Coordenação de isolamento

Prévia do material em texto

COORDENAÇÃO DE ISOLAMENTO
AULA 1: Introdução – Questões Básicas em Coordenação de Isolamento 
1
Requisitos para desempenho dos isolamentos
O sistema elétrico é sujeito a vários tipos de transitórios, que acarretam solicitações dielétricas no isolamento dos equipamentos e instalações. Assim, para um desempenho adequado dos equipamentos, o isolamento deve ser capaz de resistir aos seguintes tipos de sobretensões:
Sobretensões impulsivas resultantes de surtos atmosféricos.
Sobretensões de manobra resultantes da operação de disjuntores e chaves secionadoras
Sobretensões temporárias e em condições anormais de operação.
2
Conceitos Básicos
O conceito de Coordenação de isolamento tem como fundamento principal definir uma adequação entre a suportabilidade (insulation strength) do isolamento de equipamentos e instalações e as solicitações dielétricas provocadas pelos vários tipos de sobretensões às quais as redes elétricas estão sujeitas.
3
Restrições econômicas
Uma solução inicial seria construir equipamentos e instalações com isolamento capaz de resistir a todas as sobretensões às quais estivessem expostos. 
Entretanto quanto mais alto o isolamento mais caros se tornam os equipamentos e instalações. 
Outra solução seria a inserção de dispositivos de proteção contra sobretensões (pára-raios, centelhadores) que apresentam isolamento menor que o dos equipamentos que protegem.
Esse procedimento tem como contrapartida o risco de aumentar a frequência de rupturas do isolamento do sistema, o que elevaria o número de faltas e poderia comprometer a continuidade do serviço. 
4
Conceito de Coordenação de Isolamento
O Conceito de Coordenação de Isolamento estabelece um compromisso entre os níveis de isolamento da rede e das instalações, por um lado, e os níveis esperados de sobretensões aos quais o sistema está sujeito, do outro.
5
Isolamento auto-restaurativo
Em alguns componentes do sistema elétrico, após a ruptura do isolamento devido a um surto de tensão , os equipamentos recuperam as características anteriores (self – restoring).
Isso normalmente acontece quando a ruptura se dá nos componentes externos do isolamento, como os isoladores das linhas de transmissão ou buchas externas de transformadores, ou nos isolamentos a ar.
Nesses casos, a coordenação de isolamento é tratada com um enfoque probabilístico. Tanto a suportabilidade quanto os surtos são considerados grandezas probabilísticas.
6
Isolamento Não Auto-restaurativo
Em outros casos, após a ruptura do isolamento os equipamentos não recuperam suas características .
É o que ocorre nas faltas internas em transformadores, reatores isolados a óleo ou em máquinas elétricas.
Nesses casos, a ruptura é acompanhada de perda das características anteriores do isolamento, ou sua deterioração.
Nesses equipamentos não se pode levantar curvas probabilísticas por meio de testes. 
Os níveis de suportabilidade são determinísticos. Apenas um ensaio de suportabilidade pode ser feito. 
Para se limitar o nível de sobretensões aos quais tais equipamentos estão sujeitos, podem ser utilizados dispositivos tais como pára-raios.
7
Definições de Coordenação de isolamento
Hileman fornece uma definição bastante sintética de Coordenação de Isolamento: “Seleção da mínima suportabilidade aos níveis esperados de sobretensão”.
Embora correta, essa definição não ressalta a complexidade da questões envolvidas. Uma definição mais completa seria: seleção da mínima suportabilidade dos equipamentos e instalações, considerando as solicitações dielétricas às quais poderão ser submetidos, bem como os dispositivos de proteção, de forma a manter os níveis de confiabilidade requeridos, em níveis operacionais economicamente viáveis.
8
Perspectivas históricas
Durante as primeiras décadas do século XX, ocorreu uma elevação dos níveis de tensão e potência nos sistemas elétricos, acompanhada da elevação dos níveis de sobretensões.
A questão do isolamento era tratada de forma isolada pelas empresas e fabricantes, o que contribuía para elevar os custos de escala de produção dos equipamentos e também dificultava a interligação dos sistemas elétricos.
Em 1941 foi apresentado por um grupo de trabalho da AIEE (depois IEEE) um relatório técnico sobre Coordenação de Isolamento, que lançou as bases para o desenvolvimento desse campo da engenharia elétrica.
9
Perspectivas históricas (cont.)
A partir de 1950 surgiram preocupações maiores com os surtos de chaveamento e manobra em sistemas de 500 kV, mais relevantes que as descargas atmosférica.
A abordagem probabilística só foi aceita a partir da década de 80. 
Por volta da década de 90 passou-se a abordar as instalações blindadas a SF6 (tecnologia GIS), com surtos extra-rápidos de chaveamento.
10
Isolamento e projeto de instalações
Com foco no isolamento desejado, o projetista deve levar em consideração várias características físicas tanto das linhas de transmissão, o que envolve não só o comprimento de isoladores como também os espaçamentos entre as partes condutoras e partes aterradas .
Da mesma forma, em instalações como subestações, são várias as adequações físicas no projeto, necessárias para viabilizar os níveis desejados de isolamento.
11
Torres de Transmissão
12
Torre Auto-portante de 500 kV
Torres de Transmissão
13
Estrutura estaiada de 500 kV
Estrutura compacta estaiada de 500 kV
Adequações em linhas de transmissão
Do ponto de vista do isolamento das linhas de transmissão, a tarefa é dimensionar as características das torres de transmissão ou distribuição que possam afetar a confiabilidade da linha, levando em conta os seguintes aspectos:
O distanciamento entre cada fase condutora e as partes aterradas da torre (tanto os lados quanto os suportes superiores)
O comprimento da cadeia de isoladores
O número e o tipo de isoladores
O atendimento aos requisitos de aterramento de pé de torre.
A localização e o número de cabos pára-raios.
Distância condutor – terra
Distância entre fases.
Necessidade de alocação de pára-raios de linha
14
Subestações
15
Detalhe de Subestação de 500 kV
Subestações
16
Detalhe de Subestação de 500 kV
Subestações
17
Detalhe de Subestação de Alta Tensão
Adequações em Subestações
A tarefa no caso das subestações é semelhante, e consiste em especificar:
A suportabilidade dos equipamentos (insulation strength): o BIL (Basic Insulation Level for atmosferic impulses) e o BSL (Basic Switching Impulse Insulation Level)
Distâncias de descarga (strike distances) entre fases e entre a fase e a terra.
Necessidade, número e localização de pára-raios.
Necessidade e dimensionamento dos distanciamentos (gaps) protetivos
Necessidade, tipo (haste ou cabos de blindagem) e localização da blindagem na SE.
A necessidade e método de se obter uma melhora da performance da linha face a impulsos atmosféricos próximos à SE.
18
Considerações
O engenheiro de projetos deve considerar as fontes de stress que podem afetar os equipamentos ou a torre. Assim, deve considerar:
Sobretensões causadas por descargas atmosféricas .
Sobretensões causadas por chaveamentos, produzidas por disjuntores e chaves secionadoras.
Sobretensões temporárias causadas por faltas, sobrevelocidade, ferro-ressonância, etc.
Contaminação das cadeias de isoladores ou dos meios isolantes.
19
Considerações (cont.)
Para cada tipo de componente do sistema elétrico, deve ser considerada a importância relativa dos vários tipos de sobretensão. Por exemplo, em uma linha de transmissão as descargas atmosféricas é que vão determinar o número e a localização dos cabos pára-raios, bem como a necessidade de aterramento das torres.
No caso das subestações, são os surtos atmosféricos que irão determinar a localização dos cabos de blindagem. O dimensionamento dos pára-raios será efetuado pelas sobretensões temporárias.
A contaminação pode, em certos casos, tornar-se o fator determinante para a escolha do número e tipo de pára-raios.
20
Impulsos atmosféricos e surtos de manobra
Os impulsos de manobra são mais importantes para instalações com tensõesnominais a partir de 345 kV, ou seja, para tensões a partir de 345 kV, e sobretudo de 500 kV, as maiores distâncias de isolamento serão determinadas por impulsos de manobra.
Para tensões menores que 345 kV, as distâncias de isolamento determinadas pelas descargas atmosféricas serão maiores que as determinadas por surtos de manobra.
Quando um tipo de sobretensão se mostrar muito preponderante em relação aos demais, devem ser adotadas soluções para reduzir esse predomínio. 
21
Modificação do stress imposto aos equipamentos
Quando forem impostos espaçamentos muito grandes entre equipamentos, deve-se buscar formas de atenuação das sobretensões de manobra e de descargas atmosféricas.
Isso pode ser obtido por meio de pára-raios de surto, melhorias no aterramento, blindagem das subestações e pela utilização de resistores de pré-inserção nos disjuntores. 
Os pára-raios vão reduzir os níveis de sobretensão impostos aos equipamentos da subestação, pois seus níveis de disrupção são sempre inferiores aos dos equipamentos protegidos.
A melhoria do aterramento reduz as sobretensões devidas às descargas atmosféricas e a solicitação imposta ao isolamento.
Resistores de pré-inserção reduzem a amplitude dos transitórios de manobra. 
22
Principais métodos de coordenação de isolamento.
Na execução da coordenação do isolamento são utilizados os métodos convencional (determinístico) e probabilístico.
O método convencional consiste na especificação do valor mínimo da suportabilidade do isolamento face ao valor máximo de sobretensão imposta aos equipamentos ou instalações. 
O método probabilístico consiste em selecionar a suportabilidade (insulation strength) ou a distância de isolamento em função de critérios de confiabilidade (reliability). 
No método probabilístico o engenheiro pode selecionar a suportabilidade do isolamento de forma a esperar uma taxa média de ocorrência de flashover por ano e por 100 km. 
23
Escolha do método de coordenação de isolamento.
A escolha do método de execução da coordenação não se baseia no desejo dos engenheiros, mas leva em conta as especificidades do isolamento.
Isolamentos por meio do ar tem comportamento descrito por funções de probabilidade gaussianas, que é cumulativa e são regenerativos.
Como a função de distribuição da probabilidade das sobretensões pode ser representada por uma função gaussiana (normal) simétrica, a função distribuição de probabilidade dos eventos nos quais a suportabilidade supera os níveis de sobretensão pode ser obtida por uma operação de convolução entre as duas funções probabilísticas.
24
Escolha do método de coordenação de isolamento (cont.)
No caso de isolamento interno, a suportabilidade é especificada para valores determinísticos de BIL e BSL. Os equipamentos são testados apenas uma vez.
Mesmo quando se utiliza o método convencional, a sobretensão continua a ser uma grandeza aleatória. Assim, a ocorrência de flashover continua a ser uma grandeza probabilística, mesmo que não sejam conhecidas suas funções probabilísticas.
Portanto, o principal critério para a escolha do método de execução da coordenação do isolamento é baseado nas consequências da ocorrência de flashover para o equipamento.
25
Método Convencional
Os métodos de coordenação de isolamento serão tema de uma UA especial. Nesse momento serão apresentados apenas seus fundamentos.
Como se mostrou, o método convencional consiste em se determinar a máxima sobretensão imposta ao isolamento e uma mínima suportabilidade da isolação para resistir às solicitações dielétricas.
O nível de isolamento é determinado garantindo-se uma certa margem de segurança entre a máxima sobretensão esperada e a mínima suportabilidade.
Como exemplo, consideremos uma instalação com isolamento auto-recuperante. 
26
Cálculo da sobretensão máxima devido a surtos de manobra
A sobretensão máxima Vmax pode ser obtida em simulações digitais ou per meio de equipamentos como os TNA (Transient Network Analyser), por meio de um grande número de ensaios que permitem a determinação de uma função de distribuição probabilística das sobretensões. 
Dessa forma determina-se, o valor médio da sobretensão V50 e seu desvio padrão s. Com esses dois parâmetros pode-se determinar o valor de Vmax, admitindo-se uma probabilidade de 2% de ultrapassagem. A função distribuição de probabilidade é considerada normal. 
27
Cálculo da suportabilidade
O valor da suportabilidade UMIN será obtido multiplicando-se VMAX por um fator de segurança FS de 1,15, utilizado para transitórios de manobra em linhas de transmissão. 
28
A partir de VMAX pode-se definir o valor médio da suportabilidade, U50 , considerando-se que a suportabilidade é na verdade uma variável probabilística, embora o método seja determinístico. Para isso pode ser considerado que a função de probabilidade seja uma normal, e que UMIN e U50 sejam relacionados pela seguinte expressão: 
Cálculo da suportabilidade
Assim, a suportabilidade poderá ser calculada da seguinte forma:
29
A partir da suportabilidade, podem ser calculadas as dimensões do isolamento da instalação, como se verá adiante. 
Método Convencional de Coordenação do isolamento
30
Método Probablístico
No método probabilístico, tanto a sobretensão VS quanto a suportabilidade US são variáveis probabilísticas. 
A sobretensão VS pode ser representada por uma função de distribuição normal ou de Weibul, da qual se conhece a média e o desvio padrão.
A suportabilidade é representada como uma função de probabilidade acumulada, que fornece a probabilidade da suportabilidade do isolamento ser menor que determinado valor. Assim, a probabilidade da suportabilidade ser menor que U50 é de 50%, enquanto a probabilidade da suportabilidade ser menor que UMIN é praticamente nula.
31
Método Probablístico (cont.)
O problema da coordenação , em termos matemáticos, passa a ser definir uma probabilidade da sobretensão aplicada superar o valor da suportabilidade. Em uma instalação ou equipamento do sistema elétrico, essa probabilidade não pode ultrapassar determinado valor.
32
Método Probablístico - Comentários
Na figura anterior, a área colorida de verde representa o conjunto dos valores de tensão nos quais a suportabilidade do isolamento é menor que a sobretensão aplicada.
A probabilidade total dessa curva pode ser obtida pela convolução entre as duas funções probabilísticas.
Para se obter uma coordenação entre os níveis de sobretensão aplicada e a suportabilidade do isolamento, basta determinar um valor suportável para essa probabilidade. Se ela for, por exemplo, 0,1 %, significa que em 99,9% dos casos a suportabilidade será maior ou igual ao nível de sobretensão aplicada.
Esse processo será abordado de forma mais detalhada em aulas posteriores.
33
Conteúdo da disciplina
Nos próximos encontros serão tratados os seguintes temas:
Descargas Atmosféricas
Surtos de Manobra
Métodos de coordenação de isolamento
Coordenação de isolamento em linhas de transmissão
Coordenação de Isolamento em linhas de distribuição de alta tensão
Coordenação de isolamento em subestações convencionais
Coordenação de isolamento em subestações isoladas (GIS)
Pára-raios, centelhadores e resistores de pré-inserção
Proteção contra descargas atmosféricas; sistemas de proteção contra descargas atmosféricas - SPDA 
34
Referências básicas – Aula 1
Hedman, D. E. . Coordenação de Isolamento. Curso de Engenharia em Sistemas Elétricos de Potência – Série PTI – Convênio Eletrobras/UFSM - Vol 8 – 2ª edição, 1983 – Rio de Janeiro.
D’Ajuz, Ari . Transitórios e Coordenação de Isolamento – Aplicação em Sistemas Elétricos de Potência. FURNAS – Centrais Elétricas S. A – Rio de janeiro, 1987, Cap. 9 e 10. 
Hileman, Andrew R. – Insulation Coordination for Power Systems – Taylor & Francis Group - North Carolina – U.S.A – 1999 – Cap. 1.
Zanetta Jr., Luiz Cera – Transitórios Eletromagnéticos em Sistemas de Potência – Ed. EdUSP – São Paulo – 2003. Cap. 15.
35
OBRIGADO
36