Transitórios de chaveamento e manobra

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CENTRO UNIVERSITÁRIO NEWTON 
INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS - ICE 
CURSO ENGENHARIA ELÉTRICA 
ARTHUR LINHARES TOMAZ 
ISABELLA BORGES SANTOS 
RÔMULO CYRNE DINIZ JUNIOR 
TAIS PRISCILA 
WILLIAN GREGORY FERREIRA 
 
 
 
 
TRANSITÓRIO DE CHAVEAMENTO E MANOBRA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
BELO HORIZONTE 
2019 
Arthur Linhares Tomaz 
Isabella Borges Santos 
Rômulo Cyrne Diniz Junior 
Tais Priscila 
Willian Gregory Ferreira 
 
 
 
 
TRANSITÓRIO DE CHAVEAMENTO E MANOBRA 
 
 
 
 
 
 
 
 
Trabalho apresentado ao Curso de Engenharia 
Elétrica, do Instituto de Ciências Exatas - ICE, do 
Centro Universitário Newton, 9º período, como 
requisito parcial ao desenvolvimento e aprovação 
na disciplina de Qualidade de Energia Elétrica. 
 
Professor: Eduardo Henrique Gonçalves 
 
 
 
 
 
 
 
BELO HORIZONTE 
2019 
LISTA DE ILUSTRAÇÕES 
 
 
FIGURA 1 - Corrente transitória impulsiva oriunda de uma descarga atmosférica....06 
FIGURA 2 - Transitório proveniente do chaveamento de um banco de capacitores..08 
FIGURA 3 - Temporização do chaveamento controlado...........................................11 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SUMÁRIO 
 
 
1 INTRODUÇÃO........................................................................................................05 
2 DESENVOLVIMENTO.............................................................................................05 
2.1 Fenômenos elétricos transitórios relacionados com a qualidade de energia 
elétrica.....................................................................................................................05 
 2.1.1 Transitórios impulsivos....................................................................................05 
 2.1.2 Transitórios oscilatórios...................................................................................07 
 2.2 Chaveamento controlado de Linhas de Transmissão....................................09 
 2.2.1 Princípios do chaveamento controlado............................................................09 
 2.2.2 Estratégias para o chaveamento controlado....................................................10 
 2.3 Transitórios de manobra..................................................................................11 
 2.3.1 Tipos de transitórios.........................................................................................11 
 2.3.2 Métodos de controle de sobretensões..............................................................13 
3 CONCLUSÃO..........................................................................................................13 
4 REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS.......................................................................14 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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1. INTRODUÇÃO 
Os fenômenos elétricos podem ser divididos em categorias conforme o seu tempo de 
duração, seu conteúdo espectral, bem como sua amplitude típica no sistema. Desta 
forma, os diferentes distúrbios são subdivididos em transitórios, variações de tensão 
de curta duração, variações de tensão de longa duração, desequilíbrio de tensão, 
distorções na forma de onda, flutuação de tensão e variações da frequência do 
sistema 
2. DESENVOLVIMENTO 
2.1 Fenômenos elétricos transitórios relacionados com a qualidade de energia 
elétrica 
Transitórios eletromagnéticos pode ser caracterizado como sendo as manifestações 
ou respostas elétricas locais ou nas adjacências, proveniente de alterações súbitas 
nas condições operacionais de um sistema de energia elétrica. Normalmente, a 
duração de um transitório é muito pequena, porém de grande importância, visto que 
os equipamentos presentes nos sistemas elétricos estarão submetidos a grandes 
solicitações de tensão e/ou corrente [1]. 
Os fenômenos transitórios podem ser classificados em dois grupos: os chamados 
transitórios impulsivos, causados por descargas atmosféricas e os transitórios 
oscilatórios, causados por chaveamentos [1]. 
2.1.1 Transitórios impulsivos 
Pode ser definido como uma alteração repentina nas condições de regime 
permanente da tensão, corrente ou ambas, caracterizando-se por apresentar impulsos 
unidirecionais em polaridade (positivo ou negativo) e nível de frequência bastante 
diferenciado com relação à frequência da rede elétrica. Geralmente causado por 
descargas atmosféricas [1]. 
Os transitórios impulsivos geralmente são definidos por um tempo de subida e outro 
de descida do impulso, os quais, também podem ser expressos pelo seu conteúdo 
espectral. Por exemplo, um impulso transitório tendo como parâmetros 1,2 x 50 µs e 
2000V, o que significa que o mesmo atinge seu valor máximo de 2000 V em um tempo 
6 
 
de 1,2 µs e, posteriormente, decai ate a metade de seu valor máximo no tempo de 50 
µs [1]. 
A figura abaixo, ilustra uma corrente típica de um transitório impulsivo, oriundo de uma 
descarga atmosférica. 
FIGURA 1 – Corrente transitória impulsiva oriunda de uma descarga atmosférica 
 
Fonte: ARRUDA, Elcio [1]. 
Por se tratarem de transitórios causados por descargas atmosféricas, é importante 
observar qual o nível da tensão no ponto de ocorrência da descarga. Em sistemas de 
distribuição o caminho mais provável para as descargas atmosféricas é através de um 
condutor fase, no primário ou no secundário, causando altas sobretensões no sistema. 
Uma descarga diretamente na fase geralmente causa alta sobretensão na linha 
próxima ao ponto de incidência e pode gerar não somente um transitório impulsivo, 
mas também uma falta acompanhada de afundamentos de tensão de curta duração e 
interrupções. Altas sobretensões transitórias podem também ser geradas por 
descargas que fluem ao longo do condutor terra. Existem numerosos caminhos 
através dos quais as correntes de descarga podem penetrar no sistema de 
aterramento, tais como o terra do primário ou do secundário de um transformador e 
as estruturas do sistema de distribuição. Os principais problemas relacionados com a 
qualidade de energia causados por estas correntes no sistema de aterramento são os 
seguintes [1]: 
• Considerável elevação do potencial da terra local em relação a outros 
terras. Equipamento eletrônicos sensíveis que são conectados entre duas 
7 
 
referencias de terra, tal como um computador conectado ao telefone através 
de um modem, podem falhar quando submetidos a altos níveis de tensão. 
• Indução de altas tensões nos condutores fase, quando as correntes passam 
pelos cabos a caminho do terra. 
Em se tratando de descargas em pontos de extra alta tensão, o surto se propaga ao 
longo da linha em direção aos seus terminais podendo atingir os equipamentos 
instalados em subestações de manobra ou estações abaixadoras. Entretanto, a onda 
de tensão ao percorrer a linha, desde o ponto de incidência até as subestações 
abaixadoras para a tensão de distribuição, tem a sua crista atenuada 
consideravelmente, o que tende a eliminar os efeitos advindos de descargas 
atmosféricas ocorridas em nível de transmissão, em consumidores ligados em nível 
de baixa tensão. Contudo, os consumidores atendidos em tensão de transmissão, e 
supostamente localizados nas proximidades do ponto de descarga, estarão sujeitos a 
tais efeitos, podendo danificar alguns equipamentos de suas respectivas instalações 
[1]. 
2.1.2 Transitórios oscilatórios 
Um transitório oscilatório é caracterizado por uma alteração repentina nas condições 
de regime permanente da tensão e/ou corrente possuindo valores de polaridade 
positiva e negativa. Os tipos de transitórios oscilatórios podem ser definidos em função 
do conteúdo espectral, duração e magnitude da tensão. Estes transitórios são 
decorrentes da energização de linhas, corte de corrente indutiva, eliminação de faltas, 
chaveamento de bancos de capacitores e transformadores, etc [1]. 
Os transitórios oscilatórios de baixa frequência são frequentementeencontrados em 
sistemas de subtransmissão e distribuição e são causados por vários tipos de eventos. 
O mais frequente é a energização de bancos de capacitores, o qual geralmente resulta 
em oscilações de tensão com frequência entre 300 e 900Hz, com uma duração entre 
0,5 e 3 ciclos dependendo das características de amortecimento do sistema [1]. 
Considerando o crescente emprego de capacitores pelas concessionarias para a 
manutenção dos níveis de tensão, e pelas industrias com vistas à correção do fator 
de potência, tem-se tido uma preocupação especial no que se refere à possibilidade 
de se estabelecer uma condição de ressonância. Tal condição pode ser satisfeita 
8 
 
devido às oscilações de altas frequências, entre o sistema da concessionaria e a 
indústria, e assim ocorrer uma amplificação das tensões transitórias, bem superiores 
às citadas anteriormente, podendo, tais tensões atingir níveis de 3 a 4 pu [1]. 
Transitórios oscilatórios com frequências menores do que 300 Hz podem também ser 
encontrados nos sistemas de distribuição. Estes estão geralmente, associados aos 
fenômenos de ferroressonância e energização de transformadores [1]. 
Os transitórios oscilatórios de alta frequência são geralmente o resultado de uma 
resposta do sistema a um transitório impulsivo, isto é, podem ser causados por 
descargas atmosféricas ou por chaveamento de circuitos indutivos [1]. 
A desenergização de cargas indutivas pode gerar impulsos de alta frequência. Apesar 
de serem de curta duração, estes transitórios podem interferir na operação de cargas 
eletrônicas. Filtros de alta-frequência e transformadores isoladores podem ser usados 
para proteger as cargas contras este tipo de transitório [1]. 
FIGURA 2 – Transitório proveniente do chaveamento de um banco de capacitores (600Kvar 13,8kV) 
 
Fonte: Dantas e et al. [2]. 
Conforme apresentado, existem diferentes meios causadores de oscilações 
transitórias e algumas técnicas podem ser utilizadas na tentativa de se reduzir os 
níveis dos transitórios causados, seja por chaveamentos ou por descargas 
atmosféricas. Como por exemplo os transitórios oriundos de surtos de chaveamento 
em redes de distribuição, podem ter seu grau de incidência e magnitude reduzidas 
através de uma reavaliação das filosofias de proteção e investimentos para melhorias 
9 
 
nas redes. Esta medida visa o aumento da capacidade da rede evitando que bancos 
de capacitores venham a ser exigidos [1]. 
2.2 Chaveamento controlado de Linhas de Transmissão 
Sobretensões de manobra influenciam diretamente a coordenação de isolamento de 
sistema elétricos caracterizados por longas linhas de transmissão em extra-alta 
tensão (EAT), a exemplo do Sistema Interligado Nacional (SIN). Desta forma, estudos 
relacionados aos meios para reduzir estas sobretensões são de extrema importância 
para o setor elétrico. Tradicionalmente, disjuntores com resistores de pré-inserção têm 
sido utilizados para a redução de sobretensões de manobra em linhas de transmissão 
(LTs). No entanto, a aceitação desta tecnologia pelas concessionárias vem diminuindo 
com as experiências de campo, indicando baixa confiabilidade, além do custo 
agregado na manutenção dos disjuntores. A busca por alternativas para redução de 
sobretensões de manobra objetivando eliminar os resistores de pré-inserção é alvo 
de pesquisas e discussões na comunidade científica internacional do setor elétrico. 
Dentre estas alternativas destacam-se as técnicas de chaveamento controlado [2]. 
Chaveamento controlado é o termo utilizado para descrever o uso de equipamentos 
eletrônicos para controlar o fechamento e abertura mecânica dos contatos dos 
disjuntores em instantes ótimos [2]. 
2.2.1 Princípios do chaveamento controlado 
O fenômeno físico responsável pelas sobretensões de manobra em LTs é a 
propagação das ondas eletromagnéticas ao longo das linhas. A propagação da onda 
é iniciada no instante em que começa a circular corrente pelo disjuntor e a amplitude 
inicial da onda de tensão é a tensão de pré-arco. Consequentemente, a amplitude das 
sobretensões devido a manobras estão diretamente relacionadas com a amplitude da 
tensão de pré-arco, o que torna o chaveamento controlado um método eficiente para 
o controle de sobretensões [2]. 
Os efeitos negativos causados por estas sobretensões podem ser reduzidos 
controlando-se a abertura ou o fechamento dos contatos dos disjuntores de forma que 
a manobra seja realizada em um instante ótimo pré-determinado, tomando-se como 
referência sinais elétricos de tensão ou corrente. Como consequência das ondas 
10 
 
viajantes, para o chaveamento de LTs, este instante ótimo ocorre idealmente quando 
a tensão entre os contatos do disjuntor for zero [2]. 
2.2.2 Estratégias para o chaveamento controlado 
Normalmente, o comando para energização ou religamento de linhas de transmissão 
é realizado em um instante aleatório (tcomando) em relação à forma de onda da tensão 
entre os contatos do disjuntor. Além disto, a manobra somente é efetivada após um 
certo período, comumente denominado tempo de operação do disjuntor (Toperacao). No 
entanto, quando um disjuntor é solicitado a realizar uma manobra deste tipo, antes 
que os seus contatos se acoplem fisicamente, pode ser iniciada uma corrente por meio 
do chamado pré-arco. O intervalo de tempo entre o instante em que o pré-arco é 
estabelecido e o instante em que ocorre o acoplamento físico dos contatos do disjuntor 
é denominado de tempo de pré-arco (Tpre−arco) [2]. 
Na Figura 3 é ilustrado de forma simplificada a estratégia para controle de manobras 
de fechamento dos contatos de disjuntores, onde o efeito do pré-arco é desprezado e 
o instante ótimo (totimo) para o acoplamento físico dos contatos do disjuntor é no pico 
do sinal de referência. O procedimento consiste em controlar o instante tcomando 
atrasando-o por um intervalo de tempo Tatraso de forma que totimo, já previamente 
determinado, ocorra em um instante Tatraso+Toperacao depois de tcomando [2]. 
Toperacao é determinado pelo intervalo de tempo entre a energização do circuito de 
fechamento do disjuntor e o acoplamento físico entre os seus contatos. Um valor típico 
para este intervalo é 50 ms. Já o intervalo Tatraso adicionado ao instante tcomando pode 
ser determinado por três subintervalos [2]: 
• Tcalculo: intervalo de processamento interno do sistema de controle do 
chaveamento para determinação do instante ótimo; 
• Tpre−arco: nos casos em que o tempo de pré-arco é considerado; 
• Tsincronizacao: intervalo para sincronização com o instante ótimo pré-determinado, 
considerando o Toperacao. 
 
 
 
 
11 
 
FIGURA 3 – Temporização do chaveamento controlado 
 
Fonte: NUNES, Rafael [3]. 
2.3 Transitórios de manobra 
2.3.1 Tipos de transitórios 
As sobretensões de manobra são originadas de mudanças bruscas na configuração 
do sistema, causadas por chaveamento de equipamentos ou pela ocorrência de 
curtos-circuitos. Elas possuem uma parcela transitória de frequências de até poucas 
dezenas de quilohertz sobreposta à parcela de regime permanente, e têm duração 
típica de poucos ciclos [3]. 
De forma aproximada, os fatores de sobretensão dependem linearmente do 
crescimento da tensão em regime permanente. Assim, o comprimento da linha e a 
compensação reativa influenciam a magnitude das sobretensões. Outros parâmetros 
importantes são a configuração e potência de curto-circuito da fonte supridora, o grau 
de aterramento do sistema, as características de equipamentos protetores. Nas 
manobras de disjuntores, há uma dispersão mecânica entre seus pólos, que faz com 
que os contatos das 3 fases não se fechem no mesmo instante. Essa dispersão entre 
pólos e o instante de fechamento no ciclo de 50/60 Hz são fatores decisivos na 
amplitude das sobretensões, e sua aleatoriedade por outro lado torna necessário o 
tratamento estatístico do problema [3]. 
Os principais tipos de transitóriode manobra associados a linhas de transmissão são 
energização, religamento, ocorrência de curto-circuito, eliminação de curto-circuito e 
rejeição de carga. 
A energização de linha de transmissão consiste no fechamento dos contatos do 
disjuntor que liga a linha ao sistema supridor de potência. Com a manobra, aparecem 
12 
 
ondas viajantes, alterando os valores de tensão nos diversos pontos da linha de 
acordo com o tempo decorrido. Mesmo com a dispersão dos pólos do disjuntor, após 
o fechamento da primeira fase surgem ondas também nas demais fases, devido ao 
acoplamento entre elas [3]. 
A operação de religamento decorre de uma sequência de eventos: ocorrência de 
defeito, abertura da linha para a eliminação do curto-circuito e o religamento. Na 
abertura, a efetiva interrupção ocorre no instante em que a corrente capacitiva da linha 
passa pelo zero em cada fase, correspondendo a um máximo de tensão. Como o 
decaimento da carga de uma linha em vazio é muito lento, e o tempo morto usado nos 
esquemas de religamento é inferior a 1 segundo, quando ocorrer o religamento, 
haverá uma carga residual, diferente em cada fase, dependente da falta, sequência 
de abertura, do consequente deslocamento da tensão de neutro da linha e do 
acoplamento entre fases [3]. 
Na ocorrência de curto-circuito na linha, as sobretensões resultantes decorrem das 
ondas viajantes, do acoplamento entre fases e do deslocamento do neutro. A geração 
de ondas viajantes pode ser vista como o efeito da imposição de uma fonte de tensão, 
no local do curto, que anule a tensão a partir do momento da falta. As sobretensões 
podem provocar a degeneração do defeito monofásico para polifásico ou a ocorrência 
de curtos-circuitos em outros pontos do sistema de transmissão. A probabilidade das 
maiores sobretensões está associada não somente aos fatores estatísticos da própria 
ocorrência, mas também à probabilidade de acontecer o defeito específico. As 
sobretensões derivadas da eliminação de defeitos pela abertura da linha são 
influenciadas pela natureza da falta, e acarretam sobretensões severas em outros 
pontos do sistema de transmissão. A interrupção das correntes na abertura pode ser 
representada pela injeção de uma fonte de corrente de sentido contrário, que provoca 
a geração de ondas viajantes [3]. 
A operação de rejeição de carga também equivale à aplicação de uma fonte de 
corrente contrária à interrompida, e, quanto maior a potência da carga desconectada, 
maior a corrente, e maiores as sobretensões [3]. 
 
 
13 
 
2.3.2 Métodos de controle de sobretensões 
Embora as sobretensões de transitórios de manobra não possam ser eliminadas, com 
a aplicação de métodos de controle, valores mais adequados são obtidos, permitindo 
o projeto mais econômico das linhas de transmissão [3]. 
A aplicação de reatores de compensação, por diminuir a elevação de tensão em 
regime permanente causada pelo efeito Ferranti, minimiza as sobretensões dos 
transitórios de manobra. A redução proporcionada depende do grau de compensação 
reativa [3]. 
Os pára-raios de óxido metálico (com a preponderância do óxido de zinco em sua 
composição) são bastante eficazes na limitação de sobretensões de qualquer 
natureza pela sua característica altamente não-linear de tensão em função da 
corrente. No seu dimensionamento, devem ser levados em conta a máxima tensão 
operativa contínua do sistema, o nível de sobretensão temporária e a quantidade de 
energia absorvida por ele, além da sua característica de proteção [3]. 
O religamento monopolar, atuando exclusivamente sobre a fase com a falta, 
apresenta benefícios em questões de estabilidade do sistema e sobretensões de 
menores amplitudes [3]. 
O uso de disjuntores com resistores de pré-inserção é um método utilizado em 
manobras de fechamento de disjuntor. Num primeiro momento, a tensão é aplicada à 
linha através de um resistor em série, que funciona como um divisor de tensão, 
restringindo a tensão efetiva que chega à linha. Ele também atua reduzindo as 
reflexões de tensão no terminal emissor da linha. Num segundo estágio, o resistor é 
curto-circuitado, e aparece outro transitório, correspondente à queda de tensão 
instantânea do resistor que é repassada à linha. Quanto maior o valor do resistor, 
menor a sobretensão no primeiro estágio, mas maior a sobretensão provocada no 
segundo estágio [3]. 
3. CONCLUSÃO 
É possível concluir que para todas as configurações das linhas, a manobra de 
religamento produz sobretensões e valores de energia nos para-raios superiores 
àqueles produzidos pela manobra de energização. Isso acontece devido à presença 
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de uma carga residual na linha quando há religamento, carga esta que não está 
presente antes da linha ser energizada [4]. 
Para as manobras em ambas linhas, os resistores de pré-inserção diminuem 
sensivelmente as sobretensões nas linhas, especialmente a meio comprimento 
destas, assim como a energia absorvida pela coluna de para-raios. Isto ocorre pois o 
resistor de pré-inserção é responsável por uma queda de tensão durante as 
manobras, fazendo com que esta diminua nos outros pontos da linha. Diminuindo as 
sobretensões nos terminais, diminui-se a corrente que fui pelo para-raios nos instantes 
após a manobra, fazendo com que este absorva menos energia [4]. 
Ao aumentar o comprimento das linhas de transmissão, as sobretensões nesta 
também aumentarão, especialmente no meio destas, assim como a energia absorvida 
nos para-raios [4]. 
Observa-se ainda que para os casos de religamento, as sobretensões a meio 
comprimento das linhas serão mais elevadas que nos seus terminais. Apesar disto, 
os resistores de pré-inserção serão bastante efetivos para fins de redução destas 
sobretensões. Nos casos de energização, as sobretensões nos terminais e no meio 
das linhas serão semelhantes [4]. 
4. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
[1] ARRUDA, Elcio Franklin. ANÁLISE DE DISTÚRBIOS RELACIONADOS COM A 
QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA UTILIZANDO A TRANSFORMADA 
WAVELET. São Carlos, 2003. 
[2] DANTAS, Karcius; NEVES, Washington; FERNANDES, Damásio; SOUZA, 
Benemar; FONSECA, Luiz. CHAVEAMENTO CONTROLADO DE LINHAS DE 
TRANSMISSÃO. 
[3] NUNES, Rafael. COORDENAÇÃO DE ISOLAMENTO PARA TRANSITÓRIOS DE 
MANOBRA CONSIDERANDO A FORMA DE ONDA DAS SOBRETENSÕES. Belo 
Horizonte, 2006. 
[4] CARVALHO, Paulo Fernando. ANÁLISE DE TRANSITÓRIOS 
ELETROMAGNÉTICOS DE MANOBRA EM LINHAS DE TRANSMISSÃO.