ensaios realizados emelementos de pra-raios, ou pra-raios completo, napresena do comprador ou seu representante, com o objetivo

de verificar a conformidade dos resultados obtidos com osvalores garantidos pelo fabricante.

Capacidade laboratorialEnsaios de rotina na fbrica em Bragana Paulista

ENSAIOS DE ROTINA E DE RECEBIMENTO


90/98

Ensaios de rotina na fbrica em Bragana Paulista

Capacidade laboratorialEnsaios de rotina na fbrica em Bragana Paulista



91/98

Ensaios de rotina na fbrica em Bragana Paulista

Ensaios em pra-raios de ZnO



92/98

Ensaios de rotina:

1. Ensaio de estanqueidade;2. Medio da tenso residual para impulso

atmosfrico corrente de descarga nominal;

3. Medio da tenso de referncia;4. Ensaio de medio das descargas parciais;5. Medio da corrente de fuga

Etapas de fabricao dos pra-raios de fabricaoTyco com invlucros de porcelana



93/98

Tyco com invlucros de porcelana

Ensaio de estanqueidadeProcedimento interno



94/98

Durante a fabricao, todos os pra-raios de porcelana sosubmetidos a um processo de produo de vcuo interno atuma presso de, pelo menos, 1,33 x 10-1 mbar. Aps isto,cada unidade submetida ao ensaio de estanqueidade. Este realizado desligando a bomba de vcuo e monitorando a

presso interna da pea. Se o valor da presso interna no forsuperior a 2,66 x 10-1 mbar ao final de dois minutos, a pea considerada aprovada. Posteriormente, a unidade preenchida com ar seco e selada.

Medio da tenso residual para impulso atmosfrico t d d i l



95/98

corrente de descarga nominal

Todos os resistores utilizados na manufatura dos pra-raiosTyco electronics / Bowthorpe EMP so ensaiadosindividualmente e os valores de tenso residual so impressosem cada um deles.

De acordo com a faixa destes valores, feita umaclassificao por grupos que tambm impressa em cada umdos resistores. Assim, durante a manufatura, os resistores soescolhidos de modo a garantir o valor de tenso residualapresentado em catlogo e/ou folha de dados garantidos.

Medio da tenso residual para impulso atmosfrico corrente de descarga nominal



96/98

corrente de descarga nominal

PALESTRA TCNICA


97/98

Obrigado pela ateno!

PALESTRA TCNICA


98/98

Jorge Luiz De Franco

[email protected]

(41) 3524-6632 / (41) 8814-8450

Palestra Alstom Para Raio

Documents

Transcript of Palestra Alstom Para Raio