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Centro Universitário Jorge Amado

Sávio Ramos

Tatiane Torres

Ubirajara de Oliveira

Transitórios atmosféricos e de chaveamento “Ondas Trafegantes”

Salvador-Bahia

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Centro Universitário Jorge Amado

Sávio Ramos

Tatiane Torres

Ubirajara de Oliveira

Transitórios atmosféricos e de chaveamento “Ondas Trafegantes”

Trabalho apresentado como requisito básico para a disciplina de Transmissão de Energia no Curso de Engenharia Elétrica.

Salvador-Bahia

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SUMÁRIO Introdução .................................................................................................... 04 1. Transitórios Impulsivos ............................................................................. 05 2.Transitórios Oscilatórios ............................................................................ 08

2.1 Transitórios Oscilatórios de Baixa Frequência ............................. 08 2.2 Transitórios Oscilatórios de Média Frequência ............................ 12 2.3 Transitórios Oscilatórios de Alta Frequência ............................... 13

3. Princípios de Proteção Contra Sobretensões Transitórias ....................... 14 4. Ondas Viajantes ....................................................................................... 16 5. Referências Bibliográficas ........................................................................ 18

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INTRODUÇÃO O termo transitório tem sido aplicado à análise das variações do sistema

de energia para denotar um evento que é momentâneo e indesejável. De outra

forma, entende-se por transitórios eletromagnéticos as manifestações ou

respostas elétricas locais ou nas adjacências, oriundas de alterações súbitas

nas condições operacionais de um sistema de energia elétrica.

Os sistemas elétricos estão sujeitos a inúmeros fenômenos transitórios,

variando desde as oscilações eletromecânicas (baixas frequências) até as

rápidas variações de tensões e correntes causadas por chaveamentos ou

mudanças bruscas de estado.

Geralmente, a duração de um transitório é muito pequena, mas de

grande importância, uma vez que os equipamentos presentes nos sistemas

elétricos estarão submetidos a grandes solicitações de tensão e/ou corrente.

Os fenômenos transitórios podem ser classificados em dois grupos, os

chamados transitórios impulsivos e os transitórios oscilatórios.

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TRANSITÓRIOS IMPULSIVOS

Um transitório impulsivo é uma súbita alteração não desejável no

sistema, que se encontra em condição de regime permanente, refletido nas

formas de ondas da tensão e/ou corrente, sendo unidirecional na sua

polaridade (primeiramente positivo ou negativo).

Em razão da alta frequência, os transitórios impulsivos são amortecidos

rapidamente devido à resistência dos componentes do sistema. Geralmente,

não são conduzidos para muito longe do ponto onde foram gerados. Estes

transitórios podem excitar ressonâncias naturais do sistema elétrico e provocar

outros tipos de transitórios, como os transitórios oscilatórios.

Normalmente são causados por descargas atmosféricas com

frequências bastante diferentes daquela da rede elétrica. A Figura 1 ilustra a

aplicação de uma descarga atmosférica na fase A de um determinado sistema

elétrico.

A Figura 2 apresenta a forma de onda da corrente da descarga

atmosférica aplicada ao sistema em análise. Como resposta do sistema à

aplicação dessa descarga, a Figura 3 apresenta as formas de onda das

tensões fase-fase no receptor. Pode-se observar que a aplicação de um

transitório impulsivo, isto é, uma descarga atmosférica, ocasionou transitórios

oscilatórios.

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Os transitórios impulsivos são normalmente caracterizados pelo seu

tempo de aumento e decaimento, os quais podem ser revelados pelo conteúdo

espectral do sinal em análise. Como exemplo, um transitório impulsivo 1,2 μs x

50 μs com 2.000 V nominalmente aumenta de zero até seu valor de pico de

2.000 V em 1,2 μs e decai a um valor médio do seu pico em 50 μs.

Como anteriormente citado, a causa mais comum de transitórios

impulsivos são as descargas atmosféricas. Devido à alta frequência do sinal

resultante, a forma dos transitórios impulsivos pode ser alterada rapidamente

pelos componentes do circuito e apresentar características significantes

quando observadas de diferentes partes do sistema de energia.

Em sistemas de distribuição, o caminho mais provável para Figura 2 –

Corrente proveniente da descarga atmosférica. Figura 3 – Tensão fase-fase no

receptor do sistema analisado. As descargas atmosféricas são por meio de um

condutor fase, no primário ou no secundário, causando altas sobre tensões no

sistema. Uma descarga diretamente na fase geralmente causa flashover na

linha próxima ao ponto de incidência e pode gerar não somente um transitório

impulsivo, mas também uma falta acompanhada de afundamentos de curta

duração e interrupções. Altas sobre tensões transitórias podem também ser

geradas por descargas que fluem ao longo do condutor terra. Existem

numerosos caminhos através dos quais as correntes de descarga podem fluir

pelo sistema de aterramento, tais como o terra do primário, o terra do

secundário e as estruturas do sistema de distribuição.

Os principais problemas de qualidade da energia causados por estas

correntes no sistema de aterramento são os seguintes:

• Elevação do potencial do terra local, em relação a outros terras, em

vários kV. Equipamentos eletrônicos sensíveis que são conectados entre duas

referências de terra, tal como um computador conectado ao telefone por meio

de um modem, podem falhar quando submetidos aos altos níveis de tensão;

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• Indução de altas tensões nos condutores fase, quando as correntes

passam pelos cabos a caminho do terra.

Em se tratando de descargas em pontos de extra alta tensão, o surto se

propaga ao longo da linha em direção aos seus terminais, podendo atingir os

equipamentos instalados em subestações de manobra ou abaixadoras.

Entretanto, a onda de tensão, ao percorrer a linha, desde o ponto de incidência

até as subestações abaixadoras para a tensão de distribuição, tem o seu valor

de máximo consideravelmente atenuado, e assim, consumidores ligados na

baixa tensão não sentirão os efeitos advindos de descargas atmosféricas

ocorridas em nível de transmissão. Contudo, os consumidores atendidos em

tensão de transmissão e supostamente localizados nas proximidades do ponto

de descarga estarão sujeitos a tais efeitos, podendo ocorrer à danificação de

alguns equipamentos de suas respectivas instalações. Como principais

medidas para mitigar os efeitos desses transitórios destacam-se o uso de

filtros, supressores de surtos (para-raios) e transformadores isoladores.

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TRANSITÓRIOS OSCILATÓRIOS OU DE CHAVEAMENTO

Também como para o caso anterior, um transitório oscilatório é uma

súbita alteração não desejável da condição de regime permanente da tensão,

corrente ou ambas, em que as mesmas incluem valores de polaridade positivos

ou negativos.

Operações de chaveamento dão origem a transitórios dependentes dos

parâmetros LC da linha e que se propagam em ambos os lados dos

disjuntores.

É caracterizado pelo seu conteúdo espectral (frequência predominante),

duração e magnitude da tensão.

A. Transitórios oscilatórios de baixa frequência

Um transitório com uma componente de frequência primária menor do

que 5 kHz, e uma duração de 0,3 ms a 50 ms, é considerado um transitório

oscilatório de baixa frequência. Estes transitórios são frequentemente

encontrados nos sistemas de subtransmissão e de distribuição das

concessionárias e são causados por vários tipos de eventos. O mais comum

provem da energização de bancos de capacitores, que tipicamente resulta em

uma tensão transitória oscilatória com uma frequência primária entre 300 Hz e

900 Hz. O pico da magnitude pode alcançar 2,0 pu, mas são tipicamente 1,3 pu

a 1,5 pu com uma duração entre 0,5 e 3 ciclos dependendo do amortecimento

do sistema. A Figura 4 apresenta um sistema composto por uma

concessionária e um banco de capacitores. A tensão no barramento e a

corrente do banco de capacitores encontram-se ilustradas nas Figuras 5 e 6,

respectivamente.

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Considerando o crescente emprego de capacitores pelas

concessionárias para a manutenção dos níveis de tensão, e pelas indústrias

com vistas à correção do fator de potência, têm-se verificado uma preocupação

especial no que se refere à possibilidade de se estabelecer uma condição de

ressonância, devido às oscilações de altas frequências, entre o sistema da

concessionária e a indústria, e assim ocorrer uma amplificação das tensões

transitórias, bem superiores às citadas anteriormente, que podem atingir níveis

de 3 pu a 4 pu.

Um procedimento comum para limitar a magnitude da tensão transitória

é transformar os bancos de capacitores do consumidor, utilizados para corrigir

o fator de potência, em filtros harmônicos. Uma indutância em série com o

capacitor reduzirá a tensão transitória na barra do consumidor a níveis

aceitáveis. No sistema da concessionária, utiliza-se o chaveamento dos bancos

com resistores de pré-inserção. Com a entrada destes resistores no circuito, o

primeiro pico do transitório, o qual causa maiores prejuízos, é

significativamente amortecido.

Transitórios oscilatórios com frequências primárias menores do que 300

Hz também podem ser encontrados em sistemas de distribuição. Estes são

geralmente associados com a ferroressonância e a energização de

transformadores. Transitórios envolvendo capacitores em série podem também

ser incluídos nesta categoria. Estes ocorrem quando o sistema responde pela

ressonância com componentes de baixa frequência na corrente de

magnetização do transformador (segunda e terceira harmônica) ou quando

condições não usuais resultem em ferroressonância. A ferroressonância é um

fenômeno caracterizado por sobretensões formas de ondas irregulares e está

associado com a excitação de uma ou mais indutâncias através de uma

capacitância série [ANSI/IEEE Std 100-1984].

Oscilações de ferroressonância podem aparecer nos TPCs devido à

possibilidade de uma capacitância entrar em ressonância com algum valor

particular de indutância dos componentes que contém núcleo de ferro. Esta

situação não é desejável no caso dos TPCs, uma vez que informações

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indesejáveis poderiam ser transferidas aos relés e aos instrumentos de

medição.

A Figura 7 ilustra um sistema elétrico onde ocorre o fenômeno da

ferroressonância. Nesse sistema o indutor não linear representa o equivalente

de um transformador e a capacitância em série representa as capacitâncias do

sistema.

As Figuras 8 e 9 apresentam, respectivamente, a tensão e corrente

obtida nesse sistema.

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B. Transitórios oscilatórios de média frequência

Um transitório com componentes de frequência entre 5 kHz e 500 kHz,

com uma duração média de dezenas de microssegundos (ou vários ciclos da

frequência principal), é referenciado como transitório oscilatório de média

frequência. Estes podem ser causados pelo chaveamento de disjuntores para a

eliminação de faltas e podem também ser o resultado de uma resposta do

sistema a um transitório impulsivo, que também podem ser causados pela

energização de linhas de transmissão.

A Figura 10 apresenta um sistema onde será realizada a energização de

uma linha de transmissão.

C. Transitórios oscilatórios de alta frequência

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C. Transitórios oscilatórios de alta frequência

Transitórios oscilatórios com uma componente de frequência maior do

que 500 kHz e com uma duração típica medida em microssegundos (ou vários

ciclos da frequência principal) são considerados transitórios oscilatórios de alta

frequência. Estes transitórios são frequentemente resultados de uma resposta

local do sistema a um transitório impulsivo. Também podem ser causados por

chaveamento de circuitos indutivos.

A desenergização de cargas indutivas pode gerar impulsos de alta

frequência. Apesar de serem de curta duração, estes transitórios podem

interferir na operação de cargas eletrônicas. Filtros de alta-frequência e

transformadores isoladores podem ser usados para proteger as cargas contra

este tipo de transitório. A Figura 12 apresenta um sistema onde será

desenergizado uma carga indutiva.

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As Figuras 13 e 14 apresentam, respectivamente, as tensões fase - fase

no barramento de conexão da carga e a corrente do sistema.

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PRINCÍPIOS DE PROTEÇÃO CONTRA SOBRETENSÕES TRANSITÓRIAS

Os problemas de sobre tensão transitória devem ser controlados pela

fonte geradora, alterando-se as características do sistema afetado pelos

transitórios ou pela utilização de equipamentos de proteção junto à carga.

Como exemplo, podemos tomar os transitórios gerados pelo chaveamento de

capacitores nos sistema elétricos das concessionárias de energia. Estes

podem ser controlados na fonte geradora, realizando o chaveamento no

momento da passagem por zero da onda de tensão. Da mesma forma, pode-se

evitar a amplificação deste tipo de transitório não utilizando capacitores em

baixa tensão nas instalações dos consumidores finais. Como forma de

proteção de equipamentos sensíveis dos consumidores seria a utilização de

filtros de linha, bem como o uso de para-raios.

Muitos problemas de transitórios em consumidores envolvem o sistema

de aterramento das instalações elétricas e sua interação com os sistemas de

comunicação, sejam as redes de comunicação local ou sistemas de proteção

de equipamentos e controle de processos. Na maioria das vezes, os

transitórios são drenados pelos equipamentos, como para-raios, varistores,

capacitores de surto etc., para o sistema de aterramento. Tais sobretensões

podem gerar acoplamentos com os sistemas de comunicação, em que mesmo

transitórios de baixa magnitude podem causar má operação ou falhas de

componentes. Para estes casos, devem-se utilizar tipos especiais de proteção

específicos.

Dentre os principais equipamentos de proteção contra sobretensões

transitórias podemos citar:

1. Supressores de surto, como varistores, centelhadores, capacitores de

surto, diodos tipo Zener, etc.;

2. Transformadores isoladores;

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3. Filtros passa baixa;

4.

5. Pará-raios (ZnO).

Coordenação de isolamento

Projetar um isolamento significa definir as características dielétricas dos sistemas e suas proteções em relação ás solicitações dielétricas dos sistemas e suas proteções em relação ás solicitações de tensão que podem ocorrer. Os elementos dielétricos ou isolantes serão as distâncias entre condutores de uma LT, as distancias destes para o solo ou a torre, óleo isolante de um equipamento, etc.

Um isolante pode ser auto-regenerativo ou não: primeiro caso ele recupera

sua capacidade isolante após a descarga, enquanto que no segundo caso não. A coordenação de isolamento compreende a seleção da suportabilidade

elétrica do equipamento e sua aplicação em relação a tensões que podem aparecer no sistema para o qual o equipamento é destinado e levando em conta as características dos dispositivos de proteção existentes, de forma a reduzir o nível aceitável do ponto de vista da confiabilidade e da economia, a probabilidade de que as solicitações de tensões impostas ao equipamento possam causar danos ao isolamento do mesmo ao afetar a continuidade do suprimento de energia.

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Os quatro critérios abaixo são tomados como base para a coordenação de isolamento:

1. Solicitações de sobretensões;

2. Suportabilidade elétrica do componente;

3. Proteção contra sobretensões;

4. O grau desejado de segurança contra sobretensões.

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ONDAS VIAJANTES

Quando ocorre uma falta em uma linha de transmissão, sinais transitórios de

corrente e tensão se propagam para a esquerda e para a direita a partir do

ponto de falta e trafegam na linha a uma velocidade próxima à velocidade da

luz; esses sinais são chamados de ondas viajantes. Essas ondas carregam

consigo a informação sobre a localização do ponto do defeito.

Quando recebidas e tratadas pelo relé de proteção, somadas aos recursos já

disponíveis como elementos de proteção internos, canal de comunicação com

o terminal remoto e sincronização de tempo baseada no Sistema de

Posicionamento Global (GPS), elas aperfeiçoam a função de localização de

faltas.

Em relés de proteção diferencial, a tecnologia de localização de faltas por

ondas viajantes é ainda mais benéfica: informa em tempo real para o Centro de

Operações o local do defeito com precisão, agilizando o trabalho da equipe de

Manutenção e o retorno à operação da linha de transmissão. Isso é possível,

pois os relés de proteção instalados detectam as ondas viajantes e calculam a

localização da falta com informações do tempo de chegada das mesmas nos

terminais, utilizando-se do canal de comunicação já existente para a função de

proteção diferencial (ANSI 87).

Os métodos de localização de faltas com base em medições de corrente e

tensão, impedância e através das ondas viajantes são complementares:

quando um não consegue localizar a falta corretamente, o outro cumpre esse

papel. Isso é importante porque em alguns casos, fatores como acoplamento

mútuo, resistência de falta e não homogeneidade dos sistemas podem causar

erros relevantes nos cálculos da localização de faltas por meio de medições de

corrente e tensão e impedância da linha.

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Já a localização de faltas via ondas viajantes, conhecida por estimar o local da

falta com mais precisão, não é totalmente confiável quando a amplitude da

onda viajante é muito baixa (no ponto de cruzamento da tensão por zero, por

exemplo). Por isso é essencial aliar os dois métodos em um único equipamento

para receber uma resposta completa para todas as condições de faltas.

As informações mais relevantes que podem ser extraídas dos sinais transitórios

originados na falta são:

O tempo de chegada das ondas transitórias nos locais onde se

encontram equipamentos de monitoração da linha;

A frequência dos sinais transitórios originados na falta.

Cada uma dessas informações dá origem a um método diferente de localização

de faltas por ondas viajantes, a saber:

Método de dupla terminação para localização de faltas por ondas

viajantes (ou double-end); desenvolvido a partir do conhecimento do

tempo de chegada das ondas transitórias em equipamentos que se

encontram em ambas as extremidades da linha;

Método de terminação simples para localização de faltas por ondas

viajantes (ou single-end); desenvolvido a partir da análise em frequência

do sinal transitório.

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Continuamente temos ondas incidentes, refletidas e refratadas na linha.

Quando ocorre uma falta, ou seja, quando há uma descontinuidade na

transmissão de energia, uma nova onda refletida e refratada é gerada naquele

ponto. Junções de linhas também geram ondas refletidas e refratadas, e uma

forma fácil de representá-las é pelo Diagrama de Lattice.

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CONCLUSÃO

O transitório eletromagnético, causado quando o sistema elétrico é

chaveado ou posto fora das condições nominais, na maioria das vezes, causa

os maiores prejuízos às concessionárias de energia elétrica. Dessa maneira é

imprescindível uma análise criteriosa desses instantes através de métodos e

softwares específicos (Simulink), pois estes podem afetar o sistema elétrico

causando poluição na rede (harmônicos).

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] CAMARGO, C. Celso de Brasil. Transmissão de energia elétrica, 4ª Ed. 2009; [2] GREENWOOD, Allan. Electrical Transients in Power Systems, 2nd Ed. 1991; [3] PAULILLO, Gilson. Transitórios. Disponível em: <http://www.osetoreletrico.com.br/web/documentos/fasciculos/ed-94_Fasciculo_Cap-XI-Qualidade-de-energia.pdf >. Acesso em: 02 de Out. 2015.