ENSAIOS DE IMPULSO ATMOSFÉRICO E DE MANOBRA JOSE

ENSAIOS DE IMPULSO ATMOSFÉRICO E DE MANOBRA
JOSE CARLOS SCHAEFER
1. INTRODUÇÃO
Desde o início da transmissão de potências em alta tensão, foi necessário demonstrar a
capacidade dos equipamentos elétricos em suportar sobretensões decorrentes de descargas
atmosféricas (sobretensões externas) e de surtos de manobra (sobretensões internas).
As sobretensões de origem externa são devidas às descargas atmosféricas diretas ou próximas
aos elementos componentes do sistema elétrico, tais como as linhas de transmissão e os equipamentos
instalados em subestações (transformadores, disjuntores, pára-raios, secionadores, etc.). As correntes
resultantes das descargas atmosféricas podem atingir até
200 kA, com tempos de crescimento de 1 µs a 10 µs.
O surto de tensão desenvolvido no sistema elétrico está relacionado ao surto de corrente
injetado pela descarga atmosférica incidente através da impedância de surto ou impedância
característica da linha de transmissão. Estas sobretensões podem atingir a várias dezenas de milhares
de volts, com taxas de crescimento elevadas, representando um real perigo aos equipamentos elétricos,
submetendo principalmente o isolamento entre espiras das porções iniciais dos enrolamentos de
transformadores e geradores a severos esforços dielétricos.
As sobretensões de origem interna quase sempre são devidas às manobras ou chaveamentos
no sistema elétrico, sendo uma das mais severas o religamento em alta velocidade de linhas de
transmissão trifásicas com carga residual, quando a sobretensão pode atingir até a amplitude de 4 pu.
Os surtos de manobra caracterizam-se por possuir tempo de crescimento de algumas centenas de µs e
duração de vários milhares de µs, possuindo em geral energia superior ao dos surtos atmosféricos,
principalmente em sistemas elétricos cuja tensão de operação é superior a 230 kV. Tais surtos de
tensão submetem a esforços dielétricos significativos principalmente a isolação externa de
equipamentos de alta tensão, sendo crítico para o dimensionamento dos espaçamentos mínimos em
linhas de transmissão e equipamentos elétricos empregados em sistemas de EAT e UAT.
A amplitude dos surtos de origem interna ou surtos de manobra pode ser minimizada através do
emprego de resistores de pré-inserção em disjuntores, drenagem (descarga) da carga residual de linhas
de transmissão e outras técnicas construtivas e critérios adequados de operação do sistema elétrico. O
emprego de técnicas apropriadas possibilita que sistemas elétricos com tensão de operação de 550 kV
sejam projetados com sobretensões devidas aos surtos de manobra limitadas a 2 pu. De modo similar, a
sobretensão interna máxima gerada em sistemas 765 kV e 1000 kV não ultrapassa a 1,3 pu. Sistemas
elétricos projetados assim, passam a ter os espaçamentos mínimos determinados principalmente pela
tensão de operação do sistema sob condições de chuva e poluição intensa, as quais podem causar
sensível redução na capacidade de isolação externa de equipamentos elétricos em extra-alta tensão.
Os equipamentos elétricos, de acordo com estudos de coordenação de isolamento,
caracterizam-se por possuir níveis de isolamento padronizados, ditados pela sua tensão nominal de
operação e denominados: NBI (Nível Básico de Isolamento) para determinar a suportabilidade do
equipamento em relação às sobretensões de origem externa e NIM (Nível de Impulso de Manobra) para
as sobretensões de origem interna.
Os geradores de impulso são então necessários para verificar as condições de suportabilidade
dos equipamentos elétricos de alta tensão, quando submetidos a esforços dielétricos normalizados.
Adicionalmente, os geradores de impulso são necessários na pesquisa e desenvolvimento de novos
equipamentos elétricos e materiais isolantes, bem como no estudo dos fenômenos associados às altas
tensões.
Vários ensaios de alta tensão são usualmente realizados com o gerador de impulso destacandose os ensaios de impulso atmosférico e impulso de manobra, pelos quais se simula, em laboratório,
sobretensões de elevada ordem, originadas, respectivamente, por descargas atmosféricas e surtos
provenientes de chaveamentos no sistema de potência. O ensaio aplicado, por exemplo, a um
transformador de força, cuja tensão nominal do enrolamento de tensão superior é de 550 kV, exige a
aplicação de tensões da ordem de 1550 kV para o ensaio de impulso atmosférico e, de 1250 kV para o
ensaio de impulso de manobra.
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Quando o ar constitui a isolação principal do equipamento em verificação, o ensaio é não
destrutivo e o fenômeno físico associado à aplicação dos impulsos tem natureza probabilística, sendo
comum a adoção de procedimentos de ensaio que utilizam métodos estatísticos, com amostragens
constituídas de um número significativo de aplicações, para permitir a determinação da suportabilidade
do equipamento em função de uma dada probabilidade de descarga.
Em aplicações práticas de laboratórios de alta tensão, os ensaios de impulso atmosférico são
realizados com maior freqüência que os ensaios de impulso de manobra, em virtude da maioria dos
equipamentos utilizados no sistema de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica estarem
mais sujeitos às sobretensões de origem atmosférica, provocadas pela incidência direta ou indireta de
raios. Segundo a norma brasileira, é recomendada a realização de ensaios de impulso de manobra
somente em equipamentos com tensão nominal não inferior a 230 kV.
2. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO GERADOR DE IMPULSO
Entre as diversas técnicas utilizadas para a geração de impulsos de tensão, a mais prática e
eficiente é a que utiliza uma associação de capacitores em série, em um circuito desenvolvido por Marx,
no início do século, podendo ser utilizado tanto para a geração de impulsos atmosféricos quanto os de
manobra.
O circuito multiplicador de Marx está apresentado na Fig. 1, constituído por apenas 4 estágios,
onde RL é denominada resistência de carga, RS a resistência de frente, Rp a resistência de cauda e Cs
a capacitância de cada estágio, sendo o objeto de ensaio representado somente por sua capacitância
Cb, em relação à terra.
Fig. 1 - GERADOR DE IMPULSO DE MARX
O princípio de funcionamento do gerador de impulso consiste em carregar os capacitores Cs de
todos os estágios em paralelo, através de uma fonte de corrente contínua usualmente com tensão
máxima da ordem de 50 kV a 200 kV, e, terminado o período de carga, a energia armazenada no
gerador de impulso é descarregada no terminal de alta tensão do objeto sob ensaio, pela disrupção
intencional dos centelhadores de esfera SG, conectando, assim, todos os estágios em série. A tensão
máxima a ser aplicada ao objeto sob ensaio será, então, a soma das tensões de carga armazenadas
nos estágios individuais. Considerando-se, por exemplo, um gerador de impulso formado por 16
estágios, sua tensão máxima de carga será equivalente a 3.200 kV, quando todos os estágios tiverem
sido individualmente carregados com a tensão de 200 kV.
3. A FORMA DE ONDA DE IMPULSO
Desprezando-se o efeito da indutância e das capacitâncias parasitas no circuito de ensaio, o
impulso de tensão aplicado ao equipamento em teste terá uma forma de onda similar à apresentada na
Fig. 3.
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Fig. 3 - FORMA DE ONDA PARA IMPULSOS ATMOSFÉRICOS
Os impulsos atmosféricos se caracterizam por possuir forma de onda padronizada como 1,2/50,
sendo o tempo virtual de frente igual a 1,2 µs e o tempo virtual de cauda equivalente a 50 µs . A sua
caracterização é feita com base na amplitude da onda de tensão, nos tempos virtuais de frente e de
cauda e, eventualmente, no tempo virtual até a disrupção, se o objeto sob ensaio não suportar a
aplicação do impulso de tensão. A determinação dos tempos virtuais, conforme mostrado na Fig. 3, é
realizada em função do zero virtual O’, definido pela reta que passa pelos pontos correspondentes a 30
% e 90 % do valor de crista, na frente da onda de impulso.
Assim, o tempo virtual de frente é determinado pelo produto da constante 1,67 e do intervalo de
tempo definido pelos instantes de 30% e 90% do valor de crista da onda de impulso atmosférico. De
modo similar, o tempo virtual de cauda é definido pelo intervalo de tempo compreendido entre o zero
virtual O’ e o instante em que a tensão tenha sido reduzida para 50% do valor de crista.
Se houverem oscilações sobrepostas na crista ou na frente da onda de impulso, cujo período
seja inferior a 1 ###s (freqüência superior a 0,5 MHz), a determinação dos instantes correspondentes a
30% e 90% do valor de crista de impulso, para fins de caracterização da forma de onda, deverá ser
realizada tomando-se como base a linha média traçada por entre os pontos extremos das oscilações,
suavizando deste modo a forma de onda de impulso medida. De qualquer modo, oscilações presentes
no sinal de impulso, próximas da crista, não devem exceder ao limite de 5% do valor de crista
determinado.
Para impulsos atmosféricos, é padronizada a técnica de medição de tempos virtuais ao invés
dos valores reais, em face à dificuldade de determinação exata do momento da aplicação do impulso, já
que o mesmo pode ser influenciado pelo transitório de disparo dos vários estágios do gerador de
impulso, principalmente quando a caracterização da forma de onda é realizada com antigos sistemas de
medição. Para impulsos de manobra, com forma de onda padronizada de 250/2.500, a frente de onda é
muito mais lenta que no caso dos impulsos atmosféricos, os tempos virtuais e reais praticamente
coincidem, sendo por isso, adotada apenas a medição dos tempos reais.
Na prática comum de laboratórios de alta tensão, a realização do ensaio de impulso em um
determinado protótipo de equipamento elétrico é constituída pela montagem do equipamento que será
testado, pelo ajuste do gerador de impulso com resistores adequados para um dado número de estágios
utilizados, pela calibração da forma de onda e pela execução propriamente dita do procedimento de
ensaio, atendendo rigorosamente às prescrições das normas técnicas apropriadas.