Medição de alta tensão choque_Hermínio D

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M Jlç H)
AlI I I n
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177
I
e a ta tensão c
ffl ntc c rn tempo
de fronte
inferi re fi 1l11CrO egundo, em e pecir I nas tensõe
I11Ult altas, d< ordem do rnega \ olt
lérn disso cada
impul o unrp lar contém
urna componente
contínua.
e p r
n egumtc também
e tem de atender a bala Irequên la cio e pe tr , obretudo
quando
e trata
de nda
ho [ue com grande
tempo
de fronte e de
õe choque
ii I
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~CmJ-Cd
I
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ROD
rt dr
na
uda,
Jer,lmente
no en aio
laboratoriai
por meio
d ..l ten
hoque mtere a medir o valor de pico O
e conhe er a forma de onda da ten ão para e deternunarern a
ut
propriedade
temporais
(tempo
de
fr nte 7
de erni-cauda 1 r numa onda completa,
ou tempo de orte 1c numa onda
ortada),
que
ão
deci 1\ a na Interpreta
ão do fenómenos físico decorrente no en aios. Ü valor de pie
pode medir-se
I el di ruptor de e fera OU por intermédio
de um \01umctro de pico, ma apena
o o cilo CÓpIO mo ira
~ evolu ão temporal
do irnpul o .
Pr ra que emente a qualidade
fi ica aceitávei
e e PI miam por me lida
ontida
na tolerância
• drni ívcis. devem tome r- e precau õe e pccífíca na
con rgura a do cir uito de medi ão. Por e trate r
de a unto tão rmportante corno deli ado e que incompreen 1\ elrncnte em regra e obv ia. a entuarn- e ne te
apítulo alguma
pratica
que a e periência tem ugeã
equipr ment
m
1t~1 tcn ã devem
up rt r detcrrnin ..da
'\ ent uais d
11gern e ternt
U Interna
m \I t
pr vt r e , c nd.
de eguran ~
re pe tI\
I
I nte
ii tetad
com ten õe eh que. UJ3 f rrna de nda de pende
da fun ii de cmpcnhadz
p r cadr cquipament
(p r
e empl . 1.2 -O num pára-rui
e 5 ..00 num disjuntor).
O te te COOl alta ten e
hoque tem \ j ndo fi
re ebcr cre cente
ignifi ado entre o cn ai
de 1
lamento. no que re peits a
nc p fio
exe u
do
equipamento
da
entrai
de produ ao de l: nergia
ele mca e da
linha
de transporte
e di tribui à .
atendendo
a co rdcnação
do I olarnento
na
ubesta oe c po to de tran formação.
10 a C nns n a
ln pirada pelo re ultado
dos te te com ten
choque depende muno do aperfei oamento da técnica
de en aio. e pecialmente da té nica de medi ão
tensõe
choque
endo irnpul o de \ aria .ão
temporal
extremamente
rápida
na maion ..l da veze
u a- e a tensão
choque
normalizada
1,2 50). p suem um espectro de frequência
estendido
até valere
muuo elevados.
Ora a alta
frequência
u citam
erro
na medida
da tensão
que não e apercebem
quando
a frequência
são bai a
nomeadamente
quanto a influência
da auto-indução
do condutore
(ou correspondente
indutância)
e das capacidade
de
dispersão
(ou re pectivas capacitâncias),
e indu ivamente dev ido a fenómenos
de ressonância.
Por isso
a técnica das mediçõe
eléctrica
se tem desenvolvido
com acentuada
acuidade
na detecção e interpretação
dos sinais de altas frequências.
De facto revelam-se
consideráveis
dificuldades
na medição exacta de tenã
ã
rido.
_.
DI RUPTOR
DE E FER
De acordo
001 o mecanismo
de ionização dos
ga e por coli ão, a disrupção completa
do intervalo
de ar entre a e fera de um di ruptor realiza-se no
máximo dentro de alguns micro-segundos
após o eu
inicio, quando
uma ten ão contínua
ou o pico de
urna tensão alternada sinusoidal aplicada atinge o \ alor
da rigidez dieléctrica
do intervalo
gasoso. É ev idcnte
que de igual modo se pode medir o valor de pico de
urna ten ão choque, desde que a sua duração não seja
demasiado curta (em princípio, se o tempo de . emi-cauda for T, 50~~).
E LECIR/(
1DA DE I ~7
255
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na I ronl
)
bJ
a)
o
C0111eo da di rupção ocorre Jogo que um electrão e encontra no inten alo. por aca o, numa po icão favorável para de encadear a reprodu ão enl avalancha. Por i o o pico de uma ten ão choque pode
igualar o \ alor de pico da ten ão alternada de di rupção, chamada ten ão estática
Ü, (fig. 1 a). ern
que prov oque a di rup ão do intervalo,
te mo numa
tensão choque aplicada COIll pico uperior à ten ão
estática, e no momento em que a ten ão choque a ume
o \ alor da tensão estática não e i tir nenhum portador
de carga em po i ão fa\ orável ao de enlace da avalancha electronica o início do proce o de ionização
atrasa-se de um certo tempo e tatl tico I , variável
conforme as leis do acaso (pelo que e sati faz em geral
a distribuição de Gauss). decorrendo ainda um determinado tempo If formatix o do canal de de carga.
esta condições o tempo de atra o da disrupção.
relativamente ao ln tante te em que a ten ão choque
atinge o \ alor da tensão estanca. era
I
tr
A fim de que a disrup ão e dê com um atraso
mínimo é necessário que o interv alo di ruptiv o contenha bastantes portadores de carga. o que pode conseguir-se por radiação artificial do e pa o entre a e feras do disruptor com luz ultrav ioleta e que obrigatoriamente
se recomenda
na ten õe inferiore
a
50 kV. Assim se reduz a dispersão e tatí tica referente
ao tempo requerido para que um e1ectrão inicie o processo das avalanchas.
Como o tempo de atraso não é con tante, em consequência da variação aleatória do tempo estatí tico e
também por haver uma ligeira disper ão no tempo
formativ o, a aplicação sucessi a de urna tensão choque com um dado valor de pico O • O, não prov oca
necessariamente
em cada ca o a di rup ão do intervalo. em especial se O é pouco su perio r a Ü, tilg. ) b).
A disrupção
torna-se
mais provável aumentando
o pico da tensão choq ue, pois decre ce o tem po de
atraso. Costuma referir-se que o tempo de atra o
diminui com o aumento do factor de choque
I. -
definido
aplicada
E/I
I~
J('du~iio do tempo de atraso
pelo aumento de factor de choque
(I - onda d nrco Igualou inlerlor
tCD ao
uÍI. a e • m
disrupcâo; 2. 3 - di rupçao na
cauda; 4 - d,nupçiio
no pico:
5-
256
'il (tempo
',1 )
IJ)
J
I.mpo rl, alra"
de ê1Ifera
""I'il ic.." '.'
tcmr.o 'ormatn'fl
I
tempo de rllsrupdo
_ 4
- -_
do di rupror
pela relação entre o pico da ten fio choque
e a tensão estática do intervalo interelectró-
(TRICllJ1DF
dico.
UJn valor médio do tempo de atra o corresponde naturalmente
UJn \ alor de ten ão 050 no qual
metade (ou 50 o ) do e for o a plicado conduzem
a disrup ão, valor que e torna como ten ão choque
de di rup ão do corre pendente intervalo entre a e fera do di ruptor.
orn um di ruptor de medi ão ali fazendo apre
criçõe regulamentare
pode medir- e a teu ão O 050
atra \ é de la bela norma lizada [7], a qual
fornecenl o valor Odo de di rup ão na condi ões tandard
em função do afa tamento d entre a e fera de diâmetro D, c efectuando a correc ão on equente da condições armo férica do ar ambiente
por meio do factor de corre ão k dependente da denidade do ar
Para I o é preci o q ue o afa tarnento da e fera ou
a fonte geradora da onda choque tenha um aju te
fino. de maneira que e verifiquem \ ariaçõe inferiore
a 2 o o do \ alor da ten ão a medir, Em ada oÍ\ el de
ten ão devem aplicar- e ei Impu) o choque intervalado d um tempo não Inferior a 5 egundo.
endo
recornendáx el obter o alor
50 pela
interpola ão
entre pelo meno doi inten alo interele tródi o ou
doi nívei de ten ão. t J que num e realizam no
má: imo dus di rup õe e no outro e con ratam pelo
meno quatro
létodo diferente. rneno ç acto. oni te em aju tar o \ alore da ten ão aplicada ou o afa ...lamento
da e fera até e obter entre quatro a sei
di rup õe numa érie de dez impu] o u e i\ o .
A preci ão do re ultado dep nde portanto do método
e perimental, e ainda da pre j ão inerente ao \ alore
norma Iizad o , o quai
ão eiv ados de
3 o o até
afastamento
da c lerei iguai ao eu raio e
~o o
nos aI H tamento
UpCI iore
(menores que 75 o o do
diâmetro).
3.
DIVI OR
PI O
Tal comi) na mcdiçã
do pico da te nsão alternada, pode deri va r-se LJ m inal de baixa te n ão de
um divi or de- ten ão par" se medir num voltímetro
de pico (fig. Za), no qual cm princípio um díodo
entra em ondução sempre que o impulso de e cita-
127
,
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arm zenador de apacidade C" ate ao "li 1r de pico
do
di continu
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CMl
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de troca
Rr
UI
"'A
I- uucma
Por con equência o voltímetro
um certo erro relativo
ma quando
inal come a a doere cer
o díodo fica polarizado
inver arnente e bloqueia a de arga do onden ador armazenador.
de m neira que
indica
um valor
com
inal:
um \ cltirnetro
electro tático acoplado
ao
minais mede o val r de pico ..._, donde
tere calcula
do
factor
('I) -
0_
Ú?_
eu
de atenuação
o do li i or
Ri
R2)
R2
e for re i ti o ou
a = C1
C2) I C1 endo capaciti o.
'o caso do di, isor de ten ão ca pacitivo (fig. Zb)
deve colocar- e em paralelo com o condensador Cz
no ramo de baixa ten ào uma resi tência de sangria R2 ,
da ordem de grandeza de algun rnega horns (ele ada
por impo ição das propriedades
de atenuação
do
divisor), para ev itar que C2 e carregue com alguma
componente
contínua
devida ao circuito
de rectificação do voltímetro
de pico.
A resistência directa Ro do díodo, não sendo nula.
provoca um aplanamento
dos sinais ull) de rápida
subida que excitam
a entrada
do dipolo
RD' CM
(fig. 2c , de modo que a resposta U2~1 (I) se atrasa relativamente
à entrada
li! (1), e a partir
do instante 1;
em que ambos os sinais de tensão se igualam (fig. 2d)
dá-se a inversão
da polaridade
do díodo, deixando
de conduzir,
pelo que o condensador
armazenador
não chega a carregar-se exactamente
ao valor de pico.
por intermédio
de ten ão, a
1I2M
que
torna maior com a redução do tempo de subida
do
inal de c ntrada,
podendo
ocorrer
acentuados
desvio em tcnsõe choque cortadas na fronte.
O \ alor da constante
de tempo Ro C\1 do circuito
de medição
deve
er dimensionado
para
garantir
um erro dentro dos limites espe ificado
pela. rolerância adrni síveis. O problema de cálculo complica-se
porque o díodo não tem comportamento
linear (a resisrência RI) não pode er admitida constante), caracterizando-se
de preferência
pela sua característica
tenâo-corrente:
quando a tensão no conden sador armazenador se aproxima
do \ alor de pico da tensão de
entrada a corrente através do díodo decresce, e como
ti resistência
dinâmica do díodo aumenta com o decrescimo da corrente
a constante
de tempo do circuito
cresce continuamente.
Outras dificuldades surgem ainda
pela presença da capacidade
de dispersão
e da auto-indução
residua I do circuito.
A resistência
de bloqueio
do díodo. não sendo
infinita. e as resistência"
de isolamento
limitadas
do
condensador
armazenador
e do instrumento
indicador
provocam
um erro de descarga do condensador
armazenador, que se descarrega
rapidamente
devido à sua
fraca capacidade
(algumas dezenas de pF). Para eliC
ELECTRICIDADE
/17
257
minar este erro Rabus [2J em I( 53 concebeu um circuito de t1"O a permanente
de carga (fig. Ze) ligando
dire tamente ao \ ottímet r clect r} rát ico uma capacidade au iliar
muito
upei ior fi C l' a imo J 01'
um lado, a OH tante de tempo da de c. rga de fugs
torna-se muito elex ada (apenas e e c a a 19uma cu rga
eléctrica pela re i tência de bloquei
do díodo) c. por
outro lado, a capacidade au iliar é rapidamente
carregada pelo conden ador armazenador
através de
urna re i tência de tran ferência R I de pequeno \ alo r
óhmico comparado
com a rc i tência de bloqueio
do díodo. sendo portanto
a con tante de tempo
(CM
CA)RT•
te circuito
trabalha
sati fatoriamente somente
e forem de prezáveis a carga eléctricas que fluem para CA enquanto
c carrega CM.
o que implica um conveniente
dirnen ionarnento
da
resistência de tran ferência ; como o tempo de carga
de C 1 é apro ..imadamente o tempo de cri la da ten ão
choque (da ordem do
micro- egundo)
e colhe- e
uma constante
de tempo com pouco
décimo
de
segundo, podendo então de prezar- e a carga de C
durante a carga de C 1, lDa não se dev e fazer tão
pequena que re trinja o má imo tempo de emi-cauda
que e po sa medir (o in trumento
comerciai
permitem medir tempo
de emi-cauda de algun
mili-segundos).
Ta medição de tensõe choque com grandes tempos de semi-cauda o principio da troca contínua de
carga substitui-se por um comutador,
garantindo
pré-descarga nula de CM sobre CA e corrente de fuga
nula atrav és do díodo (fig. 2f): o condensador
armazenador é carregado
por um ou mai irnpul o de
tensão. e manobrando
o comutador
para o circuito
de troca de carga dá- e então a ua de carga obre
CA• Sendo finita a resistência directa do díodo mantém-se o correspondente
erro manife tado no e quema
anterior. mas pode reduzir-se pelo uso de díodos com
pequena resistência directa pois não e c ige tão elevada resistência de bloqueio.
cu m pri r I cgras e pcclí ica pa ra q ue o erro global
re ultante e pos G limitar a pouco por cento.
Osciloscópio para tensão choque
4.1.
o
o cilo cópio de cáu do frio, que dantes se usavam directamente
ligados ao circuito
de alta ten ão
até ao 100 kV, dispen arn o divi or de tensão. Mas
hoje ó e utilizam o o cilo copio com tubo de raio
catódico
ele cátodo aquecido cuja en ibilidade (referente à en ibilidade de de vio do raio catódicos).
de algun
ln V CJn a 150 V cm,
obriga a interpor
um div i 01 de tensão. O o cilo cópio especiais para
medir ten õe choque di pen am o amplificador
vertical, poi o inal de entre: da pode ter a amplitude
que e qui er (conforme o divi or de ten ão). Como o
inal de entrada
egue directamente
para a placas
do tubo de raio catódico (fig. 3a) con egue- e uma sen7
CD
6
o)
2
1
3
7
~ 1~1l--I~ I
258
B
,
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1
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T
T
5
6
"-
[)
_ ...
ÓPIO
As altas tensões rapidamente
variávei
no tempo
podem analisar-se
com um o ciloscópio ligado por
cabo coaxial a um divisor de tensão. E la con titui ão
é necessária pois os valore
de pico da ten ão ão
muito elevados. podendo atingir alguns milhões de
Volts. Frequentemente
usa-se o conden ador de carga
do gerador de tensões choq ue ao mesmo tempo como
ramo de alta tensão do div isor de ten ão capacitiv O.
e no esquema a do gerador pode u ar- e a re i tência
de descarga também como divisor de teu ão re i tive:
mas esta montagem só é utilizável
na determina ão
do valor de pico de uma ten ão 1,2/50 completa ou
cortada na cauda, não se apropriando
a medir tensões choque cortadas na fI onte: um div i or de ren ão
é mais exacto, porquanto
apena exerce a fun ão de
medição.
Uma medida precisa e ige um o cilo copio adequado, um cabo coaxial de interligação
ao ramo
de baixa tensão do divisor devidamente
blindado c
adaptado,
um divisor de tensão com boa propriedades de transferência
e um condutor de ligação fi
fonte de alta ten ão com e cas a auto-indução.
A in ralação de medição completa deve obrigatoriamente
ELECTRIC
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~mphfic dor horlzontJlI
I ính d
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ubo d raro cat dieo
ibilidade de 50 a J 50 V cm, ao ontrário dos o cilo cópio
norma i de tinado
à altas frequên ia
(u ado na tele ornunica ões cuja en ibilidade de
entrada atinge pou o TIl \ m. ' ent nto p de utiIiza f- c um o iloscópio norma I de eh: \ a I. en ibilidade de entrada, equipado
cm arnplificad r vertical, tomando pre nu õe para reduzir o nível de ruído:
boa blindagem e corre tas ligações à te rra.
ma cara terí rica intere sante dos o ilo ópi s
reside na rcspcctix a largura te banda por exemplo
1501Hz,
a lérn da \ eloc idade de resolu ..ão (seja
2,5 cm/ns). Outra propriedade
significativa traduz-se
IDA DE 127
•
pela rclacão sinal/rurdo
que é relativamente
grande
nos osciloscópios
de ondas choque.
orno e do saber geral, o sinal de medição aparece
representado
no ccran do osciloscópio
atravcs
de
dois d~itos simultâneos
no varr imento do feixe de
r..rios catódicos:
a deflexão horizontal, que especifica
o tempo da evolução
do sinal. realiza-se aplicando
às rcspcctix as placas urna tensão de crescimento
linear
(forma de onda cru dente de serra);
o varrirncnto
vertical é imposto pelas variações
de amplitude
do
sinal de entrada.
Deste princípio de funcionamento
surge a necessidade de sincronizar ambas as deflexões.
O \ nrrimcnto
temporal pode ser comandado
por
disparo (cm inglês : ,·trigger") interno ii custa do próprio sinal de entrada. ou por "trigger " externo injectando um sinal de disparo num terminal próprio
e
num instante bem definido. Nestes dois tIpOS de "trigger"
o impulso de disparo passa pelo amplificador de "trigger"
a fim de excitar o gerador da tensão em dente de serra.
cuja saída uma \ er a mplificada no amplificador
horizontal se aplica aos respectix os eléctrodos. Como este
processo demora algum tempo (cerca de 100 ns) exige-se
um certo atraso do sinal de entrada antes de alcançar
as placas de deflexão vertical, o que se consegue por
intermédio de uma linha de atraso. em geral incluída
no osciloscópio (instalada no amplificador
vertical ou
entre este e as placas de \ arrimemo
verucal).
Os osciloscopios especiais para medição da tensão
choque
todav ia possuem terminais
específicos para
se acoplar externamente
uma linha de atraso, consutuída por um cabo coaxial com cornpnrnento
dimensionado de maneira
a que o correspondente
tempo
de trânsito iguale o atraso pretendido.
Ora a velocidade l' de propagação de um SInal numa linha depende
da permitiv idade relauv a z e da permeabilidade
relativa !-l dos materiais de construção.
segundo a relação
l' = c/\ Z(J. onde
c - 3.l0sm/s é a velocidade de propagação da luz no vácuo. Como nos cabos coaxiais
normais ji
1 obtém-se l' - cj\ r , definindo-se geralmente a velocidade de transmissão
relativa em percentagem
l'
I' r --
c
emprego
do aparelho
de controlo
electrónico
do
gerador de tensões choque, o qual envia, em intervalos
de tempo reguláveis
um sinal para o gerador, outro
para o disruptor
de protecção
e um terceiro impulso
para o osciloscópio.
4.2.
Cabo coaxial de intcrltgaçâo
Por razões de segurança o osciloscópio não se encontra junto ao divisor de tensão mas sim afastado (em geral
menos de 30 m), sendo necessário efectuar a sua interligação para transmissão
do sinal de medição. Surgem
então problemas delicados de blindagem contra acções
externas e de adaptação
das impedâncias
dos equipamentos nos nós de ligação.
Sabe-se que os campos externos induzem tensões
parasitas nos circuitos fechados. alterando
os sinais
transmitidos.
N um la boratório
de alta tensão detectam-se realmente campos de influência bastante intensos. por exemplo. campos magnéticos originados pela
corrente
eléctrica
nos condutores
vizinhos (fig. 4).
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-100
I
b)
que para os dieléctricos
usados nos cabos coaxrais
(polietileno:
z = 2,3) determina valores de 50 a 70 o o
da velocidade da luz. O inverso da velocidade de propagação define o tempo de trânsito por unidade de
comprimento
T,
l/r, dado fornecido
pelos fabricantes expresso em ~sjm. e por conseguinte o tempo
de trânsito será r = T, I , expressão que permite dimensionar o comprimento
I do cabo coaxial
I =
V r
para um certo atraso do sinal.
mulas anteriores
deduz-se
l'
=--
Conjugando
as fór-
c
donde se mostra que o tempo de trânsito depende
exclusivamente de grandezas geométricas e dieléctricas.
Outro modo de realizar a sincronização
do osciloscópio nos laboratórios
de alta tensão consiste no
c)
Fig. 4 -
Influência de campos
de interligação
a) Correcto
b) Incorrecto
c) Incorrectc
electromagnéticos
estranhos
00
cabo
coaxial
Além disso a capacidade de dispersão do crrcuito de
interligação introduz também uma perturbação.
Para
se minimizarem
estes inconv enientes a Interligação é
efectuada por cabo coaxial.
ELECTRICIDADE
127
259
impedância
caractcrí rica parte do sinal é reflectido
para o terminai de entrada, e aí ofrerá nova reflexão
pa reia I e a im pedãncía termina I do ra mo de baixa
tcn fio do divi or for distinta de 20, resultando
conseq uenre mente um
ina I no o ci loscópio d iferente do
origi na I.
Para e eliminarem
a reflexõc
deverá terminar-se
o cabo Ct a 'ial por urna re j rência óhmica
igual à
impedância
caracterí tica do cabo, dizendo- e então
que o cabo e tá adaptado. Infelizmente
porém esta
adaptação
é condicionada,
por um Jado peja impedância de entrada do o cilo cópio, e por outro Jado
conforme
) tipo de divi or de ten ão (3).
o ca o de um divisor de tensão re istivo (fig. 5a)
a adaptação
é prejudicada pela impedância de entrada
do o ciloscópio,
que contém
uma capacidade
CM
em paralelo com uma re i tência R 1 (em geral 10 a
50 P" em pa raleio com I MO): na baí a freq uências
1 não e erce efeito de carga
en ível poi I/(J) CM
é valor muito ele ado, ma na alta frequência
e ta
reactância
J f,l C 1 pode er da ordem de grandeza
de 20 (e templo: e C t
40 pF e f
50 Ml+z erá
1 ,} C t
O 11). Por i o frequentemente
não e faz
a adaptação do cabo coa rial pela ua impedância de
onda no terminal de aída. Para e e' itarern reflexõe
no terminal do ramo de bai a ten ão do di, i or re i ti\ o é aeon elhável e colher um cabo com uma impedância caracterí rica pró ima do \ alor R2: não endo
o ca o (fig. 5b) colo a- e a re i tência ZO-R2 à entrada
do cabo coa ial [5].
dmitindo condi õe ideai de adapta ão (iguai
Impedância
do cabo e no eu terminai de entrada e
aída) a amplitude
do
inaí ob erv ada no o cilo cópio devem er duplicada
para e obter a ten ão
em vazio do di, i ar de ten ão, poi na \ erdade a re i tência efectiva do ramo de bai a ten ão reduz- c a
metade pelo cabo coa ial em paralelo, i to é.. e o fa tor
de atenua ão do di, i or re i ti\ o em cir uito aberto for
De facto o ruído apacitivo ~ anulado nos cabo
coa iais porque a linha
de força do campo eléctrico extern
terminam na blindagem do cabo ligada
à terra (fig. 4 a, b). A blindagem contra campo eléctrico é perfeita se o abo coa ial ror ('I1V< lvido por
um tubo metálico. ma
omo normalme ntc a armadura é constiruída
pc r no entrt nçado a blind: gern
não é total.
ac ão contra campo
magnéticos e terno realiza- e por campo
antago 11 i (a ca usad o pe la corrente pa ra si tas induzida
na bJi ndagern melá lica pe lo
próprio
campo
magnético
e terno (fig. 4a). 1as
o cabo
coa iais norrnai
nãr po uern blindagem
• •
•
magneuca.
e corno a corrente
para ira
na trança
enx olvente
ão fraca ou ine i tente não amortecem
campo
magnético
e tacionário
e atenuam
pouco
o campos magnético
alternado
de bai: a frequência. E ta perturbação
contudo
não é ignificativa
dado que a ren ão induzida é proporcional à frequência
da corrente de perturbação.
não e igindo por COIl eguinte amortecimento
na bai a frequência;
com
o aumento da frequência cre ce o amortecimento do
campo magnético pela blindagem da tranca de fio .
tendendo para um valor final fun ão da den idade
de fio .
4.3.
Adaptação
Um cabo coa ia] deve ser encarado como uma linha
de parâmetros
distribuídos
quando o eu tempo de
trânsito atinge apro imadarnente
o tempo de fronte
do impulso a transmitir
(por e emplo:
e Ti
1n
comprimentos
inferiores
a 10 cm manife tam- e ja
linhas de parâmetro
distribuídos),
poi então o cabo
é considerado
electricamente
longo, ou eja, de comprimento
superior
ao quarto
do comprimento
de
onda da frequência de e citação.
Assim uma onda de ten ão migrante no cabo vê
a sua impedância
característica
20 (também
dita
impedância de onda) em função do estado terminal
do cabo: aberto. em curto-circuito
ou com qualquer
impedância.
Se a impedância terminal não é igual à
a
1
o
1
-'-
.....
de
h:n
d)
ao
-
T
b}
Divisor r i)t.,o (caso R2*
c)
I)ni or
..l
d)
0
R1
C')
nl' rsor
e)
/27
\
20)
:aplHle.\O
urrecç60
l)tI ili,o
l.;r---,
-
c)
ln LCI R/( IDA D/
ú
01\1 or resi eho (caso R.,':: ZO)
~Q
l
do cabo coaxial d interliga, o do o cílo côpio ao di, íser
\dupla
a)
C1l:5~~====~·_...,
r
260
f·lg. 5 -
bJ
de Burch com dn isor
i:'spDcilho smcrtecido
quando a tensão do ramo de baixa tensão
transmitida para o osciloscópio
por Ul11 cabo perfeitamente
adaptado
(,) \ crdadciro
factor de atenuação
será 2 o.
Na interligação
de um divisor de tensão capacitivo
ao osciloscópio
o cabo coaxial. cru geral directamente
ligado ús placas do osciloscópio,
encontra-se em vazio.
havendo portanto reflexões do sinal, e para que não se
estabeleçam
oscilações de ondas migrantes
liga-se
a impedância
caractcn tica do cabo à sua entrada
(fig. Se). Deste modo o sinal U2(t) oferecido pelo
ramo de baixa tensão do div isor reparte-se na razão 1:2
entre a impedância Lo localizada à entrada do cabo
e a impedância
igua I do próprio cabo, dando-se na
extremidade
de sa ida do cabo uma reflexão da tensão
II ~.(/) ~. donde resulta a tensão 1I2(f) a plicada às placas
do osciloscópio.
A onda reflectida não seru reflectida
de nox o. pors encontra a impedância
característica à
entrada do cabo, c é absorv Ida pela capacidade C2
(que para as frequências envolx idas representa um
curto-circuito ).
De acordo com este mecanismo nas altas frequêneras con erv a- e o factor de atenuação em \ azio
é
a -
mas nos fenómenos
lentos e de baixas frequências
já interv érn a capacidade propria do ca bo Ck em
paralelo
a
elevando-se o factor de atenuação em carga. Se o cabo
coaxial não for muito longo pode desprezar-se CI..
em face de C 2 e por conseguinte o factor de atenuação
não varia apreciavelmente
~ mas em cabos longos ou
para valores reduzidos de C 2 pode eliminar-se o erro
(fig. 5d) colocando na saída do cabo a impedância Zo
em série com uma capacidade adicional Ca tal que
CI - C2
Ca
c.. como mostrou Burch [I]
em 1932.
No divisor de tenção capacitivo amortecido há que
atender à resistência R2 no ramo de baixa tensão.
devendo por isso efectuar-se a adaptação do cabo
coaxial pela resistência Zo - R2 (fig. Se).
Para resolver o problema da adaptação das impedâncias é indispensável conhecer a impedância característica de cada cabo coaxial, dado fundamental fornecido pelos fabricantes, os quais dispõem de uma mesa
de medição que permite a determinação desse valor
numa larga gama de frequências (geralmente até várias
centenas de megahertz). Por vezes no entanto é necessário efectuar esse cálculo por via experimental. Ora
a impedância característica exprime-se por
20=
L'
C'
onde L' é a auto-indução do cabo
comprimento e C' a sua capacidade
dade de comprimento (normalmente
Basta portanto medir estas grandezas
segmento do cabo, com uma ponte
por unidade de
também por uni30 a 100 pF 1m).
no cabo, ou num
ou pelo método
da ressonância: L' determina-se num ensaio em curto-circuito e C' num ensaio em circuito aberto. Embora
a capacidade de um cabo isolado a polietileno seja
praticamente independente da frequência o valor Zo
calculado depende da frequência usada na medição,
porquanto a auto-ind ução decresce à volta de 20
entre 0.1 e 10 MH7 (a auto-indução interior do condutor tende para zero devido ao efeito pelicular).
Como a maioria dos instrumentos de medição funciona com uma frequência abaixo de 1 MHz obtém-se
para a impedância característica
um valor superior
ao fornecido pelos fabricantes, pelo que se deve arredondar
para o valor normalizado
imediatamente
inferior.
(I fi
Di storsão
4.4.
de transmt ssão
A distorsão
dos sinais rapidamente
variáveis no
tempo durante a sua transmissão por cabo coaxial
deve reduzir-se tanto quanto possível, mas aparecem
CIrcunstancias construtivas
msuperaveis.
Num dado tipo de cabo coaxial o amortecimento e
os erros associados à frequência decrescem com a redução do comprimento do cabo. Para as tensões choque
comuns na tecnologia de alta tensão um cabo de 10 m
praticamente não exibe amortecimento,
podendo ser
encarado como uma linha de transmissão sem perdas:
contudo para comprimentos
maiores.
como é frequente, já as perdas não são desprezáveis.
Desta maneira quando se transmitem impulsos de
cauda longa num circuito adaptado
a um divisor
resistivo desenvolve-se
uma divisão de tensão na ligação em séne da resistência R I do cabo coaxial e da
resistência terminal Z o ' sendo,
•
,...
lO,.,
•
donde se observa o erro
e
R' I
-= -
U2M
(r).
Zo
o
efeito pelicular aumenta a resistência nas frequências muito altas, originando também uma redução da amplitude dos sinais de variação muito rápida,
como sucede nas tensões choque cortadas na fronte.
Todavia pode desprezar-se em cabos até 10 m de comprimento.
Na transmissão de sinais a distâncias superiores a
10 m reduzem-se os dois tipos de erro anteriores empregando cabos coaxiais com baixa impedância característica, pois os seus cond utores internos possuem
diâmetros maiores, sendo menor a resistência por unidade de comprimento R'.
O material dieléctrico do cabo coaxial também
contribui para a distorsão dos sinais extremamente
rápidos, através da variação da permitividade em função da frequência, que origina tempos de trânsito das
distintas harmónicas tanto maiores quanto mais elevada for a permitividade. Neste aspecto os melhores
cabos coaxiais são rígidos e de ar, dando maior distorsão os cabos de espuma de polietileno, poliettleno sólido, Teflon ou cabos flexíveis de ar com suporte
isolador helicoidal contínuo.
ELECTRICIDADE
/27
261
4. -.
labora tório
de alta h: nsão,
obi Cl udo de
natureza industrial,
ão freq uente
a inrerfe rência
electromagnética
a ociada
a orrente
e alta ten(Se de variação rápida. Por j so um inal ele medição
aparece no écran do o cilos ópio com algumas o cilacõe
de perturba ão obrepo tas, que
on titucm
o chamado ruído do inal.
E stc ruído pode ter di, er a origcn
externa,
independentemente
do ruído interno da c trutura do
o cilo cópia, corno a eguir e anali a.
O
campos electromagnéticos
externos penetram
num oscilo cópio deficientemente
blindado, induzindo
ruído no amplificador vertical e nos circuito associado. perturba ão que se ev ita colocando
o o cilo cópio numa cai a ou cabina de blindagem.
rede de alimentação
do o cilo ópio tem \ ariações aleatória
que introduzem
ten õe de ruído
(~30
1 Hz), a - quai
e podem eliminar por meio
de filtros de rádio-frequência
à entrada da alimentação
do aparelho (duas capacidade
transv er ai e uma auto-indução
longitudinal.
numa ligação em ,.), endo
muitas vezes suficiente enrolar o cabo de energia num
núcleo de ferrite ou pa á-lo atrav és de um tubo metálico fíexív el ligado à blindagem
do o cilo cópio.
Múltiplos pontos de ligação à terra possibilitam
a formação de anéis fechado
(fig. 4c) e daí a circulação de corrente
de perturba ão na armadura
dos cabos. as quais induzem tensões de ruído na
\ árias impedância
ao longo do percur o do inal
(e que aparecem sobrepostas
ao inal}.
s corrente
de circulação na armadura de um cabo podem eliminar-se pela interrupção
do respectiv o anel fechado,
mas não é possível desligar a armadura do cabo coaxial para que este não perca o seu comportamento
de linha de transmissão;
bloqueiam-se todav ia as correntes de alta frequência enrolando o cabo num núcleo
de ferrite (prática sempre aconselháv el), poi e eleva
a impedância à custa da alta permeabilidade
magnética e porque a indutância é proporcional à raíz quadrada do número de espiras. Além disso quanto menor
for a impedância de acoplamento do cabo coa ial ao
osciloscópio
tanto menor será o ruído produzido,
e por isso se usam cabos coaxiais duplamente blindados ou cabos metálicos flexíveis (cujo condutor
exterior é uma folha metálica ondulada).
lO
4.6.
262
Condutor de ligação
Por razões de segurança e de isolamento nas alta
tensões são necessárias grandes distância
entre o ircuito de ensaio e os aparelhos de medição, obrigando a
condutores de ligação com grande comprimento.
~a
baixas frequências não é ensível a perturba ão do
condutor de ligação, mas nas altas frequência
a auto-indução residual dos condutores e n capacidade de
dispersão à terra manifestam- e perturbadoras.
o caso de sinais com rápido tempo de ubida
a ligação entre o provere e o divi or de alta ten 50
deve ser considerada como uma linha de rran rnissã )
de parâmetros distribuídos, cujo tempo de atraso tem
grande influência no tempo de re posta do sistema
total, segundo est udo de Asner [4] em 1961.
A fim de amortecer
o cilações indesejáveis
interELECTR/CIDAIJf
óhrnica no condutor de ligação, na qual c produz uma queda de tensão pela
pa sagcm da corrente consumida no circuito de medião, donde resulta que a tenção lJ{I) no provcte difere,
ainda que ligeiramente, da ten fio aplicada realmente
ao circuito de medição.
Para minimizar a influência do condutores de alta
tcn ão e de terra na caracterí ticas de todo o circuito de medição devem e te condutore
er tão curtos
quanto po ível. Por di po ição critério a dos equipamente evitam- c muita
veze condutores de ligação.
nla é preci o ter o cuidado de con ervar a propriedades de tran ferência do divi or de ten ão inscnhei à pre ença de objecto vizinho.
a liga ão do terminai de terra do gerador, provete e divi or de ten ão aplicam-se com vantagem
fitas 1arga de cobre ou latão e trança de fio de cobre.
'a medição de ten õe choque na região do nano-segundo,
como ocorre na pe qui a fi ica, são e senciai liga õe por cs bo coa lal .
cala- e uma
Ruído
/27
4.7.
re istência
Tratamento das medidas
o
o cilograma
contêm dado que intere am ao
e perimentador
para caracterizar
a ten ão choque
medida.
O valor de pico O avalia- e imediatamente
atendendo à e cala vertical do o cilo cópio e ao factor
de atenua ão do div j ar de ten ão.
forma de onda, que forne e os valere do tempo
de fronte T, e de emi-cauda T, numa onda completa.
ou do tempo de orte Tc: numa onda cortada na fronte.
aparece todav ia no écran do o ilo ópio deformada
eID rela ão ao \ erdadeiro
inal.
Pode no entanto recompor- e a alta ten ão hoque
a partir da ten ão indi ada no o ilo copio, pois o tempo
de subida da ten ão calcula- e (6) atendendo ao diferente
elemento
do circuito de medição (fig. 6a)
T
r,
..,
2
o
T -k -
.,
T. o..
onde a influência do condutor de liga ão To c é in ignificante, e no diví or de ten ão r. D » T . endo T k
desprezáv el no cabo
oaxiai curto e de alto \ alor
óhmi o. enquanto
no o cilo copio r. o
3 n poi
geralmente a ua frequência liruite é uperior a 501Hz.
pelo que na maioria do ca "O o tempo de respo ta
total do circuito de medi ão corre ponde ao omportamento de tran ferência do div i or de ten ão r. -- r. D.
Uma vez refeita a forma de onda da ten ão choque
é po Í\eJ calcular os valore
caracter! tic
no que
e refere à ua ev olução temporal.
E te método é muito u ado na determina ào do
tempo de re po ta de uma in tala ão de: medição,
aplicando
uma tensão impu! iva aos terminais do
divi 01' de tensão, medindo a resposta no osciles ópio
e efectuando a orrec ão do tempo de subida pela
relação an terior.
1a e i te outro método I1c de terminacã
experimentai das carncteristicas
de uma instala ão de alta
tensão base ado na a pi icacão de urna tensão rampa
li
t) -
r t
1
-
4
R,
T
R,
5
2
6
a)
b)
Fig. 6 -
Método da determinação
oscrloscópro
fi)
o
c)
T
E...querna
6-
pelo
3 - Cabo de
Cabo coaxial
Osciloscópio)
h)
equivalente
osciloscônio
adaptado
()
Resposta
rampa
normada
com comportamento
R C
urn(t)
de um sistema
cI)
Resposta
rampa
normada
urn(t)
com comportamento
R L C
de um sistema
r1
t
de resposta
Instalução
(l - Fonte; 2 - Provete
ligação; 4 - Divisor de tensão: 5 -
de interligação;
o T
do tempo
de um divisor
resi ..tivo com
t
d)
crescente linearmente no tempo com a inclinação r,
e que se realiza com suficiente aproximação num gerador
de tensões choque cortadas
na fronte. Aplicando
uma ten ão rampa a um div isor de tensão resistivo
(fig. 6b) a resposta rampa é
IIr
(t) =
R2-- ,. { r R1
R2
+
T [ I- exp (-I/T)
J}
despresando o efeito da auto-indução (fig. 6c); se se
atender à auto-indução L a subida da resposta do
sistema aparece com uma oscilação sobreposta (fig. 6d).
Considerando
a resposta normada
u,
n
(t) =
u ( co )
u, ( co )
Um (t) = r {t -
lante ainda se aplica desde que o tempo de corte exceda
o tempo de repouso do sistema; como o início da onda
cortada na fronte tem inclinação nula a subida não é
rigorosamente lrnear e por ISSO a formula também
se estende ao caso em que T; é inferior ou pelo menos
Igual ao tempo de repouso.
u, (t)
T[ l-exp (-1/T)]}
obtém-se o erro de tensão rT na diferença entre os picos
da tensão rampa e da sua resposta. Uma vez que a inclinação r é conhecida determina-se a constante do tempo T
relativa ao tempo de resposta do sistema. Na prática
fazem-se várias medições com diversos valores de r.
Observa-se ainda que neste método o erro relativo
•
se expnme por
T
e o qual permite calcular T a partir do tempo de corte Ts .
mas esta fórmula só é válida se a subida da tensão
for linear e num sistema em que a resposta transiente
seja aproximadamente
exponencial; se esta for osci-
5.
CONCLUSÕES
A medição de aItas tensões choq ue constitui um problema experimental delicado devido à existência de
altas frequências no espectro dos impulsos a medir.
Os métodos de medição, quer directamente pelo disruptor de esferas, quer indirectamente através de um divisor de tensão e voltímetro de pICO ou osciloscópio,
preocupam-se essencialmente em eliminar condições
de erro consequentes das elevadas frequências transmitidas no circuito de medição. Deste ponto de vista
se pressente a enorme importância dos divisores de
tensão na medição de tensões choque, podendo aliás
dizer-se que qualquer melhoria do processo, no sentido de uma maior precisão, reside boje no desenvolvimento dos divisores de tensão. De facto o disruptor
de esferas como aparelho de medição está largamente
excedido pelo osciloscópio, tendo este método atingido já um grau de precisão superior. Mas o experimentador tem de dispensar cuidado atento na configuração do circuito de medição: disposição dos eq uipamentos (sem influência entre si). curtos percursos
dos condutores de Interligação. blindagens contra perturbações externas. eliminação de anéis fechados no
circuito de terra. filtragens adequadas - entre outras
recomendações indispensáveis, como o bom dimensionamento das adaptações dos diversos elementos do
circuito de medição e aferições parciais e globais pelo
método da função impulsiva
ELECT R/C! DA DE J 27
263
R 1 I I{ . N"'1
vs
131HL
roo Rr\ FI
A
{4 J A. ASNI R: I..r atzschcma der Zuleltung in der Hochspannungs-messtcchnik lnsbesondcre bel der Messung rasch veruenderllclier ~/O\ punnungen:
BulI. SI V 52 (1961) pp. 192-193.
[I]
H: 011 Potential 1);I'jd"I' fOI Cotllt)(/(,
O cillagraphs; Phil. Mag. \ 11-1 (19 2) pp, 7(,,0
[2]
\\.
f.
B. BUR
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pannung
(3)
S:
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J. R. P R K :
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IIARADA,
1. KAWAMURA,
Y. AKATSU.
K. KJ1UR \, r. A rZA WA: Development o[ o High Quallly
Resistance Dlvlder fOI Impul, e Voltoge Mea urement , I E E ..
l'rans.
PAS-90 (197)
pp. 2247-2250.
Uebet spannungen 111/1
10 \/I Oe/II ak IIWIH C,,! ii und elek I ros tm ischen
r r
1011
Z-A
75
(I
5 )
pp,
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mm.
I lccironic
37 (1958) pp. 343
A medição
264
[51 1.
Rol'
do
/27
-R A MOS: J\1edlção de alta
dadc 123, (1976) pp. J 1-17
[7]
DU R ·-RAM JS: tedlção de alta tensão conunua;
.Ic tricidadc 124 (1976, pp. 76-85
li. I HJI'\ R
tensões; f Iectrici-
}I
tremores
Há duas escalas para medi ão da for a dum tremor de terra, uma subjectiv a, deduzida da con cquências para o homem dum abalo í mico, a outra objectiva deduzida da energia po ta em jogo. tal como
se pode calcular a partir do registo do
i rnógrafo .
A primeira
escala é u ma escala de inten idade:
digamos sumanarnente
que o grau V corre ponde a
uma agitação geral da con truçõe ; o grau \ I a
um movimento
\ iolento podendo a rr la r
pâni o;
o grau
I I a queda de calí a e ligeiro
e trago ;
o grau VIU a queda de chaminé
c a de tro o já
notáveis; os graus 1 e
corre pendem à de truição parcial ou total dos edi fício ,o '( e o X II a cal ástrofes importante
e a notávei modiíicaçõe
da pai agem. A escala
1KS ( 1edvedc\, Karnik e ponheur)
utilizada na Europa roma em con idera ão ao mesmo
tempo os tipos de construção, as percentagens de cdifícíos avariados e a natureza dos e trago.
A e cala objectiva é a da magnitudes. O abalo
mais fracos podendo
er sentidos por alguma pe soas
têm uma magnitude
3; o que causam c tragos às
ELHCTR1CIDADE
r
le)
de terra
e trutura
pouco re 1 tente têm em geral uma rnagnil ude pelo
men
igual a ..; o
i mo de truidores
têm qu e empre ums magnitude superior ou igual
a 5gadir I 960 e kOPJc. 196 - 1
6). O mai
forte trem re de terra registad
em toda a e taçõc do Glob
têm uma inten idade
empreendida
entre 7 e ,5 ( hile, 1960 1
,7."
tirna- e que
um do
i mo de mai f rte magnitude.
\ izinho de
9 - foi o de Li boa em 17-5.
A magnitude
1 e t ligada a ene rgra E libertada
no epi entro d
t J)lO, P r urna rele ção do tip
log E
(joule)
4,
1.5 \1.
III tremor de terra
lc magnitude
, e pois cin o
mi I \ ezes ma i fc rte que um t mo de rnaanitude 6.
urnero a re I çõe
têm
ido atribuídas
entre
intensidade I e a magnit ude \1: elas fazem interv ir
( profundidade
h. em quilómetros,
do epicentro.
V. Karnik
tem utilizado para a
uropa a eguinte
fórmula empírica:
log"
0,35