impulso atmosf érico em laborat ório - Poli Monografias

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IMPULSO ATMOSFÉRICO EM LABORATÓRIO – APLICAÇÃO, MEDIÇÃO E
INTERPRETAÇÃO
Mayara Cunha Cagido
Projeto de Graduação apresentado ao Curso
de Engenharia Elétrica da Escola Politécnica,
Universidade Federal do Rio de Janeiro, como
parte dos requisitos necessários à obtenção do
tı́tulo de Engenheiro.
Orientadores: Antonio C. Siqueira de Lima
Hélio de Paiva Amorim Júnior
Rio de Janeiro
Fevereiro de 2014
Cagido, Mayara Cunha
Impulso Atmosférico em Laboratório – Aplicação,
Medição e Interpretação/Mayara Cunha Cagido. – Rio de
Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, 2014.
XV, 118 p.: il.; 29, 7cm.
Orientadores: Antonio C. Siqueira de Lima
Hélio de Paiva Amorim Júnior
Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/
Curso de Engenharia Elétrica, 2014.
Referências Bibliográficas: p. 113 – 114.
1. Gerador de impulsos. 2. Impulso Atmosférico. 3.
Ensaios elétricos. I. Lima, Antonio C. Siqueira de et al. II.
Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica,
Curso de Engenharia Elétrica. III. Tı́tulo.
iii
A inspiração vem, mas tem que
te encontrar trabalhando.
Picasso
iv
Agradecimentos
Gostaria de agradecer a Deus e Nossa Senhora Aparecida por toda força e fé que
me proporcionaram durante a realização deste trabalho.
Agradeço meus pais, Margareth Cagido e Mario Cagido por sempre acreditarem
em mim, todo apoio, carinho, cuidado e compreensão que tiveram comigo durante
toda a minha graduação. São a minha base e sou muito feliz por ter o prazer de ser
filha deles.
Agradeço minha irmã, Mayra Cagido. Sou muito grata por toda torcida que
dedicou a mim. Tenho imenso amor por essa pessoa que além de irmã, é minha
melhor amiga.
Agradeço meu namorado, Rafael Buchmann. Por todas as horas de apoio e
paciência durante esses anos. É um companheiro e amigo sem igual, que me ajuda
em qualquer situação. Foi minha principal e mais importante dupla na graduação.
Agradeço minha avó Juracy Cagido, por tudo. Por sempre acreditar em mim e
me apoiar nos estudos. Não teria concluı́do a graduação sem a sua ajuda.
Agradeço Armando Cagido por ter sido um grande e presente avô. Obrigada por
ter feito parte da minha vida e por ter acreditado em mim como profissional. Sinto
imensa saudade.
Agradeço os amigos que fiz na faculdade. Obrigada pela amizade e por marcarem
minha vida, cada um com seu jeito especial. Agradeço meu amigo Felipe Cabral pela
bondade e auxı́lio em diversos trabalhos, inclusive nesse, minha amiga Nina Bordini
pelo companheirismo único, pelo carinho e pelas madrugadas de estudos, minha
amiga Yasmin Grassi pela amizade e ajuda nas matérias, minha amiga Degmar
Felgueiras pelo apoio e por sempre estar ao meu lado, meu amigo Tiago Granato
pelas boas conversas e pelo carinho de sempre, meu amigo Renan Fernandes por ser
essa pessoa de coração bondoso e meu amigo Flavio Gourlat por todos momentos
alegres. Agradeço à todos os amigos que fizeram parte dessa caminhada, que foram
muitos.
Agradeço meu professor e orientador Antonio Carlos Siqueira de Lima que se
tornou um grande amigo e me ajudou muito na realização desse projeto. Obrigada
por todos ensinamentos e por acreditar no meu trabalho.
Agradeço ao professor Robson Dias por todo o conteúdo ensinado e por ser um
v
grande amigo dos alunos.
Agradeço aos professores Jorge Nemésio e Rubens Andrade por participarem da
banca examinadora deste projeto e pelas contribuições com meu trabalho através
de suas aulas.
Agradeço a todos os professores e funcionários do Departamento de Engenharia
Elétrica da UFRJ. Sem dúvida, todos foram importantes na minha formação.
Agradeço o grande aprendizado que os profissionais do Centro de Pesquisas de
Energia Elétrica - Cepel me proporcionaram durante a execução desse trabalho.
Aprendi muito com todos, em especial com meu supervisor e orientador Hélio de
Paiva Amorim Junior, José Antônio Pinto Rodrigues, Darcy Ramalho de Mello,
Jonir Rangel, Thiago Baptista, José Carlos da Rocha, Manoel Atallah e Fernando
Dart.
vi
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como
parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Eletricista.
Impulso Atmosférico em Laboratório – Aplicação, Medição e Interpretação
Mayara Cunha Cagido
Fevereiro/2014
Orientadores: Antonio C. Siqueira de Lima
Hélio de Paiva Amorim Júnior
Curso: Engenharia Elétrica
Este trabalho reúne informações importantes sobre geradores de impulsos como suas
caraterı́sticas fı́sicas e funcionamento. Estabelece ainda os procedimentos necessários
para a sua utilização em laboratório, instruindo a montagem do circuito de alta
tensão, nı́veis de tensão aplicados de acordo com os estágios do gerador, utilização
de normas técnicas e realização de uma metodologia para obtenção de impulsos de
tensão ajustados, quando aplicados em um sistema elétrico. São feitos ensaios, em
laboratório, cuja finalidade é aplicar impulsos atmosféricos e verificar se os nı́veis
referentes ao isolamento de um transformador trifásico, isolador e transformador
de corrente estão de acordo com as tensões suportáveis nominais que definem estes
equipamentos. A consideração de normas para a realização destes testes é um fator determinante nos critérios que permitem identificar a ocorrência de defeitos no
isolamento.
Palavras-chave: Gerador de Impulsos, Impulsos Atmosféricos, e Ensaios elétricos.
vii
Sumário
Lista de Figuras
x
Lista de Tabelas
xiv
1 Introdução
1.1 Considerações Gerais
1.2 Objetivo . . . . . . .
1.3 Motivação . . . . . .
1.4 Descrição do estudo .
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2 Gerador de Impulsos - GI
2.1 Gerador de impulsos com um estágio . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Gerador de impulsos com onze estágios . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.1 Trigatron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.2 Obtenção da Resistência série total . . . . . . . . . . . . . .
2.2.3 Obtenção da Resistência em paralelo total . . . . . . . . . .
2.3 Apresentação dos Componentes do circuito de ensaio . . . . . . . .
2.3.1 Resistores de frente de impulso ou resistor série (Rsi e Rse ):
2.3.2 Retificador: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.3 Capacitância do gerador de Impulso (Cs ): . . . . . . . . . .
2.3.4 Esferas centelhadoras: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.5 Resistor de cauda de impulso ou resistor paralelo (Rp ): . . .
2.3.6 Capacitor de frente (Cf ): . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.7 Divisor de Tensão Resistivo: . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.8 Resistor de carga (Rc ): . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.9 Resistor de descarga (Rerd ): . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.10 Resistor de potencial (Rpot ): . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.11 Chopping Gap: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.12 Atenuador: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.13 Gaps Auxiliares: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4 Funcionamento do gerador de impulsos em laboratório . . . . . . .
viii
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1
1
2
2
3
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13
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21
22
22
23
26
26
27
28
28
29
29
3 Impulsos de tensão
3.1 Formas de Impulsos . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.1 Impulso Pleno . . . . . . . . . . . . . .
3.1.2 Impulso Cortado na Cauda . . . . . . .
3.1.3 Impulso Cortado na frente da onda . .
3.1.4 Importância do conhecimento dos tipos
3.2 Impulso Atmosférico . . . . . . . . . . . . . .
3.3 Impulso de Manobra . . . . . . . . . . . . . .
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de impulsos
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4 Ensaios - Estudos de caso
4.1 Transformador de Potência Trifásico . . . . . . . . . . . . .
4.1.1 Descrição do ensaio com impulso atmosférico . . . . .
4.1.2 Conexão no laboratório de alta tensão . . . . . . . .
4.1.3 Cálculos preliminares para o ajuste da forma de onda
4.1.4 Simulação do ensaio de ajuste no Matlab ou Octave .
4.1.5 Resultados - Fase A . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.6 Resultados - Fase B . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.7 Resultados - Fase C . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2 Isolador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.1 Descrição do ensaio com impulso atmosférico . . . . .
4.2.2 Conexão no laboratório de alta tensão . . . . . . . .
4.2.3 Cálculos preliminares para o ajuste da forma de onda
4.2.4 Simulação do ensaio de ajuste no Matlab ou Octave .
4.2.5 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3 Transformador de Corrente - TC . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.1 Descrição do ensaio com impulso atmosférico . . . . .
4.3.2 Conexão no laboratório de alta tensão . . . . . . . .
4.3.3 Cálculos preliminares para o ajuste da forma de onda
4.3.4 Simulação do ensaio de ajuste no Matlab ou Octave .
4.3.5 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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41
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90
91
93
100
100
102
102
103
105
5 Conclusão
111
Referências Bibliográficas
113
A Dados da simulação
116
ix
Lista de Figuras
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
2.10
2.11
2.12
2.13
2.14
2.15
2.16
2.17
2.18
2.19
2.20
2.21
2.22
2.23
2.24
2.25
2.26
2.27
2.28
Vista lateral (a) e frontal (b) do gerador de impulsos. . . . . . . . . .
Circuito de um estágio do gerador de impulsos . . . . . . . . . . . . .
Circuito equivalente da Figura 2.2 no momento do disparo . . . . . .
Circuito equivalente da Figura 2.2 no momento do disparo com correntes
Formação do impulso de tensão com a junção de duas exponenciais .
Circuito completo do gerador de impulsos . . . . . . . . . . . . . . .
Esquema do mecanismo formado pelo Trigatron . . . . . . . . . . . .
Circuito considerado no cálculo de Rs . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Circuito considerado no cálculo de Rp . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Resistência série interna (a) e externa (b) do gerador. . . . . . . . . .
Retificador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Capacitância do gerador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Esferas centelhadoras de um estágio do gerador . . . . . . . . . . . .
Resistor paralelo de um estágio do gerador . . . . . . . . . . . . . . .
Capacitor de frente do fabricante Haefely . . . . . . . . . . . . . . . .
Divisor de tensão resistivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Circuito do divisor de tensão resistivo . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Resistor de carga de um estágio do gerador . . . . . . . . . . . . . . .
Resistor de descarga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Resistor de potencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Chopping gap do fabricante Haefely . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Atenuador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Gap Auxiliar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Interface do programa utilizado para controlar o gerador de impulsos
do fabricante Haefely. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Circuito equivalente do gerador de impulso . . . . . . . . . . . . . . .
Circuito mostrando o carregamento do capacitor de frente . . . . . .
Impulso de tensão formado no carregamento dos capacitores de frente
e de carga visto na Figura 2.26 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Circuito mostrando o descarregamento do capacitor do frente . . . . .
x
5
6
7
7
9
11
14
15
17
19
20
21
21
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24
24
26
27
27
28
28
29
30
31
32
33
34
2.29 Impulso de tensão formado no descarregamento dos capacitores de
frente e de carga visto na Figura 2.28 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.30 Variação da frente da forma de onda de acordo com a variação de Rs 35
2.31 Variação da cauda da forma de onda de acordo com a variação de Rp 36
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
Impulso
Impulso
Impulso
Impulso
Impulso
4.1
4.2
4.3
4.4
Transformador trifásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ligação do lado de alta do transformador trifásico em laboratório . .
Esquema para a ligação do transformador trifásico para o ensaio elétrico
Esquema do circuito completo montado para o ensaio dielétrico do
transformador com chopping gap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Simulação da forma de onda esperada com aplicação de tensão no
transformador trifásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Resultados de tensão (a) e corrente (b) obtidos com a aplicação 1 na
fase A. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Resultados de tensão (c) e corrente (d) obtidos com a aplicação 2 na
fase A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Resultados de tensão (e) e corrente (f) obtidos com a aplicação 3 na
fase A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Resultados de tensão (g) e corrente (h) obtidos com a aplicação 4 na
fase A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Resultados de tensão (i) e corrente (j) obtidos com a aplicação 5 na
fase A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Resultados de tensão (l) e corrente (m) obtidos com a aplicação 6 na
fase A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Resultados de tensão (n) e corrente (o) obtidos com a aplicação 7 na
fase A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Resultados da sobreposição dos impulsos de tensão cortados na fase
A (p) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Resultados da sobreposição dos impulsos de tensão plenos na fase A
(q) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Resultados da sobreposição das correntes com a aplicação de impulsos
cortados na fase A (r) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Resultados da sobreposição das correntes com a aplicação de impulsos
plenos na fase A (s) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
4.10
4.11
4.12
4.13
4.14
4.15
4.16
de tensão pleno . . . . . . . . . . . . . . . . . .
de tensão cortado na cauda . . . . . . . . . . . .
de tensão cortado na frente de onda . . . . . . .
atmosférico em cadeia isoladores poliméricos . .
de manobra em cadeia de isoladores poliméricos
xi
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39
41
42
44
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57
57
61
66
66
67
67
68
68
69
70
70
71
71
4.17 Resultados de tensão (a) e corrente (b) obtidos com a aplicação 1 na
fase B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.18 Resultados de tensão (c) e corrente (d) obtidos com a aplicação 2 na
fase B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.19 Resultados de tensão (e) e corrente (f) obtidos com a aplicação 3 na
fase B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.20 Resultados de tensão (g) e corrente (h) obtidos com a aplicação 4 na
fase B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.21 Resultados de tensão (i) e corrente (j) obtidos com a aplicação 5 na
fase B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.22 Resultados de tensão (l) e corrente (m) obtidos com a aplicação 6 na
fase B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.23 Resultados de tensão (n) e corrente (o) obtidos com a aplicação 7 na
fase B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.24 Resultados da sobreposição dos impulsos de tensão cortados na fase
B (p) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.25 Resultados da sobreposição dos impulsos de tensão plenos na fase B
(q) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.26 Resultados da sobreposição das correntes com a aplicação de impulsos
cortados na fase B (r) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.27 Resultados da sobreposição das correntes com a aplicação de impulsos
plenos na fase B (s) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.28 Resultados de tensão (a) e corrente (b) obtidos com a aplicação 1 na
fase C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.29 Resultados de tensão (c) e corrente (d) obtidos com a aplicação 2 na
fase C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.30 Resultados de tensão (e) e corrente (f) obtidos com a aplicação 3 na
fase C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.31 Resultados de tensão (g) e corrente (h) obtidos com a aplicação 4 na
fase C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.32 Resultados de tensão (i) e corrente (j) obtidos com a aplicação 5 na
fase C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.33 Resultados de tensão (l) e corrente (m) obtidos com a aplicação 6 na
fase C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.34 Resultados de tensão (n) e corrente (o) obtidos com a aplicação 7 na
fase C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.35 Resultados da sobreposição dos impulsos de tensão cortados na fase
C (p) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
xii
. 73
. 74
. 74
. 75
. 75
. 76
. 76
. 77
. 78
. 78
. 79
. 80
. 81
. 81
. 82
. 82
. 83
. 83
. 84
4.36 Resultados da sobreposição dos impulsos de tensão plenos na fase C
(q) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.37 Resultados da sobreposição das correntes com a aplicação de impulsos
cortados na fase C (r) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.38 Resultados da sobreposição das correntes com a aplicação de impulsos
plenos na fase C (s) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.39 Isolador polimérico de pino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.40 Esquema para o circuito completo de ensaio do isolador sem chopping
gap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.41 Simulação da forma de onda esperada com aplicação de tensão no
isolador polimérico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.42 Transformador de Corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.43 Ligação do TC em laboratório . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.44 Simulação da forma de onda esperada com aplicação de tensão no
transformador de corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.45 Resultados do impulso de tensão com a aplicação 1 (a) e aplicação 2
(b) no TC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.46 Resultados do impulso de tensão com a aplicação 3 (c) e aplicação 4
(d) no TC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.47 Resultado do impulso de tensão com a aplicação 5 (e) no TC . . . . . 108
4.48 Resultados da sobreposição dos impulsos de tensão cortados no TC (f)109
4.49 Resultados da sobreposição dos impulsos de tensão plenos no TC (g) 110
A.1
A.2
A.3
A.4
A.5
Programa para obtenção da onda simulada . . . . . . . . . . . . . .
Programa para obtenção do tempo de frente - Parte 1 . . . . . . . .
Programa para obtenção do tempo de frente - Parte 2 . . . . . . . .
Programa para obtenção do tempo de descida . . . . . . . . . . . .
Programa para obtenção do percentual de oscilação dos impulsos cortados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
xiii
.
.
.
.
116
117
117
118
. 118
Lista de Tabelas
3.1
3.2
3.3
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
4.10
4.11
4.12
4.13
4.14
4.15
4.16
4.17
4.18
4.19
4.20
4.21
Tipos de impulsos aplicados aos ensaios de acordo com nı́vel de tensão
do equipamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Tolerâncias relativas às formas de onda de impulso atmosférico . . . . 45
Tolerâncias relativas às formas de onda de impulso de manobra . . . . 47
Informações nominais da placa do transformador testado em laboratório
Parâmetros calculados utilizados para a obtenção da forma de onda
simulada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Parâmetros medidos na onda simulada . . . . . . . . . . . . . . . . .
Parâmetros aplicados no circuito de ensaio . . . . . . . . . . . . . . .
Medições feitas no ensaio de ajuste de onda na fase A . . . . . . . . .
Medições feitas no ensaio de impulso atmosférico na fase A . . . . . .
Verificação da porcentagem das oscilações dos impulsos de tensão
cortados das Figuras 4.8, 4.9 e 4.10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Medições feitas no ensaio de ajuste de onda na fase B . . . . . . . . .
Medições feitas no ensaio de impulso atmosférico na fase B . . . . . .
Verificação da porcentagem das oscilações dos impulsos de tensão
cortados das Figuras 4.19, 4.20 e 4.21 . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Medições feitas no ensaio de ajuste de onda na fase C . . . . . . . . .
Medições feitas no ensaio de impulso atmosférico na fase C . . . . . .
Verificação da porcentagem das oscilações dos impulsos de tensão
cortados das Figuras 4.30, 4.31 e 4.32 . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Informações do isolador testado em laboratório . . . . . . . . . . . . .
Parâmetros calculados utilizados para a obtenção da forma de onda
simulada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Parâmetros medidos na onda simulada . . . . . . . . . . . . . . . . .
Parâmetros aplicados no circuito de ensaio . . . . . . . . . . . . . . .
Resultado da etapa de verificação com polaridade positiva . . . . . .
Valores obtidos na norma para a realização da correção atmosférica .
Valores obtidos durante a execução do ensaio . . . . . . . . . . . . . .
Resultado da etapa de verificação com polaridade negativa . . . . . .
xiv
51
61
61
62
62
65
69
72
73
77
79
80
84
87
92
93
93
94
95
95
96
4.22 Resultado da etapa de determinação com polaridade positiva . . . .
4.23 Resultado da etapa de determinação com polaridade negativa . . .
4.24 Informações nominais da placa do transformador de corrente testado
em laboratório . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.25 Parâmetros calculados utilizados para a obtenção da forma de onda
simulada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.26 Parâmetros medidos na onda simulada . . . . . . . . . . . . . . . .
4.27 Parâmetros aplicados no circuito de ensaio . . . . . . . . . . . . . .
4.28 Medições feitas no ensaio de ajuste de onda no TC . . . . . . . . .
4.29 Medições feitas no ensaio de impulso atmosférico no TC . . . . . . .
4.30 Verificação da porcentagem das oscilações dos impulsos de tensão
cortados das Figuras 4.45 e 4.46 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
xv
. 98
. 99
. 100
.
.
.
.
.
104
104
105
105
107
. 109
Capı́tulo 1
Introdução
1.1
Considerações Gerais
O crescente desenvolvimento do sistema de energia elétrica faz com que exista a
necessidade de uma rede de transmissão cada vez mais confiável e segura, para que
a ocorrência de determinados defeitos na linha de transmissão não prejudiquem o
fornecimento de energia aos setores de consumo.
A confiabilidade e bom funcionamento de todos os equipamentos envolvidos
na rede podem ser obtidos com a utilização de alguns métodos preventivos como
estatı́sticas matemáticas para prever determinados comportamentos, aplicação de
técnicas que visam melhorar o desempenho do sistema e conhecimento experimental
das causas dos defeitos e dos parâmetros que os qualificam.
Com base no que foi exposto, a sobretensão é a principal irregularidade estudada
nesse trabalho, sendo um efeito transitório que pode ocorrer em qualquer linha de
transmissão ou ser transmitida a diversos equipamentos.
Ocorre, então, a necessidade da realização de ensaios elétricos que buscam maior
clareza das causas das falhas e identificação das caracterı́sticas do projeto em relação
ao isolamento do equipamento testado.
Uma importante ferramenta na efetuação destes testes é o gerador de impulsos.
Este é o responsável por simular impulsos de tensão com elevadas amplitudes que
serão aplicados nos ensaios elétricos, a partir da utilização de componentes usuais
1
como resistores e capacitores.
Neste trabalho serão abordados os conceitos de um gerador de impulsos, desde
a definição até sua aplicação, a descrição e as principais caracterı́sticas associadas à
sua utilização. Em seguida, serão apresentados os resultados obtidos com a execução
de ensaios elétricos, utilizando o gerador de impulsos, em três tipos de equipamentos:
transformador trifásico, isolador polimérico e transformador de corrente.
1.2
Objetivo
O objetivo deste trabalho é a realização de um estudo sobre os aspectos que definem
um gerador de impulsos, os fenômenos transitórios que podem originar problemas
no funcionamento de alguns equipamentos e execução de ensaios elétricos para verificação da suportabilidade de determinados elementos de um sistema de transmissão
através da aplicação de impulsos atmosféricos com esse mesmo gerador.
Como benefı́cios complementares, os procedimentos detalhados visam:
• Auxiliar na execução de futuros ensaios que aplicam princı́pios semelhantes
aos mencionados nesse texto;
• Efetuar a análise da resistência elétrica oferecida à circulação de uma corrente
que surge quando uma diferença de potencial é aplicada em dois condutores
que possuem um material isolante entre estes, definida como resistência do
isolamento [1];
• Proporcionar um aprendizado sobre ensaios elétricos em alta tensão, assim
como suas particularidades, aos estudantes de engenharia interessados nessa
área.
1.3
Motivação
Visando uma maior segurança da transmissão de energia, é conveniente realizar
alguns ensaios em determinados equipamentos elétricos a fim de analisar seu com2
portamento quando exposto a algum tipo de falha do sistema. Com a busca do
melhor conhecimento sobre as falhas, proximidade com o tema do projeto durante
a realização do estágio supervisionado no Centro de Pesquisas de Energia Elétrica CEPEL e necessidade de um trabalho que reunisse as informações sobre geradores
de impulso, houve a elaboração deste trabalho que é um assunto com alta aplicação
em sistemas de potência.
1.4
Descrição do estudo
No Capı́tulo 2 são explicados todos aspectos relevantes sobre os geradores de impulsos. Com esse conhecimento fixado, será possı́vel entender a aplicação destes na
análise dos resultados obtidos a partir de testes que visam melhorar as condições de
funcionamento de alguns equipamentos elétricos.
Para facilitar o entendimento sobre os fenômenos transitórios, que geram picos
de alta tensão no sistema, o Capı́tulo 3 elabora, uma explicação sobre dois tipos de
impulsos de tensão (atmosférico e de manobra), que ocorrem em diversos pontos da
rede de transmissão e que podem causar falhas no sistema. Tópicos importantes são
mencionados como a localização da ocorrência desses impulsos, tempo de duração,
tipos de forma de onda e os parâmetros que as definem.
O Capı́tulo 4 tem por finalidade estabelecer os procedimentos práticos para a realização de ensaios em laboratórios de alta tensão. Consiste na efetuação de ensaios
elétricos, com aplicação de tensão produzidos pelo gerador de impulsos, primeiramente em um transformador trifásico, depois em um isolador polimérico e um
transformador de corrente. A realização destes ensaios mostra a maior quantidade
de situações possı́veis que ocorrem em um local de ensaio como preparação para o
teste, montagem do circuito especı́fico e aquisição e tratamento dos dados obtidos.
Todo o conteúdo estudado nesse projeto é, então, conluı́do no Capı́tulo 5. Neste
ficam esclarecidos todos os pontos mencionados nos capı́tulos anteriores, o que foi
aprendido com o desenvolvimento desse projeto, a contribuição para projetos associados à Engenharia Elétrica, assim como ideias para trabalhos futuros.
3
Capı́tulo 2
Gerador de Impulsos - GI
A principal função desse tipo de gerador é simular impulsos de tensão que poderiam
ocorrer em equipamentos de uma linha de transmissão. O gerador é formado por
um conjunto de capacitores, que são carregados em paralelo com uma tensão préestabelecida e, posteriormente, descarregados em série para, dessa forma, gerar o
impulso [2]. O impulso produzido é caracterizado por um rápido crescimento e lento
decaimento, sendo formado de acordo com os resistores e capacitores utilizados na
operação do gerador.
4
(a)
(b)
Figura 2.1: Vista lateral (a) e frontal (b) do gerador de impulsos [3].
A Figura 2.1 apresenta um gerador de impulsos do fabricante Haefely, localizado em Adrianópolis - Nova Iguaçu, no Centro de Pesquisas de Energia Elétrica Cepel, possuindo onze estágios de carregamento, que geram 100 kV cada, sendo a
capacidade total de geração de 1,1 MV.
2.1
Gerador de impulsos com um estágio
Um gerador de impulsos pode ser representado por um circuito básico de um estágio,
como pode ser visto na Figura 2.2.
Para ser gerado um impulso de tensão, na forma de onda indicada pela norma
ABNT NBR IEC 60060-1 [4], que possa ser visualizada no equipamento ensaiado,
é preciso ajustar alguns parâmetros que serão mostrados nessa seção. A solução
5
Figura 2.2: Circuito de um estágio do gerador de impulsos
esperada depende de valores de diversas resistências e capacitâncias, podendo ser
influenciada por fatores decorrentes do ambiente externo e das circunstâncias do
ensaio que será efetuado. Assim, existem diferentes tipos de impulsos que podem
ser gerados com esse equipamento, que serão melhor detalhados no Capı́tulo 3.
Antes de iniciar essa análise, é necessário identificar alguns elementos do circuito da
Figura 2.2.
C1 - Capacitor do gerador de Impulso;
R1 - Resistência em série do gerador. É responsável por definir o tempo de duração
da frente da forma de onda do impulso e o valor de pico do impulso;
C2 - Representação do elemento equivalente formado pelo capacitor de frente, equipamento sob ensaio e divisor de tensão;
R2 - Resistência em paralelo do gerador. Tem relação direta com a cauda da forma
de onda, fazendo com que dure menos ou mais o tempo entre o valor de pico
e o ponto da cauda correspondente a 50% desse mesmo valor;
G - Esferas centelhadoras. Funcionam como uma chave controlada por tensão e
como um limitador de tensão.
Pela Figura 2.2, antes de ocorrer o disparo das esferas centelhadoras, num momento t ≤ 0, o capacitor C1 é carregado com uma tensão contı́nua (Vo ). Quando
ocorre o disparo, o circuito é fechado e o capacitor C1 é diretamente conectado com o
6
restante do circuito e, consequentemente, com a carga [5]. Reorganizando o circuito,
a Figura 2.3 mostra o momento do disparo.
Figura 2.3: Circuito equivalente da Figura 2.2 no momento do disparo
Dessa forma, considerando a aplicação de uma tensão constante nesse circuito, é
possı́vel utilizar a Lei de Kirchhoff para obter tensão na carga (Figura 2.4). Então:
Figura 2.4: Circuito equivalente da Figura 2.2 no momento do disparo com correntes
i1 = i2 + i3
(2.1)
Vo − Vx
Vx
Vx − Vt
=
+
Zc1
R2
R1
(2.2)
pela Figura 2.4, é possı́vel observar que:
Vx − Vt
Vt
=
R1
Zc2
7
(2.3)
substituindo a Equação 2.3 na 2.2, temos:
Vt =
R12 R2
+
R1 R2 Zc2
× Vo
+ R1 R2 Zc1 + R1 R2 Zc2 + R1 Zc1 Zc2
R12 Zc1
(2.4)
utilizando a Transformada de Laplace na Equação 2.4 para analisar o comportamento do circuito simplificado da Figura 2.3 no domı́nio da frequência, temos que:
Vs =
R1 R2
sC2
R12 R2 +
R12
sC1
+
R1 R2
sC1
+
R1 R2
sC2
+
R1
s2 C1 C2
×
Vo
s
(2.5)
após algumas manipulações algébricas, podemos obter a seguinte solução:
Vs =
s2
+
( R21C1
+
1
R 1 C1
1
+
1
)s
R1 C2
+
1
R1 R2 C1 C2
×
Vo
R1 C2
(2.6)
assim, temos que a Equação 2.6 pode ser representada da seguinte forma:
1
Vo
×
s2 + as + b
k
(2.7)
1
1
1
+
+
R2 C1 R1 C1 R1 C2
(2.8)
1
R1 R2 C1 C2
(2.9)
Vs =
sendo:
a=
b=
k = R1 C2
(2.10)
Para encontrar a tensão na carga com a variação do tempo, é necessário realizar a
Transformada de Laplace inversa e temos:
Vt =
1
Vo
× [e−α1 t − e−α2 t ] ×
α2 − α1
k
sendo que α1 e α2 são definidos por:
8
(2.11)
a
α1 = − −
2
r
a
α2 = − +
2
r
a2
−b
4
(2.12)
a2
−b
4
(2.13)
Através da análise matemática realizada no circuito da Figura 2.3, foi possı́vel
obter uma equação geral da tensão na carga com o decorrer do tempo (Vt ). A
Equação 2.11 consiste na junção de duas funções exponenciais e representa a forma
de onda esperada no equipamento sob teste, com a utilização do gerador de impulsos. Na Figura 2.5, o sinal verde (referente ao comportamento da Equação 2.11)
é formado pelo sinal vermelho subtraı́do do azul. Essa Figura visa mostrar o desenvolvimento do impulso de tensão, mas seus detalhes como amplitude e outras
caracterı́sticas serão mencionadas no Capı́tulo 3.
Figura 2.5: Formação do impulso de tensão com a junção de duas exponenciais [6]
9
2.2
Gerador de impulsos com onze estágios
Visando a construção de um gerador que fosse capaz de produzir tensões mais elevadas, Marx desenvolveu, em 1923, um modelo de gerador de impulsos com mais
de um estágio [7]. Junto à essa prioridade, ele buscava reduzir, nessa construção, o
aparecimento de eventuais problemas como:
• Dificuldade de ajuste das esferas centelhadoras na realização de disparos;
• Falta de elementos do circuito que possuı́ssem dimensões maiores, de acordo
com o tamanho do equipamento que estava sendo desenvolvido e que seriam
utilizados no seu funcionamento;
• Dificuldade na obtenção de uma tensão contı́nua elevada;
• Aparecimento de descargas elétricas em condutores, provenientes da ionização
do ar.
Esse gerador tem o princı́pio de carregar em paralelo um banco de capacitores
com uma tensão contı́nua pré-definida. Em seguida, esse banco inicia seu processo
de descarregamento de energia em série e, através da utilização de resistores e alguns
capacitores, um impulso de tensão com uma amplitude significantemente maior é
formado no final do processo. De acordo com a tensão final que se deseja obter
com a aplicação desse gerador, utiliza-se um número especı́fico de estágios. Assim,
alguns geradores de impulsos foram construı́dos com o mesmo princı́pio desenvolvido
por Marx. O Gerador de impulsos da Figura 2.1, possui onze estágios, podendo ser
representado pelo circuito esquemático da Figura 2.6.
Com a Figura 2.6, é possı́vel visualizar o modelo desenvolvido por Marx e entender melhor alguns conceitos. Inicialmente uma tensão alternada (Vac ) é retificada
para uma tensão contı́nua Vo . Ocorre então o carregamento em paralelo dos bancos
de capacitores Cs dos onze estágios (com mesma tensão), com o auxı́lio dos resistores de carga e de potencial. Para promover uma maior distribuição de tensão entre
os estágios, dois capacitores em série foram utilizados para produzir a capacitância
10
Figura 2.6: Circuito completo do gerador de impulsos
11
equivalente desejada por estágio. O carregamento de energia dos capacitores Cs
ocorre em paralelo pelo fato das esferas centelhadoras estarem produzindo um efeito
de circuito aberto do sistema. Quando os capacitores Cs estiverem totalmente carregados, ocorre o comando de disparo das esferas, quando elas deixam de atuar
como circuito aberto e passam a ser um curto-circuito. Existem duas maneiras de
promover esse disparo:
1. Aumentando a tensão até ionizar o ar no gap entre as esferas. Dessa forma,
ocorre o disparo da tensão pela diferença de potencial nos dois pontos.
2. Manter a tensão constante nas esferas e diminuir o espaço existente entre elas,
gradativamente, até ocorrer o disparo.
Nos ensaios realizados para este trabalho, o centelhamento no gerador é efetuado
de acordo com o item 2, descrito anteriormente. Feito o disparo entre o par de esferas
do primeiro estágio, as esferas centelhadoras fecham o circuito, os capacacitores Cs
descarregam em série sobre os resistores em série e paralelo, os demais estágios
disparam e seguem o mesmo processo. As resistências em série, em paralelo, os
capacitores Cs e a capacitância representada pelo equipamento que será acoplado
ao gerador de impulsos são os principais parâmetros responsáveis pela formação do
sinal de tensão.
Para uma melhor compreensão do circuito no momento que ocorre o disparo, o
gerador da Figura 2.6 pode ser simplificado e representado através de um estágio
apenas (como na Figura 2.2), sendo:
A capacitância do gerador total:
1
Cstotal
n
X
1
=
Cs
i=1
(2.14)
a resistência série total:
Rstotal =
n
X
i=1
12
Rs
(2.15)
e a resistência em paralelo total:
Rptotal
=
n
X
Rp
(2.16)
i=1
Sendo n o número de estágios do gerador.
2.2.1
Trigatron
Dentro do primeiro estágio do gerador, existe um sistema de disparo conhecido com
Trigatron. Este é composto por dois eletrodos na forma de esferas, sendo que uma
está aterrada, e a distância entre as duas forma o gap principal. A esfera conectada
com o terra possui na sua parte interna uma haste metálica cuja extremidade coincide com o nı́vel da superfı́cie externa da esfera, o que origina um gap anular nessa
mesma esfera, com aproximadamente 1 milı́metro de comprimento (Figura 2.7). A
dimensão do gap principal é regulada de acordo com o nı́vel de tensão que o gerador será carregado. Geralmente, a distância estipulada para esse gap é um pouco
superior que sua dimensão crı́tica para que não ocorra nenhuma descarga disruptiva indesejada, já que a região entre as esferas está ionizada [8]. Assim, um pulso
de tensão de 10 kV é aplicado na extremidade da haste metálica que está oposta
ao gap anular, que provoca um centelhamento no mesmo, fazendo com que ocorra
uma descarga disruptiva no gap principal. O trigatron pode ser colocado apenas
no primeiro estágio do gerador de impulso e, mesmo assim, é possı́vel acionar os
outros estágios também, já que, por meio da irradiação luminosa provocada no gap
principal e sobretensões internas originadas pela descarga, o estágio seguinte dispara. Assim, ocorrem os mesmos fatos descritos anteriormente no segundo estágio,
que provocam o disparo do terceiro e dos outros, consecutivamente, até todos os
estágios serem disparados.
13
Figura 2.7: Esquema do mecanismo formado pelo Trigatron
O trigatron deve atuar dentro de uma faixa especı́fica, para que desempenhe
bom funcionamento no sistema em que está aplicado [8]. A faixa de operação (FO)
é definida por:
FO =
(VDC − VM in )
× 100%
VDC
(2.17)
sendo:
VDC - Tensão máxima contı́nua que o gap principal suporta, sem que o mecanismo
de disparo do trigatron inicie a operação. Isso indica que acima de VDC ocorre um
disparo sem controle denominado de Self firing;
VM in - Tensão mı́nima contı́nua, em que descarga é garantida com a aplicação
do pulso de disparo. Dessa forma, com uma tensão inferior a VM in o gap principal
não dispara, nem com o auxı́lio do trigatron. Esse efeito é denominado de No firing.
Assim, é desejado uma faixa de operação mais ampla possı́vel, para que perturbações externas como poeiras ou ruı́dos não causem o funcionamento inadequado
do trigatron.
2.2.2
Obtenção da Resistência série total
Para a realização dos ensaios elétricos, é necessário determinar os valores das resistências e capacitâncias presentes no circuito. Dessa maneira, será possı́vel ajustar
14
a forma de onda de cada ensaio, de acordo com as especificações de cada equipamento elétrico.
Para esse procedimento, costuma-se desprezar a resistência em paralelo e o circuito equivalente fica como na Figura 2.8 [2].
Figura 2.8: Circuito considerado no cálculo de Rs
Sendo que:
Vo - Tensão aplicada no circuito;
Vt - Tensão de carregamento da capacitância de carga conforme a variação do tempo;
Rs - Resistência em série total do circuito;
Cf - Capacitor de frente;
Cie - Capacitância do equipamento sob teste;
Cdt - Capacitância do divisor de tensão;
Cs - Capacitância do gerador de impulso.
Então, considerando a formulação do circuito RC para carregamento de capacitores [9]:
−Tf
Vt = Vo × [1 − e Rs C ]
(2.18)
dessa forma, é possı́vel definir C como:
C=
Cs × (Cf + Cie + Cdt )
Cs + Cf + Cie + Cdt
Considerando:
15
(2.19)
• Tempo de frente (Tf ) visto na norma ABNT NBR IEC 60060-1 [4];
• Tempo em que o impulso atinge 90% da tensão de pico T90% na subida da
onda;
• Tempo em que o impulso atinge 30% da tensão de pico T30% na subida.
temos que:
Tf = 1, 67 × (T90% − T30% )
(2.20)
substituindo Tf e aplicando a definição de T90% na Equação 2.18:
0, 9Vo = Vo × [1 − e
0, 1Vo = e
−T90%
Rs C
]
−T90%
Rs C
(2.21)
(2.22)
aplicando a definição de T30% na Equação 2.18:
0, 3Vo = Vo × [1 − e
0, 7Vo = e
−T30%
Rs C
]
−T30%
Rs C
(2.23)
(2.24)
dividindo a Equação 2.24 pela 2.22 e aplicando o logaritmo neperiano em ambos os
lados da equação resultante, temos que:
1, 946 =
T90% − T30%
Rs C
(2.25)
substituindo a Equação 2.20 em 2.25:
Tf = (1, 67 × 1, 946) × Rs C = 3, 25 × Rs C
16
(2.26)
Rs =
Tf
3, 25 × C
(2.27)
É importante observar que o valor de Rs encontrado na Equação 2.27, é a resistência
série total, ou seja, é a soma das resistências em série internas de cada estágio e a
resistência externa.
2.2.3
Obtenção da Resistência em paralelo total
Para encontrar a resistência em paralelo total do circuito, temos que desprezar a
resistência série [2]. Para isso, considera-se o circuito da Figura 2.9.
Figura 2.9: Circuito considerado no cálculo de Rp
Considerando os mesmos parâmetros descritos na Seção 2.2.2, sabendo que Rp
é a resistência em paralelo total do circuito e Tc é o tempo de cauda do impulso de
tensão, temos que:
−Tc
Vt = Vo × e Rp C 0
(2.28)
C 0 = Cs + Cf + Cie + Cdt
(2.29)
C’ é definido como:
sabendo que o tempo de cauda é o momento em que o decaimento do impulso de
tensão atinge 50% do valor de pico da forma de onda, temos que:
17
−Tc
0, 5Vo = Vo × e Rp C 0
(2.30)
aplicando o logaritmo neperiano:
Tc = 0, 7 × Rp × C 0
Rp =
2.3
Tc
0, 7 × C 0
(2.31)
(2.32)
Apresentação dos Componentes do circuito
de ensaio
Conhecendo o tipo de circuito do gerador de impulsos e seu processo de funcionamento, é possı́vel determinar cada componente da rede através de uma análise visual
do gerador e, assim, conhecer os principais elementos que o constituem.
2.3.1
Resistores de frente de impulso ou resistor série (Rsi
e Rse ):
Este resistor tem relação direta com a indutância do circuito de impulso e com a
sua carga capacitiva. Com o objetivo de reduzir as oscilações na forma de impulso
atmosférico, pode ser usado adicionalmente um resistor série externo ao gerador,
definido por Rse . O Rse tem normalmente o formato de fita, pode ser ajustado de
acordo com o ensaio e possui um nı́vel de isolamento nominal de 300 kV por metro.
A parcela interna da resistência série é fixa e definida por Rsi .
18
(a)
(b)
Figura 2.10: Resistência série interna (a) e externa (b) do gerador [3].
2.3.2
Retificador:
É o responsável por produzir uma tensão de corrente contı́nua suficiente para promover o carregamento dos capacitores de todos os estágios do gerador, em paralelo.
Por isso, é considerado fundamental na montagem do circuito do gerador. Pode ser
de diversos tipos, como monofásicos ou trifásicos, em meia ponte ou ponte completa,
mas nesse caso especificamente, é monofásico com ponte completa. O retificador possui um reversor de polaridade motorizado, que permite ao operador aplicar tensão
positiva ou negativa ao equipamento de teste, através do gerador de impulsos e
um resistor de amortecimento, para reduzir uma possı́vel sobretensão, através da
limitação da corrente decorrente de um eventual curto-circuito.
19
Figura 2.11: Retificador [3]
2.3.3
Capacitância do gerador de Impulso (Cs ):
Responsável por realizar o carregamento da energia até o valor de tensão desejado
para a aplicação. Possuem resistência interna e indutância próximas de zero, sendo
possı́vel, dessa forma, que o capacitor opere com alta carga na aplicação do impulso.
Necessitam de apoio isolante para a sustentação, pois são utilizados dois capacitores
em série para a formação da capacitância total do gerador. São repletos de óleo
isolante mineral que fica acomodado em tanques metálicos bem lacrados.
20
Figura 2.12: Capacitância do gerador [3]
2.3.4
Esferas centelhadoras:
Desempenham a função de colocar os estágios do gerador em paralelo ou série, de
forma que o carregamento ocorra em paralelo e o disparo ocorra em série, para que
seja aplicado o somatório das tensões das esferas no objeto de ensaio. Deve possuir
um método de disparo bastante seguro e eficaz, para que não ocorram falhas na
aplicação do impulso, nem possı́veis acidentes de disparo antecipado. É nas esferas
que ocorre o método de disparo conhecido como trigatron.
Figura 2.13: Esferas centelhadoras de um estágio do gerador [3]
21
2.3.5
Resistor de cauda de impulso ou resistor paralelo (Rp ):
Está relacionado com a capacitância do gerador de impulso. É o responsável por
auxiliar uma melhor distribuição da tensão entre os estágios do gerador durante o
seu carregamento.
Figura 2.14: Resistor paralelo de um estágio do gerador [3]
2.3.6
Capacitor de frente (Cf ):
Assim que ocorre o disparo das esperas, este capacitor se comporta como um curtocircuito e, com isso, circula muita corrente pelo mesmo, acontecendo o acúmulo de
tensão. À medida que o tempo passa, alcança seu nı́vel máximo de energia e, em
seguida, descarrega gradativamente.
22
Figura 2.15: Capacitor de frente do fabricante Haefely [3]
2.3.7
Divisor de Tensão Resistivo:
Utilizado para possibilitar a medição de tensão no equipamento de teste, durante a
aplicação do impulso. Transmite ao osciloscópio uma tensão de saı́da proporcional
à tensão de entrada do divisor, de forma que seja viável ao instrumento medir de
maneira segura e confiável. Sua principal vantagem é possuir um curto tempo de
resposta, por isso são aplicados em ensaios com impulsos atmosférico.
23
Figura 2.16: Divisor de tensão resistivo [3]
O divisor da Figura 2.16 possui o seguinte circuito equivalente, considerando as
capacitâncias e indutâncias parasitas existentes:
Figura 2.17: Circuito do divisor de tensão resistivo [10]
Os divisores resistivos possuem duas desvantagens:
A primeira é que seu funcionamento não é adequado para sinais com alta frequência,
pela resposta do circuito da Figura 2.17 possuir ganho unitário até alguns mega-hertz
e por tornarem relevantes os efeitos das capacitâncias parasitas [10]. Assim, para
um bom desempenho do funcionamento do divisor, é indicado usar resistores com
baixos valores, na ordem de até 1 kΩ [11].
A segunda é o fato do gerador identificar o divisor como uma carga resistiva,
24
provocando uma complicação no ajuste da forma de onda. O gerador deve ser
adaptado para considerar o divisor utilizado, substituindo seus resistores séries por
outros de baixo valor. A utilização de baixas resistência melhoram a execução
das funções em alta frequência, mas faz com que o divisor se comporte como um
curto-circuito no sistema. Isso prejudica a medição de impulsos acima de alguns
micro-segundos [10].
Quando se trata de um ensaio com impulso de manobra (visto no Capı́tulo 3),
não é aconselhável utilizar um divisor resistivo, pelo fato de seu tempo de resposta
ser bastante rápido e pelos componentes do divisor proporcionarem uma absorção
de pouca energia. Por isso, ele é o mais utilizado para impulsos atmosféricos plenos
ou cortados e para geradores que produzem até 1 MV [11]. Deve possuir altura
adequada para garantir o isolamento elétrico para elevadas tensões.
Efeitos capacitivos:
As capacitâncias parasitas são indesejáveis na realização do ensaio, por originarem
diversas oscilações na forma de onda produzida pelo gerador e por prejudicarem o
desempenho dinâmico desses divisores.
Efeitos indutivos:
As indutâncias são provenientes dos resistores utilizados para a construção dos divisores, sendo evidenciadas em divisores com baixas resistências, como nesse caso.
Elas se tornam consideráveis por estarem associadas à constante de tempo indutiva (L/R) do circuito do divisor[11]. Assim, existem resistores projetados para
possuı́rem baixo valor ôhmico e baixa indutância, mas que não conseguem absorver a energia total que é transmitida pelo gerador, já que esse divisor provoca um
aumento na energia dissipada nos resistores em alta tensão.
25
2.3.8
Resistor de carga (Rc ):
Desempenham a função de limitar a corrente de carga dos capacitores do gerador
de impulso.
Figura 2.18: Resistor de carga de um estágio do gerador [3]
2.3.9
Resistor de descarga (Rerd ):
Possui a função de escoar a carga residual dos capacitores de impulso após o funcionamento do gerador e de imediatamente aterrar o gerador com o surgimento de
qualquer emergência durante sua operação. Sem esses resistores, no aparecimento
de um problema que necessite o aterramento do circuito, poderia ocorrer o disparo
do primeiro estágio do gerador (e, consequentemente, dos outros estágios), decorrente da ligação direta entre o gerador e o terra através do acionamento da chave de
aterramento. São posicionados em série com a parte móvel dessa chave do gerador
de impulso.
26
Figura 2.19: Resistor de descarga [3]
2.3.10
Resistor de potencial (Rpot ):
Possui elevada resistência. Destina-se a promover o aterramento da carcaça dos
capacitores do gerador e auxiliar o controle da distribuição de potencial durante o
carregamento dos estágios em operação. Este último é o motivo de serem normalmente empregados em geradores de impulsos com mais de um capacitor por estágio.
Figura 2.20: Resistor de potencial [3]
27
2.3.11
Chopping Gap:
É um centelhador formado com eletrodos esfera-esfera, separados pelo ar (gap). Tem
o objetivo de produzir uma descarga elétrica e, consequentemente, o corte na cauda
ou frente do impulso de tensão.
Figura 2.21: Chopping gap do fabricante Haefely [3]
2.3.12
Atenuador:
É um dispositivo eletrônico com aplicação no sistema de medição, que reduz a amplitude e potência de um sinal, sem produzir uma distorção notável na sua forma
de onda. Também protege os equipamentos de medição contra nı́veis de tensões que
possam danificá-los. Nesse trabalho, atenuador possui relação 20:1.
Figura 2.22: Atenuador [3]
28
2.3.13
Gaps Auxiliares:
Os gaps auxilares possuem a finalidade de melhorar a confiabilidade do trigatron e
ampliar a faixa de operação do gerador de impulso. Esses dispositivos disparam no
intervalo de tempo entre o disparo do estágio em que estão conectados e o disparo
do estágio posterior.
Figura 2.23: Gap Auxiliar [3]
2.4
Funcionamento do gerador de impulsos em laboratório
Para a operação do gerador do Cepel, é necessário atribuir uma polaridade, positiva
ou negativa, e um nı́vel de amplitude desejada (Vac ) ao impulso de tensão. O operador controla o funcionamento do gerador através da manipulação de um software
no computador do laboratório, definido como GC 257 Impulse (Figura 2.24).
No GC 257, podem ser alterados diversos parâmetros como a tensão aplicada, o
tipo de polaridade, a distância entre o gap das esferas, o tempo para o disparo do
gerador e acionamento do chopping gap. Depois da aplicação do impulso, é possı́vel
observar a tensão total gerada, o rendimento (eficiência) do gerador e corrente medida, que serão os valores mais utilizados nesse trabalho.
Aplicados os parâmetros desejados no GC 257, o sistema inicia o funcionamento
do gerador. Um retificador carrega em paralelo o banco de capacitores do gerador
com uma tensão contı́nua (Vo ). Quando o banco conclui seu carregamento total, um
circuito comparador indica ao circuito de trigger que a tensão escolhida inicialmente
29
Figura 2.24: Interface do programa utilizado para controlar o gerador de impulsos
do fabricante Haefely [3].
30
foi alcançada. O circuito de trigger é um detector que gera um pulso ao GC 257
para indicar que o sinal comparado atingiu a tensão especificada no programa. Em
seguida, o GC 257 envia ao gerador um comando de disparo para o primeiro par de
esferas centelhadoras, que funciona como uma chave controlada por tensão, estando
aberta no momento inicial. Essas esferas são eletrodos que possuem o mecanismo de
disparo trigatron. Esse dispositivo consiste na existência de uma haste metálica dentro de uma esfera, que gera um centelhamento na região ionizada entre os eletrodos,
provocando o disparo, como foi explicado com detalhes na seção 2.2.1. A descarga
disruptiva gerada provoca o fechamento em série do circuito e, simultaneamente,
envia um transitório de tensão para os outros estágios, que dispara todas as outras
esferas do gerador. Com isso, toda a tensão de carga de cada capacitor é somada,
ficando evidenciado que o gerador carregou os capacitores em paralelo e realizou
o descarregamento dos mesmos em série. O gerador produzirá no final do ciclo a
tensão dos onze estágios somados, formando a crista do impulso. Para analisar mais
claramente o comportamento do circuito completo do gerador, podemos simplificar
o estudo e observar o circuito equivalente em um estágio apenas (Figura 2.25).
Figura 2.25: Circuito equivalente do gerador de impulso
Sendo Cie a capacitância proveniente do equipamento sob ensaio, Cdt a capacitância do divisor de tensão e os parâmetros Cs , Rs e Rp definidos na Equações
2.14, 2.15 e 2.16, respectivamente. É importante entender como funciona esse circuito no momento em que ocorre o disparo das esferas. Para isso, foram feitos dois
esquemas que podem ser visualizados em seguida, que facilitam a compreensão desse
fenômeno.
31
A teoria de circuitos elétricos [9] indica que um capacitor no instante inicial,
funciona como curto-circuito para um pulso de corrente e, conforme ocorre o carregamento desse capacitor, este adquire caracterı́sticas de circuito aberto, sendo que
no final do processo de armazenamento de energia, não circula mais corrente alguma
por este componente.
Com isso, no instante que ocorre o disparo das esferas, a corrente inicial se divide.
Como o capacitor de frente (Cf ) se comporta como um curto-circuito, a corrente
inicial flui quase completamente pelo (Cf ) e uma parcela desprezı́vel dessa corrente
flui pelo resistor em paralelo. Este processo continua até que o nı́vel de tensão de
descarga entre as esferas e o de carga (formada pelo capacitor de frente, equipamento
sob ensaio - Cie e divisor de tensão - Cdt ) se igualem (Figura 2.26). O ponto máximo
de energia acumulada no capacitor de frente é conhecido como tensão de crista e a
parte da onda formada até esse ponto é denominada frente de onda (Figura 2.27). A
constante de tempo da subida do impulso, originado por esse carregamento, é dada
pelo resistor série e pela capacitância de frente (observa-se que essa capacitância
encontra-se em paralelo com a capacitância do equipamento de teste).
Figura 2.26: Circuito mostrando o carregamento do capacitor de frente
32
Figura 2.27: Impulso de tensão formado no carregamento dos capacitores de frente
e de carga visto na Figura 2.26 [6]
Quando o capacitor de frente alcança seu ponto máximo de carregamento (Figura 2.26), a passagem de corrente através deste componente é interrompida. Começa,
então, o processo de descarga desse capacitor, momento que acontece a inversão do
sentido da corrente, que passa a circular pelo resistor em série e, em seguida, pelo
resistor em paralelo (Figura 2.28). A constante de tempo da cauda desse impulso
é dada pelo resistor em paralelo (que nessa etapa está em série com a resistência
série, em decorrência das esferas estarem produzindo um efeito de circuito aberto no
sistema) e pela capacitância do gerador. Dessa forma, ocorre a produção da cauda
do impulso de tensão gerado (Figura 2.29).
33
Figura 2.28: Circuito mostrando o descarregamento do capacitor do frente
Figura 2.29: Impulso de tensão formado no descarregamento dos capacitores de
frente e de carga visto na Figura 2.28 [6]
Como mencionado, a resistência em série está diretamente relacionada com a
formação da frente do impulso de tensão, ou seja, quanto maior seu valor ôhmico,
maior será a duração do tempo da frente de onda, como pode ser visualizado na
Figura 2.30.
34
Figura 2.30: Variação da frente da forma de onda de acordo com a variação de Rs
[6]
A resistência em paralelo, possui uma ligação com a formação da cauda do impulso de tensão. Assim, quanto maior o valor dessa resistência, mais lento será o
decaimento da onda (Figura 2.31).
35
Figura 2.31: Variação da cauda da forma de onda de acordo com a variação de Rp
[6]
36
Capı́tulo 3
Impulsos de tensão
O objetivo principal deste capı́tulo é apresentar os diferentes tipos de impulsos de
tensão que podem ocorrer numa rede de transmissão de energia elétrica e em diversos
equipamentos.
Embora o sistema elétrico opere sem consideráveis oscilações na rede em grande
parte do tempo, este deve ser capaz de suportar qualquer demanda elevada de energia, que é geralmente originada durante uma situação transitória no sistema elétrico.
Por essa razão, os transitórios são um fator decisivo no desenvolvimento de uma rede
de energia, na elaboração das especificações dos elementos que as constituem e no
dimensionamento do isolamento das linhas de transmissão e subestações.
Nos sistemas, os transitórios elétricos podem ocorrer devido à uma série de motivos, sendo que estes podem produzir sobretensões, sobrecorrentes, forma de onda
fora das condições normais e transitórios eletromecânicos. A sobretensão será o
efeito transitório mais estudado neste trabalho e o que motivou a execução dos
ensaios elétricos que serão vistos no Capı́tulo 4.
Sobretensão é uma condição que varia com o decorrer do tempo, cuja principal
caracterı́stica é possuir amplitudes maiores que o valor de crista da tensão de um
√
sistema, lembrando que tensão máxima trifásica é a tensão de pico dividida por 3
e monofásica é a própria tensão de pico [12]. É relevante considerar o valor desta
última pelo fato ser possı́vel ocorrer uma sobretensão entre as fases da rede elétrica
ou entre uma fase e terra.
37
A localização desse evento transitório é uma importante caracterı́stica que determina a origem e o tipo de sobretensão. A de origem externa ocorre fora do
ambiente que pertence ao sistema elétrico, sendo geralmente provenientes de descargas atmosféricas. A de origem interna acontece dentro do espaço de uma rede
de transmissão, produzida a partir de surtos de manobras ou curto-circuito. Assim as sobretensões são classificadas de acordo com sua localização, quanto ao seu
comportamento, nı́vel de amortecimento e tempo de duração, sendo definidas como
Impulso atmosférico ou Impulso de Manobra [12].
Com isso, torna-se necessário testar diversos elementos de uma linha de transmissão, assim como seus equipamentos, quanto à tensão suportável sob impulso
atmosférico ou de manobra, a fim de melhorar as condições de isolamento e suas
caracterı́sticas de projeto.
Dependendo do nı́vel de tensão nominal do equipamento elétrico é possı́vel indicar o tipo de impulso de tensão que poderá ser aplicado, conforme pode ser visualizado na Tabela 3.1. Os impulsos atmosféricos são utilizados em equipamentos
com classes de tensão de 720 V a 750 kV, porque estes estão sujeitos a danos por
descargas externas. Os surtos de manobra apenas causam falhas significativas em
equipamentos com tensão nominal acima de 230 kV, no qual a sua magnitude é
considerável [13].
Tabela 3.1: Tipos de impulsos aplicados aos ensaios de acordo com nı́vel de tensão
do equipamento [13]
Aplicação
Tensão nominal preferencial dos equipamentos
Manobra
maior que 230 kV
Atmosférico
até 750 kV
As próximas seções têm a finalidade de promover um estudo mais detalhado e,
consequentemente, o melhor conhecimento dos impulsos atmosféricos e de manobra.
38
3.1
Formas de Impulsos
3.1.1
Impulso Pleno
A principal caracterı́stica de um impulso de tensão pleno é a inexistência de uma
interrupção repentina causada por uma descarga disruptiva, sendo representado por
uma onda completa. Este tipo descarga está associada à falha do isolamento do
equipamento diante de uma perturbação elétrica.
Figura 3.1: Impulso de tensão pleno [3]
Para entender melhor cada tipo de impulso, é necessário definir alguns parâmetros
que serão utilizados na realização de ensaios elétricos.
Tempo de frente (Tf ) - É definido por:
Tf = 1, 67 × (T90% − T30% )
(3.1)
Sendo:
T30% - tempo correspondente ao instante que o impulso atinge 30% da tensão
de pico (ponto 1).
39
T90% - tempo correspondente ao instante que o impulso atinge 90% da tensão
de pico (ponto 2).
Esses valores são resultados de uma semelhança de triângulos que pode ser
observada na Figura 3.1 (triângulos O0 1T30% , O0 2t90% e O0 Vp Tp );
Tempo de cauda (Tc ) - Conhecido como o intervalo de tempo entre a origem virtual (O’) e o instante equivalente à metade do valor de crista na cauda da
onda (ponto 3);
Tempo de pico (Tp ) - Corresponde ao tempo que a onda atinge o valor da tensão
de pico;
Origem virtual (O’) - Ponto definido na interseção entre o eixo x e a reta constituı́da pelos instantes T30% e T90% (ponto 1 e 2, respectivamente);
Tensão de pico (Vp ) - Tensão máxima visualizada no impulso de tensão, também
conhecida como tensão de crista;
Origem (O) - Instante que o impulso de tensão começa a ser registrado.
3.1.2
Impulso Cortado na Cauda
O impulso cortado na cauda (Figura 3.2) possui como caracterı́stica uma interrupção
por uma descarga disruptiva, causando uma queda brusca de tensão até um valor
nulo. Nessa queda pode haver o surgimento de oscilações, sendo a mesma demonstrada por um corte na forma de onda, que ocorre na cauda do impulso de tensão.
40
Figura 3.2: Impulso de tensão cortado na cauda [3]
O centelhador externo Chopping gap é o responsável por provocar corte na forma
onda semelhante ao da Figura 3.2.
Tempo de corte (Tc ) - Conhecido como o intervalo de tempo entre a origem virtual (O’) e o momento que ocorre o corte da onda.
As definições da origem virtual (O’), tensão de pico (Vp ) e tempo de frente (Tf )
são equivalentes as mencionadas na Seção 3.1.1. Assim como o impulso atmosférico
pleno, o impulso cortado também possui uma padronização para sua aplicação. Na
forma normalizada, o tempo de corte do impulso cortado deve pertencer ao intervalo
entre 2µs e 6µs [8].
3.1.3
Impulso Cortado na frente da onda
Existe ainda mais um tipo, denominado impulso cortado na frente da forma de onda
(Figura 3.3). Este é caracterizado por uma interrupção repentina na tensão, antes
de o impulso alcançar seu valor de tensão máxima.
41
Figura 3.3: Impulso de tensão cortado na frente de onda [3]
Sendo:
Vp - Tensão de pico (conforme definição da Seção 3.1.1);
Tc - Tempo de corte (conforme definição da Seção 3.1.2);
O’ - Origem virtual (conforme definição da Seção 3.1.1);
Tf - Tempo de frente (conforme definição da Seção 3.1.1).
3.1.4
Importância do conhecimento dos tipos de impulsos
Para a análise das sobretensões existentes em um sistema elétrico, é importante conhecer as caracterı́sticas de cada impulso (pleno e cortado). Devido à operação de
diversos tipos de equipamentos de proteção e as perdas promovidas pelas diferentes configurações da rede elétrica, várias formas de onda de surtos de tensão são
observadas nos sistemas de alta tensão.
Os impulsos plenos (Figura 3.1) simulam falhas que se propagam por um determinado comprimento da linha de transmissão antes de atingir o equipamento
42
elétrico. Dessa forma, o surto de tensão varia de zero até a crista e decai até o
tempo de meio valor, com caracterı́sticas semelhantes às das formas de onda padronizadas nas Seções 3.2 e 3.3. A forma de onda plena causa o desenvolvimento de
maiores oscilações de tensão devido sua maior duração, necessitando de consideráveis
solicitações de isolamento do equipamento.
Os impulsos cortados na cauda (Figura 3.2) podem acontecer em decorrência
do rompimento do isolamento em pontos especı́ficos do circuito (como isoladores
ou árvores próximas das linhas), resultando em ondas com uma grande variação da
amplitude de tensão. Por exemplo, simulam a condição da crista da sobretensão
penetrar totalmente nos terminais de um transformador e, posteriormente, provocar
uma disrupção em um isolador próximo da linha de transmissão. Estes impulsos
não produzem fortes oscilações como os impulsos plenos, mas possuem amplitudes
superiores, gerando tensões mais elevadas.
Finalmente, os impulsos cortados na frente da onda (Figura 3.3), simulam a
condição de uma sobretensão atingir diretamente ou muito próxima dos terminais
de um equipamento, como um transformador. Assim, o elevado nı́vel de crescimento
da tensão provoca uma disrupção no equipamento atingido. Estes impulsos possuem
como caracterı́sticas tempo de duração menor, mas elevada taxa de variação.
Desse modo, as três formas de onda apresentadas, possuem diferentes tempos de
durações e taxas de variações, solicitando de maneira diferenciada as condições de
isolamento do equipamento em questão.
3.2
Impulso Atmosférico
Os impulsos atmosféricos (Figura 3.4) são sobretensões derivadas de surtos atmosféricos ou de outro evento externo que possua caracterı́sticas semelhantes ao
impulso de tensão atmosférico padronizado por norma ABNT NBR IEC 60060-1
[4], utilizado em ensaios elétricos. Quando atingem o sistema, a amplitude das ondas de tensão resultantes é limitada pelo Nı́vel Básico de Isolamento (ver Seção 4.1).
Podem ocorrer entre as fases ou entre fase-terra de um sistema elétrico, com duração
43
na ordem de microsegundos e com valor de amplitude máxima na ordem de 6 p.u.
[12]. Equipamentos, com determinado isolamento, conseguem suportar esse alto
nı́vel de tensão devido à curta duração desse tipo de impulso. Normalmente, uma
forma de onda é considerada uma sobretensão originada de descargas atmosféricas
quando a sua origem leva até 20 µs para alcançar seu valor máximo e até 50 µs para
atingir 50% do seu valor de crista, considerando a partir do tempo em que ocorreu
o valor de pico.
Figura 3.4: Impulso atmosférico em cadeia isoladores poliméricos [3]
Esse tipo de sobretensão pode ocorrer de três diferentes maneiras:
1. Por tensão induzida - A descarga elétrica atinge o solo em um local próximo
da linha de transmissão.
2. Por falha da blindagem - Apesar da linha ser protegida com a utilização de
cabos para-raios, a descarga elétrica pode atingir um condutor de fase. Tratase de um fenômeno altamente prejudicial aos equipamentos elétricos, por ser
injetado um elevado nı́vel de corrente no sistema, que propaga-se em forma de
duas ondas em sentidos opostos.
44
3. Por descarga de retorno - A torre da rede de transmissão ou o cabo para-raio
é atingido pela descarga elétrica. Em seguida, ocorre um centelhamento entre
o condutor de fase e o elemento atingido devido ao comportamento capacitivo
existente entre eles. Isso faz com que o condutor seja exposto a um alto nı́vel
de energia, ficando no mesmo potencial elétrico que o elemento. Assim, a
sobretensão é propagada para os demais componentes da rede elétrica.
Na aplicação de impulsos atmosféricos em ensaios elétricos, com a finalidade de
testar a capacidade de isolamento de diversos tipos de elementos de uma linha de
transmissão, consideram-se formas de onda padronizadas, de acordo com a norma
técnica ABNT NBR IEC 60060-1 [4], que visam facilitar a geração do impulso
e análise dos resultados. Para um impulso atmosférico pleno, temos que a onda
normalizada consiste num tempo de frente de 1,2 µs e tempo de cauda de 50 µs,
também conhecido como impulso 1,2/50 µs [8].
As normas possuem tolerâncias relativas aos tempos de frente e de cauda, tendo
em vista que encontrar um ajuste de onda com esses valores exatos seria inviável.
Assim, os impulsos atmosféricos desenvolvidos em testes de laboratórios possuem as
especificações da Tabela 3.2.
Tabela 3.2: Tolerâncias relativas às formas de onda de impulso atmosférico [4]
Parâmetro
Tempo de frente
Tempo de cauda
3.3
Variação da tolerância
± 30%
± 20%
Tolerância
entre 0,84µs e 1,56µs
entre 40µs e 60µs
Impulso de Manobra
Os impulsos de manobra (Figura 3.5) são sobretensões provenientes do funcionamento de um equipamento de manobra ou defeito no sistema elétrico. Vale lembrar
que a norma ABNT NBR IEC 62271-102:2006 [14] define equipamentos de manobra como: ”Dispositivos elétricos destinados a estabelecer ou interromper corrente
elétrica, em um ou mais circuitos elétricos”, como disjuntores e chaves.
45
Embora sejam sobretensões rápidas na rede, os impulsos de manobra possuem
maior duração quando comparados aos atmosféricos. O tempo de frente de uma
forma de onda considerada de manobra ocorre entre 100 µs e 500 µs e o tempo de
cauda é visto em torno de 2500 µs [12]. O impulso de manobra pode existir em
diversos pontos do sistema elétrico, entre as fases ou entre fase-terra. Geralmente,
possuem amplitudes inferiores a 4 p.u.
Figura 3.5: Impulso de manobra em cadeia de isoladores poliméricos [3]
Este tipo de impulso também possui uma forma normalizada com o objetivo de
ser utilizado em ensaios elétricos para promover a análise de diferentes equipamentos.
Por padrão, esse impulso possui um tempo de frente com duração de 250 µs e tempo
de cauda com 2500 µs, conhecido como impulso 250/2500 µs [8].
Para a utilização de um impulso de manobra na realização de ensaios do isolamento elétrico, é possı́vel considerar algumas tolerâncias na forma de onda desenvolvida no local de ensaio em relação à forma normalizada. Essas especificações estão
descritas na Tabela 3.3.
Outra caracterı́stica é que o impulso de manobra possui um comportamento mais
aleatório que o atmosférico. Com isso, dependendo de fatores como o nı́vel de tensão
46
Tabela 3.3: Tolerâncias relativas às formas de onda de impulso de manobra [4]
Parâmetro
Tempo de frente
Tempo de cauda
Variação da tolerância
± 20%
± 60%
Tolerância
entre 200µs e 300µs
entre 1000µs e 4000µs
aplicado em ensaios que utilizam esse tipo de impulso e a existência de materiais
condutores próximos ao equipamento ensaiado, podem ocorrer descargas elétricas
perigosas em diversos locais do laboratório.
47
Capı́tulo 4
Ensaios - Estudos de caso
Foram realizados ensaios em diversos equipamentos elétricos com o objetivo de analisar cada caso, validar o estudo sobre gerador de impulsos de tensão e aplicar os
conceitos teóricos vistos anteriormente de forma prática.
O capı́tulo está dividido em seções de acordo com o equipamento utilizado. No
interior de cada uma, são descritos os aspectos observados e procedimentos feitos
conforme a estrutura a seguir:
1. Descrição do equipamento sob ensaio;
2. Descrição do ensaio com impulso atmosférico;
3. Ligação efetuada em laboratório para a realização do ensaio;
4. Cálculos preliminares para o ajuste da forma de onda;
5. Simulação do ensaio de ajuste no Matlab;
6. Resultados.
Para a execução dos procedimentos propostos, utilizou-se o Laboratório de Ensaios Corona - AT2, situado no Cepel, que é apropriado para realização de ensaios
dielétricos que avaliam o isolamento de materiais elétricos e medição que possibilita
a análise do desempenho desses equipamentos quando estão expostos a altos nı́veis
48
de tensão. Um ensaio dielétrico é realizado com base nas normas técnicas existentes e tem como finalidade verificar se um equipamento está em conformidade com
as tensões suportáveis nominais que determinam o seu nı́vel de isolamento [12]. O
ensaio dielétrico, padronizado e utilizado neste trabalho, é o de tensão suportável
sob impulso atmosférico.
Com isso, é necessário ter alguns cuidados. A aplicação de certos recursos são
importantes para que os ensaios sejam efetuados de maneira segura e confiável, sendo
aplicados em todos os experimentos. São eles:
• Ligar o circuito de segurança do laboratório no quadro de iluminação;
• Verificar a integridade das ferramentas a serem utilizadas;
• Utilizar somente equipamentos e circuitos de ensaios que podem ser analisados
rapidamente, tanto no aspecto fı́sico (arranjo), quanto nos aspectos dos valores
das capacitâncias, indutâncias e resistências;
• Checar variáveis dos equipamentos como, por exemplo, estado das conexões e
nı́vel de bateria;
• Checar os parâmetros de ensaios como os tipos de impulso que serão aplicados,
grandezas dos resistores e capacitores no ensaio e conexões do circuito em geral;
• Estimar a capacitância do equipamento de ensaio;
• Realizar um layout do circuito o mais próximo possı́vel da realidade;
• Calcular a forma de onda aplicada no item sob ensaio da maneira mais precisa
possı́vel;
• Montar os circuitos de acordo com todas as normas de segurança, usando
equipamentos de proteção individuais e utilizando os parâmetros do objeto de
ensaio, mantendo-os dentro dos limites dos equipamentos;
• Ligar o sistema de controle do gerador de impulsos, voltı́metro de crista e
osciloscópio;
49
• Verificar a relação de tensão do voltı́metro e do divisor de tensão;
• Analisar os atenuadores ou filtros conectados na saı́da do divisor e na entrada
do osciloscópio;
• Verificar todas as conexões a serem feitas para a chegada do sinal ao osciloscópio e ao voltı́metro, se for o caso;
• Salvar os oscilogramas que contém as formas de onda aplicadas no equipamento
sob teste, sempre que necessário;
• Incluir nos resultados do ensaio os oscilogramas gravados e detalhes vistos nos
tópicos anteriores, para demonstrar toda a execução do ensaio;
• Somente energizar o circuito quando possuir controle absoluto sobre o ensaio.
Primeiramente, é detalhado o ensaio de tensão suportável sob impulso atmosférico
em um transformador trifásico, que é o mais completo realizado. Em seguida, são
explicados os ensaios com um isolador e transformador de corrente. Estes são procedimentos que possuem compreensão mais simples, sendo feitos com base em alguns
conceitos mencionados no ensaio do transformador trifásico.
4.1
Transformador de Potência Trifásico
O transformador trifásico possui uma grande importância no sistema de transmissão
e distribuição de eletricidade. Sua principal função é elevar e reduzir a tensão de
entrada do equipamento, visando a menor perda possı́vel de potência. Isso permite
adequar o nı́vel de tensão aplicada à necessidade de geração e consumo de energia
elétrica [15].
Foi testado um transformador de potência trifásico (Figura 4.1) com as especificações mencionadas na Tabela 4.1.
Os equipamentos elétricos caracterizam-se por possuı́rem nı́veis de isolamento
normalizados, baseados na sua tensão nominal de operação, denominado Nı́vel Básico
50
Tabela 4.1: Informações nominais da placa do transformador testado em laboratório
Dados de placa
Tensão Nominal
220/13800 V
Potência Nominal
112,5 kVA
Isolamento
Óleo Mineral
Tipo de ligação
Delta - Estrela Aterrado
Nı́vel básico de Isolamento (NBI ou BIL)
95 ou 110 kV
Fabricante
Gordon
Figura 4.1: Transformador trifásico [3]
de Isolamento (NBI ou BIL, em inglês). O NBI corresponde à tensão a qual o isolamento do transformador pode ser submetido com 10% de probabilidade de ocorrência
de disrupção elétrica, conforme normas ABNT NBR 6939 e ABNT NBR IEC
60060-1 [4, 16, 17].
4.1.1
Descrição do ensaio com impulso atmosférico
Para a análise das caracterı́sticas elétricas do transformador trifásico, foi realizado o
ensaio de tensão suportável de impulso atmosférico, conhecido também como ensaio
dielétrico, conforme norma ABNT NBR 5356-4 [18] da ABNT. O objetivo desse
procedimento é verificar a suportabilidade do transformador quando for aplicada
51
tensão de impulso atmosférico nos seus terminais de linha.
Ajuste da forma de onda
Antes da efetiva realização do ensaio dielétrico, é necessário um ensaio preliminar para a calibração do circuito de impulso atmosférico para o transformador em
questão. Para isso, devem-se efetuar dois procedimentos:
1. Selecionar os resistores séries e paralelos que serão utilizados para a obtenção
da forma de onda normalizada do trafo.
2. Aplicar um impulso atmosférico reduzido, com valor de crista entre 60% e 70%
da tensão do ensaio, que será realizado posteriormente à calibração.
Em seguida, medem-se os tempos de frente e de cauda da onda obtida na calibração e
verifica-se se a mesma está dentro dos padrões estipulados pela norma ABNT NBR
IEC 60060-1 [4]. Se estiver de acordo com a norma ABNT NBR IEC 600601, o circuito está adequado para a realização do ensaio dielétrico. Se não estiver,
devem-se alterar os valores dos resistores em série ou em paralelo para adaptar a
forma de onda do objeto de ensaio e repetir o ensaio de calibração, até que a forma
de onda encontrada esteja de acordo com a norma estabelecida.
Ensaio de tensão suportável nominal de impulso atmosférico
Feito o ajuste do circuito, é possı́vel iniciar a execução do ensaio dielétrico propriamente dito.
Um ponto importante é que, anteriormente, esse equipamento esteve em operação.
Sabendo que esse tipo de ensaio é muito severo e esse equipamento não é novo, a
máxima tensão que deverá ser aplicada é de 80% do valor original, para que não
ocorra a aceleração do processo de deterioração do trafo, conforme a norma ABNT
NBR 5356-3 [19]. O impulso será aplicado nos terminais de linha do transformador acessı́veis externamente, pelo lado de alta tensão com ligação delta, sendo este
o lado primário. O secundário é o de baixa tensão, com conexão estrela aterrado e
permanecerá em aberto.
52
O procedimento deve ser feito em todas as fases do lado primário, sendo testada
apenas uma por vez. Assim, uma fase será conectada com o circuito de alta tensão,
sendo as duas restantes, do lado de alta, curto-circuitadas (Figuras 4.2 e 4.3). Esse
método será realizado para as fases A, B e C, respectivamente. Esse tipo de ligação
pode ser visualizada na Figura 4.2.
Por se tratar de um equipamento com isolamento a óleo mineral, o ensaio deve
ser realizado com tensões na polaridade negativa para reduzir o risco de descargas
externas no circuito, conforme norma ABNT NBR 5356-3 [19].
Uma sequência de impulsos de tensão de diferentes tipos será aplicada no trafo
sob teste, conforme ordem abaixo:
Um impulso pleno reduzido - Deve possuir amplitude entre 50% e 75% da tensão
de crista do impulso pleno com valor especificado, sendo preferı́vel que fique
próximo do valor do limite inferior, por ser um ensaio agressivo ao isolamento
do equipamento. Optou-se por utilizar 60% do NBI, sendo este valor igual a
57 kV.
Um impulso pleno normalizado - Deve possuir tensão de crista de 95 kV ou
110 kV, conforme especificação da norma ABNT NBR 5356-4 [18]. Nesse
caso, utilizou-se 95 kV.
Um ou mais impulsos cortados com valor reduzido - Os impulsos cortados
devem possuir valores de crista iguais a 1,1 vezes a amplitude do impulso
pleno reduzido e tempo de corte da onda compreendido entre 2 µs e 6 µs.
Nesse caso, utilizou-se o valor de 62,7 kV para a crista do impulso.
Dois impulsos cortados com valor especificado - Devem possuir valores de crista
iguais a 1,1 vezes a amplitude do impulso pleno especificado e tempo de corte
da onda entre 2 µs e 6 µs. Assim, utilizou-se o valor de 104,5 kV para a crista
do impulso.
Dois impulsos plenos normalizados com valor suportável nominal - Devem
53
possuir tensão de crista de 95 kV ou 110 kV. Foi escolhida a tensão de 95 kV
para ser aplicada nesse caso.
Se durante a aplicação de qualquer impulso, ocorrer uma descarga externa no
circuito, nos centelhadores ou falha no registro do osciloscópio em qualquer canal de
medição, a aplicação de impulso deve ser desconsiderada e feita outra.
Durante a execução do ensaio, devem ser coletados os oscilogramas e registros
digitais referentes ao processo de calibração e verificação do equipamento submetido ao impulso de tensão. Esses dados têm a finalidade de mostrar claramente os
parâmetros do impulso aplicado, tais como amplitude, tempo de crista, tempo de
frente, tempo de descida e ocorrência de falhas do isolamento.
Além da medição de tensão, deve ser realizada também a da corrente do sistema,
através da conexão de um transformador de corrente entre as duas fases curtocircuitas no primário e o terra.
Para a geração de impulsos cortados, o mesmo ajuste da forma de onda pode
ser usado no gerador de impulsos, bastando apenas inserir o equipamento de corte
no sistema, quando for necessário. O circuito de corte é formado por um par de
eletrodos, chamado de esferas de corte ou Chopping gap (vistos no Capı́tulo 2),
sendo acionado com o auxı́lio do programa GC 257 Impulse.
O critério de avaliação do ensaio é observado através de uma análise detalhada
dos sinais de tensão e corrente obtidos. Deve ser feita uma comparação minuciosa
entre os oscilogramas da tensão de impulso pleno e, em seguida, uma outra entre os
oscilogramas do impulso cortado. Quando um eventual defeito surge no equipamento
durante a verificação do ensaio, os oscilogramas das correntes são necessários para
confirmar ou não a existência da falha. Na ausência de diferenças significativas entre
os transitórios de tensão e de correntes registrados, com a aplicação de impulso pleno
e aqueles registrados com impulso de valor reduzido, torna-se comprovado que o
isolamento do transformador suportou o ensaio.
Se ocorrer dúvida na interpretação de possı́veis diferenças entre registros e oscilogramas, três impulsos plenos adicionais devem ser aplicados ou o ensaio completo
54
na fase em questão deve ser repetido. O ensaio então é considerado satisfatório se
não ocorrer nenhum desvio adicional ou aumento nos desvios anteriores.
4.1.2
Conexão no laboratório de alta tensão
O circuito para o ensaio de impulso de tensão atmosférico, que será montado em
laboratório (Figura 4.4), pode ser dividido em cinco partes diferentes:
• Gerador de impulsos, com seus parâmetros adicionais;
• Equipamento sob ensaio;
• Circuito de medição de tensão e de corrente;
• Circuito de corte, quando aplicável;
• Circuito para a detecção de defeitos.
Depois de realizar o estudo da tensão que deverá ser aplicada para a efetuação
do ensaio, foi visto que seria necessário utilizar apenas quatro estágios do gerador
(visto em 4.1.3).
Para isso, os passos para a efetuação da ligação do circuito em laboratório, possuindo
como referência os ensaios realizados nesse trabalho, são:
• Passo 1: Curto-circuitar os resistores em paralelo do quinto estágio em diante;
• Passo 2: Retirar os resistores de carga e de frente do quarto estágio em diante;
• Passo 3: Ligar a resistência série externa em fita no quarto estágio do gerador
e no capacitor de frente;
• Passo 4: Curto-circuitar os capacitores do quinto estágio em diante;
• Passo 5: Ligar o capacitor de frente em paralelo com o lado de alta tensão do
transformador e com o divisor de tensão resistivo. Uma observação importante
é que o circuito de ensaio deve ser finalizado no divisor para evitar eventuais
ruı́dos no sistema;
55
• Passo 6: Conectar os cabos elétricos do divisor de tensão, juntamente com um
atenuador de sinais, no osciloscópio, para efetuar a medição dos parâmetros
necessários;
• Passo 7: Aterrar a carcaça do transformador. Essa medida é necessária pelo
fato do terminal de neutro do lado de baixa tensão do equipamento não ser
acessı́vel. Como o neutro está conectado com a carcaça do transformador,
optou-se por aterrar a carcaça;
• Passo 8: Manter em aberto os terminais restantes do lado de baixa tensão;
• Passo 9: Conectar o Chopping Gap em paralelo com o divisor de tensão,
transformador e capacitor de frente. Quando for necessário esse dispositivo
será acionado pelo sistema de controle do gerador de impulsos para efetuar o
corte na forma de onda;
• Passo 10: Aterrar o circuito completo.
Figura 4.2: Ligação do lado de alta do transformador trifásico em laboratório [3]
56
Figura 4.3: Esquema para a ligação do transformador trifásico para o ensaio elétrico
Figura 4.4: Esquema do circuito completo montado para o ensaio dielétrico do
transformador com chopping gap [3]
57
4.1.3
Cálculos preliminares para o ajuste da forma de onda
Foi necessário definir os resistores que seriam utilizados na execução do ensaio de
calibração, para obter a forma de onda padronizada 1,2/50 µs. Como foi mencionado
anteriormente (Seção 2.4), os resistores série e paralelo, possuem relação direta com
a formação dos tempos de frente e de cauda da onda, respectivamente. Assim, para
chegar esses valores, utilizamos os seguintes cálculos:
Cálculo da resistência em série
Na aplicação do impulso de tensão, é necessário calcular as resistências série que
serão utilizadas no circuito, com a maior precisão possı́vel. Os valores de Cs e
Cf são dados no laboratório, sendo Cie e Cdt estimados. Com isso, utilizando a
Equação 2.19, temos:
Cs × (Cf + Cie + Cdt )
Cs + Cf + Cie + Cdt
(4.1)
600 × 10−9 × (1 × 10−9 + 900 × 10−12 + 0)
600 × 10−9 + 1 × 10−9 + 900 × 10−12 + 0
(4.2)
C=
C=
C = 1, 894 × 10−9 F
(4.3)
Agora, utilizando a Equação 2.27:
Tf
3, 25 × C
(4.4)
1, 2 × 10−6
3, 25 × 1, 894 × 10−9
(4.5)
Rs = 194, 95 Ω
(4.6)
Rs =
Rs =
58
Cálculo da resistência em paralelo
Nesse caso especı́fico, utilizou-se as resistências em paralelo fixadas no gerador de
impulsos. Os valores para esses parâmetros encontram-se na Tabela 4.4.
Determinação do número de estágios que serão utilizados no ensaio
Sabendo que a capacidade de tensão total do gerador utilizado é de 1,1 MV, com os
onze estágios funcionando, é necessário definir as tensões de carga que serão aplicadas em cada estágio do gerador de impulso. Cada estágio possui capacidade máxima
de 100 kV, mas se uma tensão mı́nima não for aplicada, ocorre uma adversidade
conhecida como no firing que indica que não ocorreu o disparo das esferas em decorrência do funcionamento inadequado do gap. É aconselhável também existir um
limite máximo de tensão, com a finalidade de evitar a sobrecarga do equipamento,
aumentar sua vida útil e impedir que ocorra um defeito conhecido como self firing,
que significa que o disparo foi feito precipitadamente. Por isso, a faixa de tensão
ideal de uso do gerador deverá ficar compreendida entre 18% e 80% da sua tensão
nominal total, sendo esses valores 198 kV e 880 kV, respectivamente.
Para encontrar o número adequado de estágios que serão utilizados nesse ensaio,
alguns cálculos serão necessários. A capacidade máxima por estágio, considerando a
faixa ideal de uso do gerador será 80 % de 100 kV, sendo igual a 80 kV. Sabendo que
a tensão máxima utilizada no ensaio será de 10% acima de 95 kV, deve-se dividir
esse valor por um determinado número de estágios e o resultado encontrado não
deve ultrapassar o limite superior da faixa de uso por estágio do gerador. Assim, a
tensão máxima utilizada considerando quatro estágios será:
max
=
Vest
1, 1 × 95 × 103
= 26, 1 kV
4
(4.7)
considerando que o gerador em questão possui um rendimento de aproximadamente
80%, temos:
max
Vest
=
26, 1
≈ 31, 4 kV
0, 8
59
(4.8)
portanto, como 31,4 kV < 80 kV, temos que o limite máximo de uso ideal do gerador
será respeitado.
Agora, temos que a capacidade mı́nima por estágio, considerando a mesma faixa,
será igual a 18 kV, sendo esse valor igual a 18% de 100 kV. Fazendo o mesmo
procedimento para 60% do BIL, que será a tensão mı́nima utilizada no ensaio, temos:
min
Vest
=
0.60 × 95 × 103
= 14, 25 kV
4
(4.9)
14, 25
≈ 18 kV
0, 8
(4.10)
min
Vest
=
como o resultado encontrado é aproximadamente 18 kV, o limite inferior da faixa
ideal também será respeitado.
Com as considerações acima, decidiu-se aplicar tensão em quatro estágios do
gerador apenas.
4.1.4
Simulação do ensaio de ajuste no Matlab ou Octave
Antes de realizar o ensaio de ajuste de onda (calibração) efetivamente, é possı́vel
utilizar o software Matlab ou Octave para simular o resultado esperado do ensaio,
através da aplicação dos conceitos teóricos vistos anteriormente (Capı́tulo 2). Feito
isso, será possı́vel realizar uma análise prévia do provável resultado e decidir se a
utilização dos capacitores e resistores (calculados no item 4.1.3) no circuito serão
adequados para a obtenção da forma de onda normalizada 1,2/50 µs. Utilizando
a resistência série calculada na Equação 4.6, a capacitância estimada para o transformador trifásico e os demais dados fornecidos no laboratório, aplicando os valores
desses parâmetros (Tabela 4.2) na Equação 2.11 com a utilização do programa computacional e, posteriormente, calculando os tempos de frente e de cauda da onda
simulada, temos:
60
Tabela 4.2: Parâmetros calculados utilizados para a obtenção da forma de onda
simulada
Parâmetros aplicados na simulação
Resistência série
194,95 Ω
Resistência em paralelo equivalente
112,43 Ω
Capacitância estimada do objeto de teste 900 pF
Capacitância do gerador por estágio
600 nF
Capacitor de frente
1 nF
Capacitância em paralelo equivalente
1,9 nF
Tensão aplicada
-18 kV
Figura 4.5: Simulação da forma de onda esperada com aplicação de tensão no transformador trifásico [6]
Tabela 4.3: Parâmetros medidos na onda simulada
Tempo de frente
Tempo de cauda
1,104 µs
49,246 µs
Com o resultado acima, nota-se que os parâmetros encontrados na Tabela 4.3, a
partir da simulação da Figura 4.5, estão de acordo com a norma ABNT NBR IEC
60060-1 [4] e, por isso, os valores de resistências e capacitores usados na simulação
podem ser aplicados na execução do ensaio real.
61
4.1.5
Resultados - Fase A
Depois de realizar os cálculos envolvendo o gerador de impulsos, montar o circuito,
simular a forma de onda esperada e efetuar o ensaio de tensão suportável no transformador trifásico, é necessário analisar os resultados de todo o procedimento feito
e verificar se o equipamento suportou a tensão de impulso atmosférico aplicada nos
seus terminais de linha. Primeiramente, aplicou-se tensão na fase A do primário do
trafo, sendo as fases B e C curto-circuitadas. Os parâmetros da Tabela 4.4 foram
aplicados no circuito de ensaio feito em laboratório.
Tabela 4.4: Parâmetros aplicados no circuito de ensaio
Parâmetros
Resistência série externa
200 Ω
Resistência série interna
15 Ω
Resistência em paralelo 1
31 kΩ
Resistência em paralelo 2
6 kΩ
Resistência em paralelo 3
115 Ω
Resistência em paralelo equivalente
112,43 Ω
Capacitância estimada do item de teste
900 pF
Capacitor de frente
1 nF
Número de estágios do gerador
4
Resultados do ensaio de ajuste da forma de onda - Fase A
Conforme descrito na seção 4.1.1, um ensaio de ajuste de forma de onda é feito antes
do ensaio de tensão suportável de impulso atmosférico, para observar se o circuito
montado e os componentes elétricos utilizados estão possibilitando a produção de
uma onda mais próxima possı́vel da onda normalizada de 1,2/50 µs.
Tabela 4.5: Medições feitas no ensaio de ajuste de onda na fase A
Tensão aplicada
Tempo de frente
Tempo de cauda
Tensão no equipamento
-18 kV
1,05 µs
48,60 µs
-60,14 kV
62
Com a comparação dos resultados da simulação e do ensaio em laboratório,
Tabelas 4.3 e 4.5, respectivamente, observa-se que o circuito montado pode ser
representado pela modelagem teórica de um gerador de impulsos, vista no Capı́tulo
2, de forma satisfatória. Lembrando que os valores encontrados são da ordem de
microsegundos, é possı́vel afirmar que os mesmos são próximos.
Os tempos de frente e de cauda da Tabela 4.5 estão de acordo com os limites de
tolerância vistos na Tabela 3.2, conforme a norma ABNT NBR IEC 60060-1 [4].
Se os limites fossem ultrapassados, os resistores e capacitores deveriam ser alterados
e um novo ajuste feito.
Resultados do ensaio de tensão suportável nominal de impulso atmosférico
- Fase A
Posterior ao ajuste e verificação de que a forma de onda do impulso atmosférico
aplicado no equipamento estava calibrada, foi iniciado o ensaio dielétrico do transformador.
Alguns detalhes importantes devem ser destacados:
1. O sistema de controle do gerador de impulso permite a escolha de tensão que
será aplicada em cada estágio. Assim, considerando a utilização de quatro
estágios e rendimento de 80 % do gerador, temos que a tensão por estágio será
aproximadamente:
(a) Para impulso pleno reduzido:
Vest =
Vest =
−57kV
= −14, 25 kV
4
−14, 25kV
= −17, 81 kV
0, 8
(b) Para impulso pleno normalizado:
Vest =
−95kV
= −23, 75 kV
4
63
Vest =
−23, 75kV
= −29, 69 kV
0, 8
(c) Para impulso cortado com valor reduzido:
Vest =
−62, 7kV
= −15, 67 kV
4
Vest =
−15, 67kV
= −19, 59 kV
0, 8
(d) Para impulso cortado com valor especificado:
Vest =
−104, 5kV
= −26, 12 kV
4
Vest =
−26, 12kV
= −32, 66 kV
0, 8
(e) Para impulso normalizado com valor suportável nominal:
Vest = −29, 69 kV
2. Para a visualização dos resultados no osciloscópio, foi necessário fazer a configuração das suas escalas. Sabendo que o divisor resistivo de tensão possui
uma relação de 268:1 e o atenuador de ruı́dos utilizado possui uma relação de
20:1, calculou-se a escala da tensão:
Vosc =
Vosc =
max
×η
Vtotal
268 × 20
104, 5 × 0, 8
= 15, 6 kV
5360
Com isso, optou-se por utilizar o valor de 5V /div como escala. Assim, com
um total de 8 divisões, o equipamento poderia medir até 40 V, que é aceitável,
pois está acima do valor encontrado de 15,6 V.
Para definir a escala do tempo, foi necessário identificar se o impulso aplicado
era pleno ou cortado. Para impulsos plenos a escala utilizada foi de 10 µs/div
64
e, para os cortados, de 1 µs/div.
Com essas considerações, os resultados obtidos são mostrados na Tabela 4.6.
Tabela 4.6: Medições feitas no ensaio de impulso atmosférico na fase A
Aplicação
Tipo de impulso
Tensão por estágio
Tensão total medida
Tempo de corte
1
Pleno reduzido
-18 kV
-66,14 kV
-
2
Pleno normalizado
-26 kV
-94,34 kV
-
3
Cortado reduzido
-18 kV
-65,93 kV
5,78 µs
4
Cortado especificado
-29 kV
-104,9 kV
5,78 µs
5
Cortado especificado
-29 kV
-105,1 kV
5,26 µs
6
Pleno normalizado
-26 kV
-94,01 kV
-
7
Pleno normalizado
-26 kV
-94,12 kV
-
Nas aplicações 2, 4, 5, 6 e 7 foram aplicadas tensões por estágio com amplitude
um pouco menor que a calculada, para a tensão total medida não ultrapassar os 3%
do valor esperado, sendo esta condição descrita na norma.
Nos impulsos cortados, utilizou-se o Chopping Gap para produzir o corte no
impulso atmosférico.
Nas aplicações 3, 4 e 5, verificou-se que os tempos de corte eram satisfatórios,
pois estes valores encontravam-se dentro do intervalo de 2 µs a 6 µs, definido pela
norma ABNT NBR IEC 60060-1 [4].
Juntamente com os dados tabelados, foram obtidos também os resultados gráficos
da tensão e corrente com a aplicação do impulso atmosférico:
65
(a)
(b)
Figura 4.6: Resultados de tensão (a) e corrente (b) obtidos com a aplicação 1 na
fase A [20].
(c)
(d)
Figura 4.7: Resultados de tensão (c) e corrente (d) obtidos com a aplicação 2 na
fase A [20].
66
(e)
(f)
Figura 4.8: Resultados de tensão (e) e corrente (f) obtidos com a aplicação 3 na fase
A [20].
(g)
(h)
Figura 4.9: Resultados de tensão (g) e corrente (h) obtidos com a aplicação 4 na
fase A [20].
67
(i)
(j)
Figura 4.10: Resultados de tensão (i) e corrente (j) obtidos com a aplicação 5 na
fase A [20].
(l)
(m)
Figura 4.11: Resultados de tensão (l) e corrente (m) obtidos com a aplicação 6 na
fase A [20].
68
(n)
(o)
Figura 4.12: Resultados de tensão (n) e corrente (o) obtidos com a aplicação 7 na
fase A [20].
Nos impulsos cortados na cauda, o pico da primeira oscilação, que ocorre logo
após o corte (queda brusca na tensão) da onda, não pode ultrapassar 25% do valor
da amplitude máxima de tensão vista no impulso, conforme as normas ABNT NBR
5356-3 e ABNT NBR 5356-4 [18, 19]. Esse fato faz com que os dados do ensaio
possam ser validados. A Tabela 4.7 mostra os resultados das oscilações na fase A
desse transformador.
Tabela 4.7: Verificação da porcentagem das oscilações dos impulsos de tensão cortados das Figuras 4.8, 4.9 e 4.10
Aplicação
Porcentagem de oscilação
Tensão máxima
Tensão de pico da oscilação
3
17,79%
-16,3 kV
-2,9 kV
4
17,37%
-25,9 kV
-4,5 kV
5
17,37%
-25,9 kV
-4,5 kV
69
(p)
Figura 4.13: Resultados da sobreposição dos impulsos de tensão cortados na fase A
(p) [20].
(q)
Figura 4.14: Resultados da sobreposição dos impulsos de tensão plenos na fase A
(q) [20].
70
(r)
Figura 4.15: Resultados da sobreposição das correntes com a aplicação de impulsos
cortados na fase A (r) [20].
(s)
Figura 4.16: Resultados da sobreposição das correntes com a aplicação de impulsos
plenos na fase A (s) [20].
71
Pelas Figuras 4.13 e 4.14, é possı́vel observar que a sobreposição dos impulsos
de tensão cortados e plenos, respectivamente, mostram que a fase A do trafo está
apresentando condições de isolamento adequadas, pois o comportamento dos gráficos
é o mesmo, sem a existência de perturbações que diferenciem uma forma de onda
da outra.
Se existisse alguma falha no gráfico da tensão, os gráficos das correntes das
Figuras 4.15 e 4.16, confirmariam a existência do defeito.
4.1.6
Resultados - Fase B
Nesta seção são apresentados os resultados da aplicação de tensão na fase B do
lado de alta tensão do trafo, com as fases A e C curto-circuitadas. As condições
gerais de conexão do circuito de ensaio foram mantidas, exceto pela alimentação do
equipamento que antes era na fase A e, agora, na B. Os resistores, capacitores e
demais componentes utilizados são os mesmos da Tabela 4.4.
Resultados do ensaio de ajuste da forma de onda - Fase B
Os resultados obtidos no ensaio de ajuste da forma de onda na fase B estão descritos
na Tabela 4.8.
Tabela 4.8: Medições feitas no ensaio de ajuste de onda na fase B
Tensão aplicada
Tempo de frente
Tempo de cauda
Tensão no equipamento
-18 kV
1,03 µs
55,80 µs
-65,93 kV
Resultados do ensaio de tensão suportável nominal de impulso atmosférico
- Fase B
Os resultados do ensaio de tensão suportável sob impulso atmosférico na fase B são
mostrados na Tabela 4.9.
72
Tabela 4.9: Medições feitas no ensaio de impulso atmosférico na fase B
Aplicação
Tipo de impulso
Tensão por estágio
Tensão total medida
Tempo de corte
1
Pleno reduzido
-18 kV
-65,71 kV
-
2
Pleno normalizado
-26 kV
-94,44 kV
-
3
Cortado reduzido
-18 kV
-66,14 kV
5,38 µs
4
Cortado especificado
-29 kV
-105,2 kV
5,30 µs
5
Cortado especificado
-29 kV
-105,3 kV
5,28 µs
6
Pleno normalizado
-26 kV
-94,34 kV
-
7
Pleno normalizado
-26 kV
-94,34 kV
-
E os resultados gráficos obtidos foram:
(a)
(b)
Figura 4.17: Resultados de tensão (a) e corrente (b) obtidos com a aplicação 1 na
fase B [20].
73
(c)
(d)
Figura 4.18: Resultados de tensão (c) e corrente (d) obtidos com a aplicação 2 na
fase B [20].
(e)
(f)
Figura 4.19: Resultados de tensão (e) e corrente (f) obtidos com a aplicação 3 na
fase B [20].
74
(g)
(h)
Figura 4.20: Resultados de tensão (g) e corrente (h) obtidos com a aplicação 4 na
fase B [20].
(i)
(j)
Figura 4.21: Resultados de tensão (i) e corrente (j) obtidos com a aplicação 5 na
fase B [20].
75
(l)
(m)
Figura 4.22: Resultados de tensão (l) e corrente (m) obtidos com a aplicação 6 na
fase B [20].
(n)
(o)
Figura 4.23: Resultados de tensão (n) e corrente (o) obtidos com a aplicação 7 na
fase B [20].
76
Tabela 4.10: Verificação da porcentagem das oscilações dos impulsos de tensão cortados das Figuras 4.19, 4.20 e 4.21
Aplicação
Porcentagem de oscilação
Tensão máxima
Tensão de pico da oscilação
3
17,58%
-16,5 kV
-2,9 kV
4
17,24%
-26,1 kV
-4,5 kV
5
18,15%
-25,9 kV
-4,7 kV
Pela Tabela 4.10, é possı́vel observar que os picos das oscilações dos impulsos
de tensão cortados são inferiores a 25% da amplitude máxima de tensão na fase B,
portanto, de acordo com a norma ABNT NBR 5356-4 [18].
(p)
Figura 4.24: Resultados da sobreposição dos impulsos de tensão cortados na fase B
(p) [20].
77
(q)
Figura 4.25: Resultados da sobreposição dos impulsos de tensão plenos na fase B
(q) [20].
(r)
Figura 4.26: Resultados da sobreposição das correntes com a aplicação de impulsos
cortados na fase B (r) [20].
78
(s)
Figura 4.27: Resultados da sobreposição das correntes com a aplicação de impulsos
plenos na fase B (s) [20].
A sobreposição dos impulsos de tensão e corrente, com alimentação na fase B
do trafo, indica que o equipamento apresenta boas condições de isolamento, porque o comportamento das formas de onda são semelhantes, sem consideráveis perturbações.
4.1.7
Resultados - Fase C
Finalmente, os resultados da aplicação do impulso de tensão na fase C, com as
demais fases aterradas e utilizando os dados da Tabela 4.4 são mostrados a seguir.
Resultados do ensaio de ajuste da forma de onda - Fase C
Os resultados obtidos no ensaio de ajuste na fase C podem ser vistos na Tabela 4.11.
Tabela 4.11: Medições feitas no ensaio de ajuste de onda na fase C
Tensão aplicada
Tempo de frente
Tempo de cauda
Tensão no equipamento
-18 kV
1,02 µs
51,20 µs
-65,82 kV
79
Resultados do ensaio de tensão suportável nominal de impulso atmosférico
- Fase C
Os resultados obtidos no ensaio sob impulso atmosférico, na fase C, podem ser
visualizados na Tabela 4.12.
Tabela 4.12: Medições feitas no ensaio de impulso atmosférico na fase C
Aplicação
Tipo de impulso
Tensão por estágio
Tensão total medida
Tempo de corte
1
Pleno reduzido
-18 kV
-65,93 kV
-
2
Pleno normalizado
-26 kV
-94,23 kV
-
3
Cortado reduzido
-18 kV
-66,14 kV
5,48 µs
4
Cortado especificado
-29 kV
-105,1 kV
5,08 µs
5
Cortado especificado
-29 kV
-104,9 kV
5,18 µs
6
Pleno normalizado
-26 kV
-94,12 kV
-
7
Pleno normalizado
-26 kV
-94,23 kV
-
E os resultados gráficos da tensão e corrente foram:
(a)
(b)
Figura 4.28: Resultados de tensão (a) e corrente (b) obtidos com a aplicação 1 na
fase C [20].
80
(c)
(d)
Figura 4.29: Resultados de tensão (c) e corrente (d) obtidos com a aplicação 2 na
fase C [20].
(e)
(f)
Figura 4.30: Resultados de tensão (e) e corrente (f) obtidos com a aplicação 3 na
fase C [20].
81
(g)
(h)
Figura 4.31: Resultados de tensão (g) e corrente (h) obtidos com a aplicação 4 na
fase C [20].
(i)
(j)
Figura 4.32: Resultados de tensão (i) e corrente (j) obtidos com a aplicação 5 na
fase C [20].
82
(l)
(m)
Figura 4.33: Resultados de tensão (l) e corrente (m) obtidos com a aplicação 6 na
fase C [20].
(n)
(o)
Figura 4.34: Resultados de tensão (n) e corrente (o) obtidos com a aplicação 7 na
fase C [20].
83
Tabela 4.13: Verificação da porcentagem das oscilações dos impulsos de tensão cortados das Figuras 4.30, 4.31 e 4.32
Aplicação
Porcentagem de oscilação
Tensão máxima
Tensão de pico da oscilação
3
17,58%
-16,5 kV
-2,9 kV
4
17,24%
-26,1 kV
-4,5 kV
5
18,15%
-25,9 kV
-4,7 kV
(p)
Figura 4.35: Resultados da sobreposição dos impulsos de tensão cortados na fase C
(p) [20].
84
(q)
Figura 4.36: Resultados da sobreposição dos impulsos de tensão plenos na fase C
(q) [20].
(r)
Figura 4.37: Resultados da sobreposição das correntes com a aplicação de impulsos
cortados na fase C (r) [20].
85
(s)
Figura 4.38: Resultados da sobreposição das correntes com a aplicação de impulsos
plenos na fase C (s) [20].
Conforme a Tabela 4.13 indica, os picos das oscilações nos impulsos cortados na
fase C não ultrapassaram os 25% do valor de pico máximo de tensão dos respectivos
impulsos. As sobreposições das Figuras 4.35 e 4.36, mostram que o transformador
apresenta condições de isolamento satisfatórias e de acordo com a norma ABNT
NBR 5356-4 [18], podendo ser colocado em operação.
4.2
Isolador
Os isoladores são equipamentos elétricos que foram desenvolvidos a partir da necessidade de transportar energia elétrica e dados a longas distâncias, através de linhas
aéreas. Possuem duas principais finalidades, mecânica e elétrica. Assim, sustentam
mecanicamente cabos e barramentos e isolam eletricamente o sistema, evitando a
passagem de corrente do condutor nas linhas aéreas ao suporte (torres, postes . . . )
[21]. Podem ser feitos de diversos materiais, que são escolhidos de acordo com o
ambiente e nı́vel de tensão do sistema que será aplicado.
86
Figura 4.39: Isolador polimérico de pino [3]
As especificações do isolador ensaiado são mostrados na Tabela 4.14 e esse equipamento é mostrado na Figura 4.39.
Tabela 4.14: Informações do isolador testado em laboratório
Dados
Material dielétrico
Tensão nominal
Nı́vel básico de Isolamento (NBI ou BIL)
4.2.1
polı́mero (polietileno)
15 kV
110 kV
Descrição do ensaio com impulso atmosférico
Antes de iniciar qualquer precedimento com o isolador, é necessário realizar a limpeza
e secagem de qualquer partı́cula indesejada existente sobre a sua superfı́cie.
O método up and down é utilizado na avaliação de ensaios de tensão disruptiva
em isoladores poliméricos, feito conforme norma IEC 60383 [22]. O principal objetivo desse procedimento é determinar a tensão suportável para impulso atmosférico,
calculada a partir da uma tensão com 50% de probabilidade de descarga disruptiva
(conhecida como U50) e verificar a suportabilidade do isolador em relação aos transitórios provocados por uma descarga atmosférica. Pela norma, fica evidenciado que
o ensaio deve ser executado na condição a seco.
O método padrão consiste em identificar o NBI do equipamento que será testado
e, em seguida, aplicar tensões maiores que o valor pesquisado, próximas ao U50 da
tensão disruptiva, para gerar descargas elétricas.
87
Dois procedimentos são geralmente utilizados para a execução deste ensaio, são
eles: verificação e determinação da tensão disruptiva. Essas duas etapas devem ser
efetuadas para as polaridades positiva e negativa.
Método de verificação - É a constatação da tensão suportável pré-estabelecida
com vinte impulsos de tensão. São feitas aplicações em torno da tensão disruptiva estimada até ocorrer a falha na isolação do equipamento (perfuração do
isolamento). Quando houver uma aplicação de tensão no isolador que resulte
em uma disrupção elétrica no equipamento, seguida de uma aplicação de tensão
que não resulte em descarga disruptiva, inicia-se a contagem dos vinte impulsos
correspondentes a esse método. A partir do primeiro impulso contabilizado,
verifica-se a existência de perfuração do isolamento ou não. Caso ocorra uma
disrupção, o próximo impulso será aplicado com um valor 3% abaixo da tensão
utilizada na verificação que ocorreu a descarga. Caso contrário, um valor 3%
maior deve ser empregado. Em seguida, é feita uma média das vinte tensões
medidas nas aplicações de impulsos, sendo esse valor multiplicado pelo desvio
padrão considerado. O resultado encontrado deve ser corrigido de acordo com
as condições atmosféricas do local de ensaio [4]. O valor final obtido é a tensão
com 50% de probabilidade de ocorrência de disrupção (U50).
Método de determinação - Determina se o isolamento do equipamento sob ensaio está adequado diante de um impulso atmosférico. Para isso, é necessário
realizar quinze ensaios com o valor de U50 encontrado. O resultado é considerado satisfatório se não ocorrer a perfuração do isolamento mais de duas
vezes.
4.2.2
Conexão no laboratório de alta tensão
O arranjo de ensaio deve ser montado de forma parecida com a mencionada na seção
4.1.2 do transformador trifásico. O isolador de pino deve ser conectado em paralelo
com o gerador, capacitor de frente e divisor de tensão e ser suspendido verticalmente,
88
conforme sua utilização prática, simulando sua existência numa torre de transmissão
elétrica por exemplo (Figura 4.40). Com isso, o isolador é posicionado de acordo
com a direção em que ocorreria uma descarga atmosférica.
O pino do equipamento deve ser aterrado. A tensão deve ser aplicada em um
condutor apoiado na parte superior do isolador, perpendicular à base aterrada (estrutura metálica onde o pino estará fixado). Nenhum outro equipamento ou objeto
metálico devem estar próximo do isolador, para não comprometer o resultado do
ensaio.
Figura 4.40: Esquema para o circuito completo de ensaio do isolador sem chopping
gap
89
4.2.3
Cálculos preliminares para o ajuste da forma de onda
A fim de obter uma onda padronizada de 1,2/50 µs, existe a necessidade de calcular
os parâmetros que seriam utilizados no ensaio.
Cálculo da resistência em série
Utilizando novamente a Equação 2.19 e os valores da Tabela 4.15 para as capacitâncias, temos:
Cs × (Cf + Cie + Cdt )
Cs + Cf + Cie + Cdt
(4.11)
600 × 10−9 × (1 × 10−9 + 50 × 10−12 + 0)
600 × 10−9 + 1 × 10−9 + 50 × 10−12 + 0
(4.12)
C=
C=
C = 1, 048 × 10−9 F
(4.13)
e a Equação 2.27:
Tf
3, 25 × C
(4.14)
1, 2 × 10−6
3, 25 × 1, 048 × 10−9
(4.15)
Rs = 352, 26 Ω
(4.16)
Rs =
Rs =
Cálculo da resistência em paralelo
Os valores para esses parâmetros encontram-se na Tabela 4.4.
Determinação do número de estágios que serão utilizados no ensaio
Seguindo o mesmo princı́pio da seção 4.1.3, temos que o valor estimado para U50 é
50% acima do NBI do isolador, sendo este próximo a 165 kV. Assim, a tensão média
90
utilizada, considerando quatro estágios, será em torno de:
med
Vest
=
1, 5 × 110 × 103
= 41, 25 kV
4
(4.17)
considerando que o gerador em questão possui um rendimento de aproximadamente
80%, temos:
med
Vest
=
41, 25kV
= 51, 56 kV
0, 8
(4.18)
portanto, como 51,56 kV < 80 kV, temos que o limite máximo de uso ideal do
gerador não será ultrapassado.
Realizando o mesmo procedimento para a verificação da tensão mı́nima que será
utilizada no gerador de impulsos e sabendo que a menor tensão aplicada no ensaio
será 110 kV, que corresponde ao NBI, temos:
min
Vest
110 × 103
=
= 27, 50 kV
4
min
Vest
=
27, 50
= 34, 38 kV
0, 8
(4.19)
(4.20)
como 34,38 kV > 18 kV, o limite inferior da faixa ideal de uso também será respeitado.
Feitas essas verificações, optou-se por aplicar novamente tensão em quatro estágios
do gerador.
4.2.4
Simulação do ensaio de ajuste no Matlab ou Octave
De acordo com o que foi apresentado na seção 4.1.4, esta etapa destina-se a apresentar o resultado simulado do ensaio de ajuste da forma de onda (Figura 4.41),
através dos conceitos teóricos vistos no Capı́tulo 2. A resistência em série foi obtida na Equação 4.16, a capacitância do isolador estimada e os outros parâmetros
foram fornecidos no laboratório AT2. Os parâmetros utilizados nessa simulação
encontram-se na Tabela 4.15. Esses dados foram aplicados a Equação 2.11 e plota-
91
dos como pode ser visualizado na Figura 4.41.
Tabela 4.15: Parâmetros calculados utilizados para a obtenção da forma de onda
simulada
Parâmetros aplicados na simulação
Resistência série
352,26 Ω
Resistência em paralelo equivalente
112,43 Ω
Capacitância estimada do objeto de teste
50 pF
Capacitância do gerador por estágio
600 nF
Capacitor de frente
1 nF
Capacitância em paralelo equivalente
1,05 nF
Tensão aplicada
18 kV
Figura 4.41: Simulação da forma de onda esperada com aplicação de tensão no
isolador polimérico [6]
A Tabela 4.16 mostra os dados encontrados para tempo de frente e de cauda
obtidos no impulso da Figura 4.41. Com isso, nota-se que é possı́vel utilizar os
parâmetros considerados no ensaio em laboratório, pelo motivo da simulação apresentada nessa seção possuir os resultados dentro do intervalo de valores estipulados
nas tolerâncias da Tabela 3.2.
92
Tabela 4.16: Parâmetros medidos na onda simulada
4.2.5
Tempo de frente
Tempo de cauda
1,102 µs
49,18 µs
Resultados
Feitas todas as etapas descritas anteriormente e utilizando os parâmetros de ensaio
descritos na Tabela 4.17, os resultados obtidos serão mostrados a seguir.
Tabela 4.17: Parâmetros aplicados no circuito de ensaio
Parâmetros
Resistência série externa
350 Ω
Resistência série interna
15 Ω
Resistência em paralelo 1
31 kΩ
Resistência em paralelo 2
6 kΩ
Resistência em paralelo 3
115 Ω
Resistência em paralelo equivalente
112,43 Ω
Capacitor de frente
1 nF
Capacitância estimada do objeto de teste
50 pF
Número de estágios do gerador
4
Etapa da verificação - Polaridade Positiva
É aplicado um valor em torno da tensão disruptiva de U50 estimada, sendo este
próximo a 165 kV. Com isso, a tensão aplicada em cada estágio do gerador deverá
estar entre os resultados encontrados nas Equações 4.20 e 4.18. O resultado é mostrado na Tabela 4.18.
Sendo:
Vest - Tensão por estágio aplicada ao gerador de impulsos;
med
Vtot
- Tensão total medida no ensaio;
S - Indica que isolamento do equipamento suportou a aplicação do impulso;
93
Tabela 4.18: Resultado da etapa de verificação com polaridade positiva
Contagem
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Vest [kV]
35,0
36,1
37,2
38,3
39,5
40,7
41,9
43,2
44,5
50,0
51,5
53,0
51,5
53,0
54,6
53,0
51,5
50,0
51,5
50,0
51,5
50,0
51,5
53,0
51,5
53,0
51,5
53,0
51,5
53,0
51,5
med [kV]
Vtot
115,9
119,1
122,7
126,7
130,2
134,4
138,3
142,5
146,4
164,2
169,4
173,9
169,3
173,9
179,3
173,9
168,6
164,0
168,9
164,0
168,9
164,2
169,0
173,8
169,0
173,8
168,9
173,8
168,9
173,6
168,8
Suportabilidade
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
X
S
S
X
X
X
S
X
S
X
S
S
X
S
X
S
X
S
X
X
tcorte [µs]
7,08
4,96
8,60
5,36
4,84
4,66
5,68
4,76
4,76
6,14
7,02
X - Indica que isolamento do equipamento não suportou o impulso, com isso houve
uma disrupção elétrica;
tcorte - Tempo que ocorreu o corte na forma de onda quando houve a descarga disruptiva;
σ - Desvio padrão - Mostra a variação em relação a média.
94
Com os dados obtidos na Tabela 4.18, verificou-se que a tensão média dos vinte
impulsos contabilizados é de:
x̄ = 170, 43 kV
A norma IEC 60383-2 [22] determina que a média encontrada deve ser multiplicada
pelo desvio padrão. Este é definido como:
σ = 1 − (1, 3 × δ)
sendo δ = 0, 03 para impulso atmosférico.
Assim, o desvio padrão é igual a σ = 0, 96. Multiplicando a média com este
valor, temos:
x̄ = 170, 43 kV × 0, 96 = 163, 61 kV
É necessário corrigir a tensão encontrada de acordo com as condições atmosféricas
do laboratório, conforme NBR IEC 60060-1 [4]. Esse procedimento é importante
pelo fato da descarga disruptiva do isolamento externo do isolador depender dessas
condições. Ele é feito apenas nos casos em que a umidade relativa do ar é inferior a
80%.
Utilizando os valores de referência (Tabela 4.19) descritos na norma NBR IEC
60060-1 [4], é possı́vel converter os parâmetros obtidos nas condições do ensaio
realizado (Tabela 4.20) e determinar a tensão U50.
Tabela 4.19: Valores obtidos na norma [4] para a realização da correção atmosférica
Valores de referência
Pressão atmosférica - po 1013 hPa
Temperatura - to
20 ◦ C
Umidade absoluta - ho
11 g/m3
Tabela 4.20: Valores obtidos durante a execução do ensaio
Valores medidos
Pressão atmosférica - p 101,4 kPa
Temperatura - t
20, 7 ◦ C
Umidade relativa
75,5 %
L
0,55 m
95
Sendo L a menor distância percorrida pelo arco elétrico.
Feita a correção atmosférica na média igual a 163,61 kV, temos que a tensão com
50% de probabilidade de ocorrência de disrupção é:
U 50 = 162, 51 kV
Etapa da verificação - Polaridade Negativa
As aplicações são feitas com a mesma faixa de tensão da etapa de verificação descrita
anteriormente, mas com a polaridade negativa (Tabela 4.21).
Tabela 4.21: Resultado da etapa de verificação com polaridade negativa
Contagem
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Vest [kV]
-53,0
-51,5
-50,0
-48,5
-47,1
-48,5
-47,1
-48,5
-47,1
-48,5
-47,1
-48,5
-47,1
-48,5
-50,0
-48,5
-47,1
-48,5
-47,1
-45,8
-47,1
-48,5
-50,0
med [kV]
Vtot
-173,9
-169,5
-164,6
-159,8
-155,2
-159,8
-155,0
-159,8
-154,8
-159,8
-154,8
-159,5
-155,2
-155,1
-164,5
-159,6
-155,0
-159,5
-155,1
-155,1
-155,0
-159,6
-164,4
Suportabilidade
X
X
X
X
S
X
S
X
S
X
S
X
S
S
X
X
S
X
X
S
S
S
S
tcorte [µs]
3,74
4,84
5,12
6,04
6,8
5,12
5,48
5,78
5,16
6,94
6,28
8,70
-
A tensão média dos vinte impulsos realizados com a polaridade negativa, é igual
a:
x̄ = −157, 83 kV
Multiplicando a média pelo mesmo desvio padrão encontrado na etapa de verificação
96
da polaridade positiva, temos:
x̄ = −157, 83 kV × 0, 96 = −151, 52 kV
Considerando os mesmos valores das Tabelas 4.19 e 4.20, foi feita a correção atmosférica de acordo com NBR IEC 60060-1 [4]. Dessa forma, é possı́vel encontrar
U50 corrigida, que é a tensão a ser utilizada na próxima etapa do ensaio:
U 50 = −150, 69 kV
Etapa da Determinação - Polaridade Positiva
Nesse procedimento, aplicam-se quinze impulsos no isolador, com o valor U50 encontrado na etapa de verificação com polaridade positiva (Tabela 4.22). O valor
utilizado para o rendimento deve ser o mais próximo do real possı́vel, podendo ser
obtido através do programa GC 257, que controla o gerador de impulsos. Como o
rendimento observado no software mudou de 0,8 para 0,824, a tensão aplicada por
estágio teve que ser recalculada, ficando em torno de:
Vest
162, 51 × 103
40, 63
=
= 40, 63 → Vest =
= 49, 3 kV
4
0, 824
97
Tabela 4.22: Resultado da etapa de determinação com polaridade positiva
Contagem
Vest [kV]
med [kV]
Vtot
Suportabilidade
tcorte [µs]
1
49,3
161,7
S
-
2
49,3
161,5
S
-
3
49,3
161,5
S
-
4
49,3
161,6
S
-
5
49,3
161,5
S
-
6
49,3
161,5
S
-
7
49,3
161,5
S
-
8
49,3
161,5
S
-
9
49,3
161,6
S
-
10
49,3
161,5
S
-
11
49,3
161,5
X
5,54
12
49,3
161,4
X
8,96
13
49,3
161,7
S
-
14
49,3
162,0
S
-
15
49,3
161,5
S
-
Para o equipamento ser aprovado nesse ensaio, é necessário que não ocorra descarga disruptiva mais de duas vezes na etapa de determinação (Tabela 4.22), durante
a aplicação da tensão U50 encontrada. Como não ocorreu disrupção em mais de
duas aplicações da tensão U50, o isolador foi aprovado no ensaio com a polaridade
positiva, por apresentar condições de isolamento satisfatórias.
Etapa da Determinação - Polaridade Negativa
Aplicam-se quinze impulsos com o valor U50 encontrado na etapa de verificação
de polaridade negativa, para avaliar as condições de isolamento (Tabela 4.23). Foi
observado novamente o rendimento de 0,824 no gerador de impulsos, visto na etapa
de determinação com polaridade positiva. Assim, é necessário determinar a tensão
98
aplicada novamente:
Vest =
−37, 67
−150, 69 × 103
= −37, 67 → Vest =
= −45, 7 kV
4
0, 824
Tabela 4.23: Resultado da etapa de determinação com polaridade negativa
Contagem
Vest [kV]
med [kV]
Vtot
Suportabilidade
tcorte [µs]
1
-45,7
-150,3
S
-
2
-45,7
-150,6
S
-
3
-45,7
-150,6
S
-
4
-45,7
-150,2
S
-
5
-45,7
-150,6
S
-
6
-45,7
-150,4
S
-
7
-45,7
-150,6
S
-
8
-45,7
-150,6
S
-
9
-45,7
-150,6
S
-
10
-45,7
-150,6
S
-
11
-45,7
-150,6
S
-
12
-45,7
-150,6
S
-
13
-45,7
-150,6
S
-
14
-45,7
-150,6
S
-
15
-45,7
-150,6
S
-
O isolador apresentou novamente resultados satisfatórios com a polaridade negativa de tensão. Este equipamento apresenta condições de isolamento conforme a
norma IEC 60383-2 [22], podendo ser exposto à elevados nı́veis de tensão, visto
que não ocorreu descarga disruptiva mais que duas vezes na etapa de determinação
da polaridade negativa também.
99
4.3
Transformador de Corrente - TC
Os transformadores de corrente são equipamentos que reduzem elavados nı́veis de
corrente para valores proporcionais e que se adaptem aos instrumentos de medição,
tendo em vista a dificuldade destes em medir diretamente as grandezas de um sistema
de potência [23].
O TC ensaiado possui as caracterı́sticas descritas na Tabela 4.24 e na Figura 4.42
esse equipamento é mostrado.
Tabela 4.24: Informações nominais da placa do transformador de corrente testado
em laboratório
Dados de placa
Material isolante
Epóxi
Tensão nominal
15 kV
Nı́vel básico de Isolamento (NBI ou BIL)
95 kV ou 110 kV
Figura 4.42: Transformador de Corrente [3]
4.3.1
Descrição do ensaio com impulso atmosférico
Esse ensaio foi realizado conforme norma ABNT NBR 6856 [24], sendo conhecido
também como ensaio dielétrico.
100
Ajuste da forma de onda
Antes de realizar o ensaio de tensão suportável de impulso atmosférico no TC, é
necessário ajustar a forma de onda do equipamento da mesma maneira como a
mencionada na seção 4.1.1.
Ensaio de tensão suportável nominal de impulso atmosférico
Em seguida, é feito o ensaio dielétrico, cujo o objetivo é testar o isolamento do
transformador de corrente para a tensão de impulso atmosférico. Como esse TC
possui classe de tensão de 15 kV, segundo a norma ABNT NBR 6856 [24], seu
NBI é de 95 kV.
O TC deve ser capaz de suportar o ensaio com tensão de impulso atmosférico,
com a onda normalizada de 1,2/50 µs, sem que ocorram descargas disruptivas e
sem que haja comprovação de alguma falha no equipamento. Para a execução desse
ensaio, deve-se utilizar tensão com polaridade positiva, pelo fato do TC possuir
isolação seca, com epóxi.
Devem-se aplicar cinco impulsos dos seguintes tipos e na respectiva ordem:
Um impulso pleno reduzido - deve possuir amplitude entre 50% e 70% do valor
de crista do impulso pleno com valor especificado. Nesse caso, utilizou-se 70%
de 95 kV, sendo igual a 66,5 kV.
Dois impulsos cortados na cauda - devem possuir amplitudes 10% maiores que
o valor de crista do impulso pleno especificado e tempo de corte da onda
compreendido entre 2 µs e 6 µs. Utilizou-se o valor de 104,5 kV para a crista
do impulso.
Um impulso pleno com valor especificado - devem possuir valores de pico de
95 kV ou 110 kV, conforme a norma. Nesse procedimento, utilizou-se 95 kV.
Um impulso pleno reduzido - Aplica-se tensão de pico igual a 66,5 kV.
101
4.3.2
Conexão no laboratório de alta tensão
O circuito de ensaio é montado de maneira parecida o arranjo da Seção 4.1.2, com
o TC conectado em paralelo com o gerador, capacitor de frente e divisor de tensão.
O lado de alta tensão do TC deve ser curto-circuitado e aplicada a tensão originada do gerador de impulsos, enquanto que o lado de baixa e a carcaça do equipamento devem ser curto-circuitados e conectados ao terra (Figura 4.43). O arranjo
do circuito completo montado em laboratório, deve ser equivalente ao da Figura 4.4.
Figura 4.43: Ligação do TC em laboratório
4.3.3
Cálculos preliminares para o ajuste da forma de onda
Para definir, novamente, os resistores que foram utilizados na execução do ensaio de
ajuste e obter a forma de onda padronizada 1,2/50 µs, temos:
Cálculo da resistência em série
Utilizando a Equações 2.19 e os valores da Tabela 4.25, temos que:
C=
600 × 10−9 × (1 × 10−9 + 800 × 10−12 + 0)
600 × 10−9 + 1 × 10−9 + 800 × 10−12 + 0
C = 1, 795 × 10−9 F
102
(4.21)
(4.22)
E a Equação 2.27:
Rs =
1, 2 × 10−6
3, 25 × 1, 795 × 10−9
(4.23)
Rs = 205, 74 Ω
(4.24)
Cálculo da resistência em paralelo
As resistências em paralelo são as mesmas da Tabela 4.4.
Determinação do número de estágios que serão utilizados no ensaio
Considerando os mesmos princı́pios adotados na seção 4.1.3, pois as tensões máxima
e mı́nima utilizadas são as mesmas que no caso do transformador trifásico, optou-se
por aplicar tensão em quatro estágios do gerador, como feito nos ensaios anteriores.
4.3.4
Simulação do ensaio de ajuste no Matlab ou Octave
Novamente, como na Seção 4.1.4, serão apresentados nesse segmento os resultados
obtidos com a simulação do ensaio de ajuste de forma de onda proposto (Figura 4.44
e Tabela 4.26). O valor ôhmico para resistência série foi calculado na seção anterior, a capacitância do objeto de teste estimada e os valores para capacitância de
frente, capacitância do gerador de impulsos e resistência em paralelo foram dados
no laboratório AT2 (Tabela 4.25).
103
Tabela 4.25: Parâmetros calculados utilizados para a obtenção da forma de onda
simulada
Parâmetros aplicados na simulação
Resistência série
205,74 Ω
Resistência em paralelo equivalente
112,43 Ω
Capacitância estimada do objeto de teste
800 pF
Capacitância do gerador por estágio
600 nF
Capacitor de frente
1 nF
Capacitância em paralelo equivalente
1,8 nF
Tensão aplicada
18 kV
Figura 4.44: Simulação da forma de onda esperada com aplicação de tensão no
transformador de corrente [6]
Tabela 4.26: Parâmetros medidos na onda simulada
Tempo de frente
Tempo de cauda
1,022 µs
49,23 µs
A partir desses resultados, observa-se que os valores utilizados para resistências
104
e capacitores estão adequados e que o impulso de tensão visto na simulação apresenta um comportamento satisfatório e de acordo com o esperado, respeitando as
tolerâncias da Tabela 3.2. Assim, é possı́vel seguir para a etapa de realização de
teste reais.
4.3.5
Resultados
Os parâmetros utilizados no ensaio feito em laboratório são mencionados na Tabela 4.27.
Tabela 4.27: Parâmetros aplicados no circuito de ensaio
Parâmetros
Resistência série externa
200 Ω
Resistência série interna
15 Ω
Resistência em paralelo 1
31 kΩ
Resistência em paralelo 2
6 kΩ
Resistência em paralelo 3
115 Ω
Resistência em paralelo equivalente
112,43 Ω
Capacitor de frente
1 nF
Capacitância estimada do objeto de teste
800 pF
Número de estágios do gerador
4
Resultados do ensaio de ajuste da forma de onda - TC
Aplicando uma tensão reduzida de 18 kV para ajustar a forma de onda do TC, os
resultados da Tabela 4.28 são obtidos.
Tabela 4.28: Medições feitas no ensaio de ajuste de onda no TC
Tensão aplicada
Tempo de frente
Tempo de cauda
Tensão no equipamento
18 kV
1,42 µs
42,60 µs
59,9 kV
105
Resultados do ensaio de tensão suportável nominal de impulso atmosférico
- TC
1. Considerando a utilização de quatro estágios e rendimento de 80% do gerador,
temos que a tensão por estágio, utilizada para cada tipo de impulso, será igual
a:
(a) Para impulso pleno reduzido:
Vest =
0, 7 × 95kV
= 16, 6 kV
4
Vest =
16, 6kV
≈ 20 kV
0, 8
(b) Para impulso pleno com valor especificado:
Vest =
95kV
= 23, 75 kV
4
Vest =
23, 75kV
= 29, 68 kV
0, 8
Vest =
104, 5kV
= 26, 12 kV
4
Vest =
26, 12kV
= 32, 66 kV
0, 8
(c) Para impulso cortado:
2. Com os cálculos:
Vosc =
Vosc =
max
Vtotal
×η
268 × 20
104, 5 × 0, 8
= 15, 6 kV
5360
No osciloscópio, optou-se por utilizar o valor de 5 V /div como escala de tensão.
Para impulsos plenos a escala de tempo utilizada foi de 10 µs/div e, para os
cortados, de 1 µs/div.
Feitas essas considerações, os resultados da Tabela 4.29 foram obtidos.
106
Tabela 4.29: Medições feitas no ensaio de impulso atmosférico no TC
Aplicação
Tipo de impulso
Tensão por estágio
Tensão total medida
Tempo de corte
1
Pleno reduzido
20 kV
66,07 kV
-
2
Cortado
31,4 kV
103,20 kV
5,18 µs
3
Cortado
31,4 kV
103,20 kV
5,18 µs
4
Pleno especificado
28,5 kV
93,84 kV
-
5
Pleno reduzido
20 kV
65,97 kV
-
Sendo os resultados gráficos iguais a:
(a)
(b)
Figura 4.45: Resultados do impulso de tensão com a aplicação 1 (a) e aplicação 2
(b) no TC [20].
107
(c)
(d)
Figura 4.46: Resultados do impulso de tensão com a aplicação 3 (c) e aplicação 4
(d) no TC [20].
(e)
Figura 4.47: Resultado do impulso de tensão com a aplicação 5 (e) no TC [20].
108
Tabela 4.30: Verificação da porcentagem das oscilações dos impulsos de tensão cortados das Figuras 4.45 e 4.46
Aplicação
Porcentagem de oscilação
Tensão máxima
Tensão de pico da oscilação
2
19,78%
25,34 kV
5,02 kV
3
20,33%
25,34 kV
5,16 kV
Como no ensaio de tensão suportável no transformador trifásico, o pico da primeira oscilação que ocorre depois do corte na onda, nos impulsos cortados na cauda,
não podem ultrapassar 25% do valor de amplitude máxima de tensão, conforme a
norma ABNT NBR 6856 [24]. Com a Tabela 4.30, constata-se que os picos das
oscilações desses impulsos, no TC, não ultrapassaram esse valor de 25% de cada
amplitude máxima. Assim, os resultados são válidos pela norma ABNT NBR 6856
[24].
(f)
Figura 4.48: Resultados da sobreposição dos impulsos de tensão cortados no TC (f)
[20].
109
(g)
Figura 4.49: Resultados da sobreposição dos impulsos de tensão plenos no TC (g)
[20].
Feita a superposição das Figuras 4.48 e 4.49, o comportamento do TC em relação
ao impulso atmosférico é analisado. Como as ondas cortadas e plenas coincidem, há
a confirmação de que o isolamento do TC suportou de forma adequada aos impulsos
de tensão, de acordo com a norma ABNT NBR 6856 [24].
110
Capı́tulo 5
Conclusão
Este trabalho consolida os aspectos elétricos e construtivos do gerador de impulsos,
que possui a principal aplicação na verificação das condições de suportabilidade do
isolamento dos equipamentos elétricos de alta tensão, quando submetidos a esforços
dielétricos padronizados, de acordo com a norma ABNT NBR IEC 60060-1 [4]. Dessa
maneira, são importantes nas pesquisas e desenvolvimento de novos equipamentos
e suas caracterı́sticas isolantes, como também no estudo dos eventos transitórios
relacionados às altas tensões.
Esses transitórios originam diferentes tipos de sobretensões na rede de transmissão, sendo os impulsos de tensão atmosférica e de manobra descritos nesse projeto. A diferença predominante entre esses dois impulsos consiste no comportamento
da forma de onda de cada um, considerando o seu tempo de duração e taxa de decaimento, seguido da distinção dos meios de origem, se foi produzido no ambiente
externo ou interno do sistema considerado.
Através dos conceitos apresentados, são exibidos os procedimentos e resultados
referentes a realização de três ensaios elétricos. Os equipamentos ensaiados: transformador trifásico, isolador e transformador de corrente, apresentam desempenhos
satisfatórios em relação ao isolamento e de acordo com as normas ABNT NBR
5356-4, IEC 60383-2 e ABNT NBR 6856, respectivamente.
Com a elaboração deste trabalho é possı́vel concluir que o objetivo inicial de
realizar um estudo sobre as caracterı́sticas fı́sicas e elétricas de um gerador de im111
pulsos, sobre os fenômenos transitórios que podem causar falhas no isolamentos de
equipamentos e de executar ensaios elétricos para verificação da suportabilidade de
alguns elementos de uma rede de transmissão de energia foi alcançado, visto que nos
Capı́tulos 2 e 3 cada um desses conceitos foram abortados, mencionando com clareza
todos os pontos observados e relevantes para o entendimento de todo o precesso experimental mostrado no Capı́tulo 4, com a finalidade de promover um embasamento
para compreensão de todos os ensaios para o leitor.
Os ensaios realizados são praticados no Cepel com frequência, mostrando a
aplicação prática de muitos conceitos vistos na universidade e a necessidade de
ajudar outras empresas na análise do comportamento de seus equipamentos sob
impulsos atmosféricos. Outra caracterı́stica desse projeto é promover o auxı́lio na
realização de próximos ensaios em equipamentos elétricos envolvendo a utilização do
gerador de impulsos e conciliar todos os dados considerados nesta prática, por possuir um elevado detalhamento dos procedimentos realizados nos três equipamentos
elétricos especı́ficos, mostrar os resultados obtidos juntamente com os critérios para
análise do isolamento e evidenciar as condições básicas necessárias para a efetuação
de qualquer ensaio.
Este trabalho proporciona também um grande aprendizado sobre: as técnicas
aplicadas em laboratórios para realização de testes em alta tensão, montagem de
circuitos envolvendo diferentes equipamentos, interpretação e aplicação de normas
técnicas atuais, controle da aplicação de tensão no gerador de impulso com o uso do
software GC 257 Impulse, cálculo das resistências série e paralelo do gerador para
a obtenção de formas de onda padronizadas, utilização dos parâmetros calculados
considerando os componentes resistivos disponı́veis em laboratório e métodos de
proteção pessoal na realização de ensaios em alta tensão.
Para trabalhos futuros, indica-se o estudo de ensaios em outros equipamentos,
como transformador de potencial e isoladores compostos de diferentes materiais, e a
implementação de um método computacional que facilite a aquisição e tratamento
de dados em laboratório.
112
Referências Bibliográficas
[1] NEMÉSIO, J. S. Manutenção de instalações e equipamentos elétricos, 2013.
Apostila da disciplina de Manutenção de Equipamentos Elétricos, UFRJ.
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pesquisas de energia elétrica, 1986.
[3] CAGIDO, M. C. “Fotos do acervo da autora”, 2013.
[4] ABNT NBR IEC 60060-1: Técnicas de ensaios elétricos de alta tensão Parte 1Definições gerais e requisitos de ensaios, . ABNT - Associação Brasileira
de Normas Técnicas.
[5] E. KUFFEL, W. S. ZAENGL, ET AL. High voltage engineering fundamentals.
Newnes, 2000.
[6] CAGIDO, M. C. “Gráficos do acervo da autora, obtidos em simulação com
utilização dos dados calculados.” 2013.
[7] Manual técnico para ensaios de alta tensão 2- Centro de pesquisas de energia
elétrica, . Notas de utilização do gerador de impulsos do laboratório de
ensaios corona.
[8] ATALLAH, M. C. M. Geradores de impulso Haefely - Ensaios com impulsos
atmosférico e de manobra, 2013. Apostila de treinamento - CEPEL.
[9] CHARLES K. ALEXANDER, M. N. O. S. Fundamentos de Circuitos Elétricos.
Mcgraw-hill Interamericana.
[10] PEREIRA, C. E. R. Impulso de alta tensão: Modelagem e simulação de circuitos de ensaio. Tese de Mestrado, UFRJ, 2009.
[11] Relatório técnico - Centro de pesquisas de energia elétrica. ALAB 304/96.
[12] ARY D’AJUZ, ET AL. Transitórios elétricos e coordenação de isolamento aplicação em sistemas de potência de alta tensão. Universidade Federal
Fluminense/EDURFF, 1987.
113
[13] HEDMAN, E.D. Coordenação de Isolamento - Curso de Engenharia em Sistemas Elétricos de Potência - Série P.T.I. Santa Maria - RS, 1979. Tradutor
- José Wagner M. Kaehler.
[14] ABNT NBR IEC 62271-102:2006: Equipamentos de alta-tensão Parte 102:
Seccionadores e chaves de aterramento, . ABNT - Associação Brasileira
de Normas Técnicas.
[15] A. E. FITZGERALD, CHARLES KINGSLEY JR, S. D. U. Máquinas Elétricas.
Bookman.
[16] ABNT NBR 6939 - Coordenação do Isolamento - Procedimento, . ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas.
[17] DIAS, R. N. Nova Metodologia para Identificação de Pontos Crı́ticos de Desempenho em Linhas de Transmissão Baseada na Aplicação de Sistemas de
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[18] ABNT NBR 5356-4: Transformadores de potência Parte 4: Guia para ensaio
de impulso atmosférico e de manobra para transformadores e reatores, .
ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas.
[19] ABNT NBR 5356-3: Transformadores de potência Parte 3: Nı́veis de isolamento, ensaios dielétricos e espaçamentos externos em ar, . ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas.
[20] CAGIDO, M. C. “Gráficos do acervo da autora, obtidos em procedimento
experimental no laboratório AT2 do Cepel.” 2013.
[21] Isoladores, 1997. COELCE.
[22] IEC 60383-2:Insulators for overhead lines with a nominal voltage above 1000
V, . IEC - International Electrotechnical Commission.
[23] NEMÉSIO, J. S. Transformadores de Corrente, 2013. Apostila da disciplina de
Equipamentos Elétricos, UFRJ.
[24] ABNT NBR 6856 - Transformador de corrente, . ABNT - Associação Brasileira
de Normas Técnicas.
[25] A prática de ensaio de impulso - Centro de Pesquisas de Energia Elétrica, .
LEE - 07/82.
[26] SCHAEFER, J. C. Ensaios de impulso atmosférico e de manobra.
114
[27] DE MELLO, D. R. Técnicas de ensaio em alta tensão, 2013. Apostila de
treinamento - CEPEL.
115
Apêndice A
Dados da simulação
Figura A.1: Programa para obtenção da onda simulada
116
Figura A.2: Programa para obtenção do tempo de frente - Parte 1
Figura A.3: Programa para obtenção do tempo de frente - Parte 2
117
Figura A.4: Programa para obtenção do tempo de descida
Figura A.5: Programa para obtenção do percentual de oscilação dos impulsos cortados
118