coodernacao de isolamento em subestacoes universidade do porto

FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO

Coordenao de isolamentos emsubestaes

Carlos Filipe Ribeiro Queirs

Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotcnica e de Computadores

Orientador: Prof. Dr. Antnio Carlos Seplveda Machado e Moura

Julho de 2013

c Carlos Queirs, 2013

Resumo

Com a presente dissertao pretende-se efetuar uma anlise sobre a coordenao de isola-mento em subestaes, com especial ateno para aquelas que se situam nos nveis de tenso detransporte, acima dos 60 kV.

Numa primeira etapa ser efetuada uma reviso bibliogrfica onde se descreve uma subestaoe se d a conhecer os seus principais componentes. Posteriormente, apresentar-se- uma visogeral sobre a coordenao de isolamento, onde se faz uma introduo ao tema e se expem osdiferentes equipamentos relacionados com a mesma. Sero ainda dadas a conhecer as diferentessolicitaes a que estes equipamentos podem ser sujeitos sobre condies de servio. Finalmentesero relatados procedimentos para a coordenao de isolamento.

Seguidamente expem-se uma sntese da norma internacional IEC (International Electrotech-nical Commission) para coordenao de isolamento, IEC 60071. Esta composta por duas partes,sendo que a primeira apresenta definies, princpios e regras e a segunda constitui um guia deaplicao.

Finalmente ser efectuada uma anlise comparativa entre a norma internacional e o Guia deCoordenao e Isolamento seguido pela empresa portuguesa responsvel pela concesso da redede transporte de eletricidade em Portugal. A partir desta anlise sero apresentadas sugestes dealterao ao guia em causa e ainda aplicao destas alteraes a um caso de estudo.

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Abstract

The aim of this dissertation is to perform an analysis about insulation coordination in substa-tions, with special emphasis to those situated in transport levels, above 60 kV.

First of all will be performed a literature review where, at first, a substation is described andits main components are presented. Later on, an overview of the insulation coordination will beshown, an introduction to the subject is made and the different equipment related to insulationcoordination are presented. The different dielectric stresses that those devices may be exposedunder service conditions will be exhibited. Finally, procedures for insulation coordination will bepresented.

Then a synthesis of the international standard IEC (International Electrotechnical Commis-sion) for Insulation Coordination, IEC 60071, will be exposed. It is composed by two parts, thefirst one provides definitions, principles and rules, and the second is an application guide.

Finally will be performed a comparative analysis between the international standard and theGuide for Insulation Coordination followed by the Portuguese company responsible for the elec-tricity transmission network in Portugal. Based on that analysis, suggestions for changes to theactual guide will be presented and its application to a case study.

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Agradecimentos

Em primeiro lugar quero agradecer ao meu orientador, Professor Antnio Machado e Moura,pelo acompanhamento e conselhos que permitiram que esta dissertao se tornasse uma realidade.

Ao Vitor Almeida pela ajuda e esclarecimentos prestados na elaborao da dissertao.A todos os meus amigos, em especial ao Jos Pedro Queirs, Ricardo Ferreira, Nuno Soares,

Lus Pereira e Ricardo Mouro Ferreira pelo apoio e companheirismo prestado que permitiramatenuar as dificuldades encontradas durante este trajecto.

Agradeo em especial aos meus pais pelo incentivo e por tudo o que fizeram por mim ao longodos anos, sem eles nada disto seria possvel.

A todos aqueles que, de uma maneira ou outra, me auxiliaram nesta caminhada.A todos vs, Muito Obrigado.

Carlos Queirs

v

Simplicity is the ultimate form of sophistication.

Leonardo da Vinci

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Contedo

1 Introduo 11.1 Motivao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3 Estrutura da Dissertao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2 Reviso Bibliogrfica 52.1 Subestaes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.1.1 Propsito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.1.2 Transformao do nvel de tenso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.1.3 Constituio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.1.4 Concluso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.2 Coordenao de isolamentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.2.1 Introduo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.2.2 Solicitaes dieltricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2.3 Isolamento e proteo contra sobretenses . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.2.4 Caractersticas de rigidez dieltrica do isolamento . . . . . . . . . . . . . 172.2.5 Critrio de desempenho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.2.6 Procedimento de coordenao de isolamento . . . . . . . . . . . . . . . 22

3 Documento normativo IEC 60071 233.1 IEC 60071-1: Coordenao de isolamento - Parte 1 . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.1.1 Termos e definies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.1.2 Procedimento para coordenao de isolamento . . . . . . . . . . . . . . 293.1.3 Distncias no ar para assegurar uma determinada tenso suportvel a im-

pulsos de uma instalao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.2 IEC 60071-2: Guia de aplicao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.2.1 Tenses de stress representativas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.2.2 Tenso suportvel de coordenao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483.2.3 Tenso suportvel requerida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543.2.4 Tenso suportvel normalizada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583.2.5 Consideraes especiais para subestaes . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

4 Guia de Coordenao de Isolamento aplicado s subestaes e anlise comparativacom IEC 60071 634.1 Princpios gerais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634.2 Distncias no ar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654.3 Colunas e cadeias de isoladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674.4 Aparelhagem de corte e manobra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

ix

x CONTEDO

4.5 Transformadores de medio e condensadores de acoplamento . . . . . . . . . . 704.6 Transformadores de potncia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 704.7 Baterias de condensadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 724.8 Cabos isolados de alta tenso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 724.9 Proteo dos equipamentos contra sobretenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

4.9.1 Proteo do painel de linha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734.9.2 Proteo dos transformadores de potncia . . . . . . . . . . . . . . . . . 734.9.3 Proteo de baterias de condensadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 744.9.4 Proteo de cabos isolados de alta tenso . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

4.10 Anlise comparativa entre o Guia de Coordenao de Isolamento e documentonormativo IEC 60071 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 754.10.1 Nveis de isolamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 754.10.2 Distncias de isolamento no ar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 764.10.3 Colunas e cadeias de isoladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 774.10.4 Aparelhagem de corte e manobra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 784.10.5 Transformadores de potncia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 794.10.6 Proteo do equipamento do painel de linha . . . . . . . . . . . . . . . . 794.10.7 Proteo dos transformadores de potncia . . . . . . . . . . . . . . . . . 804.10.8 Proteo de baterias de condensadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 814.10.9 Proteo de cabos isolados de alta tenso . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

5 Propostas de alterao ao Guia de Coordenao de Isolamento e Caso de estudo 835.1 Propostas de alterao ao Guia de Coordenao de Isolamento . . . . . . . . . . 83

5.1.1 Nveis de isolamento nominal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 835.1.2 Distncias de isolamento no ar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 845.1.3 Colunas e cadeias de isoladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 855.1.4 Transformadores de potncia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 855.1.5 Proteo do equipamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

5.2 Caso de estudo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 865.2.1 Configurao final da subestao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 865.2.2 Disposio geral e tecnologia de construo . . . . . . . . . . . . . . . . 875.2.3 Coordenao de isolamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 885.2.4 Colunas e Cadeias de isoladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 885.2.5 Proteo contra sobretenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 915.2.6 Propostas de alterao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

6 Concluso e Trabalhos Futuros 976.1 Concluso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 976.2 Trabalhos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

Referncias 101

Lista de Figuras

2.1 Constituio do sistema eltrico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.2 Forma de onda normalizada para sobretenses de frente rpida. . . . . . . . . . . 112.3 Exemplo de isoladores utilizados em redes eltricas. . . . . . . . . . . . . . . . . 132.4 a) Cadeia de isoladores de suspenso; b) Cadeia de isoladores de amarrao. . . . 132.5 Exemplo de descarga entre hastes de um explosor na extremidade de uma cadeia

de isoladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.6 Caracterstica de tenso versus corrente de DST de xido de zinco e Carboneto

de slicio [9] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.7 Detalhes construtivos de DST de carboneto de slicio [9] . . . . . . . . . . . . . 162.8 Detalhes construtivos de DST de xido de zinco [6] . . . . . . . . . . . . . . . . 172.9 Funo densidade de probabilidade de ocorrncia de U [5] . . . . . . . . . . . . 202.10 Probabilidade acumulada de descarga disruptiva do isolamento [5] . . . . . . . . 202.11 Risco de cedncia de um isolamento [5] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.1 Procedimento para coordenao de isolamento [12] . . . . . . . . . . . . . . . . 303.2 Tenses e sobretenses representativas [12] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.3 Diagrama de ligao de descarregador de sobretenses ao equipamento a proteger

[11] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473.4 Fator de coordenao determinstico Kcd [11]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513.5 Risco de falha de um isolamento [11]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523.6 Risco de falha de isolamento externo em funo do fator de coordenao estatstico

Kcs [11]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.7 Expoente m em funo da tenso suportvel de coordenao a impulsos de mano-

bra [11]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

xi

xii LISTA DE FIGURAS

Lista de Tabelas

3.1 Nveis de isolamento normalizado para gama I [12]. . . . . . . . . . . . . . . . . 343.2 Nveis de isolamento normalizado para gama II [12]. . . . . . . . . . . . . . . . 353.3 Distncias de linha de fuga recomendadas de acordo com o nvel de poluio do

local [11] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.4 Relao entre tenso suportvel a impulsos de origem atmosfrica normalizada e

distncia mnimas no ar [12] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.5 Relao entre tenso suportvel a impulsos de manobra normalizada e distncias

mnimas fase-terra no ar [12] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413.6 Relao entre tenso suportvel a impulsos de manobra normalizada e distncias

mnimas fase-fase no ar [12] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413.7 Fatores de converso para a gama I, para converter tenses suportveis requeri-

das a impulsos de manobra em tenses suportveis de curta durao frequnciaindustrial e a impulsos de origem atmosfrica [11]. . . . . . . . . . . . . . . . . 59

3.8 Fatores de converso para a gama II, para converter tenses suportveis requeridasde curta durao frequncia industrial em tenses suportveis a impulsos demanobra [11]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4.1 Nveis de isolamento interno para transformadoresde potncia [3] . . . . . . . . 654.2 Nveis de isolamento externo [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654.3 Distncias de isolamento [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 664.4 Distncias de isolamento mnimas para travessias dos transformadores de potncia

[3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674.5 Nveis de isolamento para cadeias e colunas de isoladores [3] . . . . . . . . . . 674.6 Gama de distncias entre dispositivos de guarda [3] . . . . . . . . . . . . . . . . 684.7 Nveis de poluio [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 684.8 Regras relativas qualidade da linha de fuga dos isoladores [3] . . . . . . . . . 694.9 Tenses suportveis mnimas para seccionadores e disjuntores [3] . . . . . . . . 694.10 Nveis de isolamento nominais para transformadores de medio e condensadores

de acoplamento [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 704.11 Tenses suportveis mnimas para enrolamentos de transformadores de potncia

protegidos por DST [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 704.12 Tenses suportveis mnimas para enrolamentos de transformadores de potncia

protegidos por DST [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 714.13 Tenses suportveis mnimas para travessias do lado linha e neutro [3] . . . . . . 714.14 Tenses estipuladas recomendveis para cabos de energia [3] . . . . . . . . . . . 724.15 Distncias entre pontas de explosores [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734.16 caractersticas bsicas de DST para o "lado linha"[3] . . . . . . . . . . . . . . . 744.17 caractersticas bsicas de DST para o "lado neutro"[3] . . . . . . . . . . . . . . 75

xiii

xiv LISTA DE TABELAS

4.18 Distncias adotadas pelo Guia de Coordenao de Isolamento vs IEC, gama I [3] 774.19 Distncias adotadas pelo Guia de Coordenao de Isolamento vs IEC, gama II

fase-terra [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 774.20 Distncias adotadas pelo Guia de Coordenao de Isolamento vs IEC, gama II

fase-fase [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

5.1 Nveis de isolamento nominal para transformadores de medio . . . . . . . . . 885.2 Nveis de isolamento nominal para aparelhagem de corte e manobra para 60 kV e

150 kV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 895.3 Nveis de isolamento nominal para aparelhagem de corte e manobra para 400 kV 895.4 Nveis de isolamento nominal para transformadores, autotransformadores de po-

tncia e reactncia shunt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 905.5 Distncias mnimas de isolamento e proteo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 915.6 Caractersticas das cadeias isolantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 915.7 Propostas de reduo das distncias de isolamento fase-fase . . . . . . . . . . . 93

Abreviaturas e Smbolos

Lista de abreviaturas

AC Alternate currentAT Alta tensoBT Baixa tensoDC Direct currentDST Descarregador de sobretensesEDP Energias de PortugalFEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do PortoFFO Fast tront overvoltageGCI Guia de Coordenao de IsolamentoGIS Gas Insulated SwitchgearIEC International Electrotechnical CommissionMAT Muito alta tensoMT Mdia tensop.u. Por unidadeREE Red Elctrica de EspaaREN Rede Energtica NacionalSFO Slow front overvoltageTOV Temporary overvoltageVFFO Very fast tront overvoltage

Lista de smbolos

a1 (m) Comprimento da ligao do DST linhaa2 (m) Comprimento da ligao do DST rede de terraa3 (m) Comprimento do condutor de fase entre o DST e o equipamento a protegera4 (m) Comprimento da parte ativa do DSTc (m/s) Velocidade da luzf (Hz) FrequnciaK (-) Fator de defeito terraK1 (-) Fator de correo de densidade do arK1 (-) Fator de correo de humidadeKa (-) Fator de correo de altitudeKc (-) Fator de coordenaoKcd (-) Fator de coordenao determinsticoKco (/kV m) Constante de amortecimento do efeito de coroaKcs (-) Fator de coordenao estatsticoKS (-) Fator de segurana

xv

xvi ABREVIATURAS E SMBOLOS

Kt (-) Fator de correo atmosfricaKtc (-) Fator de converso de ensaioL (m) Distncia entre o DST e o equipamento a protegerm (-) Expoente da expresso de correo atmosfrica para isolamento externon (-) Nmero de linhas areas conetadas a uma subestao na avaliao da ampli-

tude da sobretenso entrada destasP (%) Probabilidade de disrupo de isolamento auto regenerativoPW (%) Probabilidade de no contornamento/suportabilidadeR (-) Risco de falhaS (kV/s) Declive de uma sobretenso de origem atmosfrica entrada de uma subesta-

oU (kV) Amplitude de uma tenso ou sobretensoU0 (kV) Tenso abaixo da qual no existe possibilidade de disrupo do dieltricoU10 (kV) Tenso para a qual o dieltrico apresenta 10 % de probabilidade de disrupoU16 (kV) Tenso para a qual o dieltrico apresenta 16 % de probabilidade de disrupoU50 (kV) Tenso para a qual o dieltrico apresenta 50 % de probabilidade de disrupoU10 (kV) Tenso para a qual o dieltrico apresenta 10 % de probabilidade de disrupoUaw (kV) Tenso suportvel de um equipamento ou configurao de isolamentoUcw (kV) Tenso suportvel de coordenaoUe (kV) Amplitude da sobretenso fase-terraUe2 (kV) Tenso fase-terra cuja probabilidade de ser excedida de 2 %Ue50 (kV) Valor de 50 % da distribuio acumulada de sobretenses fase-terraUet (kV) Valor de truncatura da distribuio acumulada de sobretenses fase-terraUm (kV) Tenso mais elevada para equipamentoUN (kV) Tenso nominal do sistemaUpl (kV) Nvel de proteo ao choque atmosfrico de um DSTUps (kV) Nvel de proteo ao choque de manobra de um DSTUpt (kV) Valor de truncatura da distribuio acumulada de sobretenses fase-faseUrp (kV) Tenso/sobretenso representativaUrw (kV) Tenso suportvel requeridaUS (kV) Tenso mais elevada de um sistemaUw (kV) Tenso suportvel estipulada normalizadaT (s) Tempo de viagem do impulso de descarga atmosfricaT1 (s) Tempo de frenteT2 (s) Tempo de meio valor de uma tenso decrescenteTp (s) Tempo at ao picoZ (kV) Desvio convencional que representa a variabilidade da tenso de contorna-

mentoZg () Impedncia de terra

Captulo 1

Introduo

A fiabilidade do sistema eltrico, e, por sua vez, a qualidade de servio prestada aos clientes,

depende diretamente das interrupes. Estas sero tanto piores, no que diz respeito qualidade

de servio, quanto maior a durao e a frequncia. Entre muitas das causas das interrupes

est o escorvamento dos isolamentos, que mais no do que a sua rutura. Deste modo torna-se

essencial uma rigorosa seleo dos equipamentos de proteo e de isolamento com vista ao bom

funcionamento do sistema eltrico. Assim, com a coordenao de isolamentos procura-se obter

a melhor relao tcnico-econmica com vista garantia de proteo do equipamento contra as

solicitaes dieltricas existentes no sistema.

Se o isolamento fosse apenas sujeito s solicitaes causado pelas tenses sobre condies nor-

mais de operao, este problema seria facilmente resolvido, bastando para esse efeito que fosse

selecionado um nvel de isolamento que suportasse tais solicitaes. Contudo o isolamento

sujeito a inmeros surtos (sobretenses), com vrias formas, magnitudes e duraes, que colo-

cam em causa a capacidade de o equipamento os suportar. Como as circunstncias de ocorrncia

destes surtos no conhecida, torna-se economicamente invivel o dimensionamento de todo o

equipamento por forma a garantir que no h disrupo. Portanto, aceite uma determinada pro-

babilidade de falha no dimensionamento do sistema. Por outro lado, visto que impossvel evitar

todos os contornamentos, estes devem ser confinados a locais onde os danos causados tenham

menor impacto na operao do sistema.

Para uma correta coordenao de isolamentos necessrio conhecer as sobretenses possveis

de surgir no sistema, usar equipamento de proteo contra sobretenses quando necessrio, esco-

lher as corretas tenses suportveis para os diferentes componentes do sistema a par das tenses

de isolamento de acordo com as restries particulares.

Posto o j referido, a coordenao de isolamentos pode definir-se, de acordo com IEC 60071-

1, como a seleo da rigidez dieltrica do equipamento de acordo com a tenso de operao e

sobretenses que podem surgir no sistema, no qual o equipamento se insere, e tendo em conta o

ambiente de servio e as caractersticas disponveis do equipamento de proteo.

1

2 Introduo

1.1 Motivao

O sistema eltrico de energia um sistema vasto e complexo essencial ao abastecimento de

eletricidade aos diferentes consumidores da sociedade, desde particulares a empresas/indstria.

Pela sua natureza est sujeito a diversos fenmenos transitrios (sobretenses), de origem interna

como externa, e que podem levar sada de servio de equipamento crucial continuidade de

abastecimento dos consumidores, como por exemplo transformadores de potncia localizados em

subestaes. As subestaes de potncia, que so um subsistema de importncia capital dentro do

sistema eltrico, so particularmente afetadas por estes fenmenos, e como tal requerem uma aten-

o especial na sua conceo, com vista a uma fiabilidade elevada. Um dos aspetos da conceo

que garante fiabilidade ao sistema o isolamento.

O sistema de isolamento compreende diversos meios e equipamentos, e, como tal, necessrio

uma coordenao destes de forma a cooperarem para o objetivo comum, a proteo do sistema,

relativamente s diferentes solicitaes. Contudo, pretende-se simultaneamente garantir um bom

isolamento com o menor custo possvel. No entanto, os guias de coordenao de isolamento se-

guidos pelas empresas responsveis pelo sistema eltrico podem revelar-se antiquados e de certa

forma conservadores relativamente s normas internacionais atuais, e portanto existe a possibili-

dade de melhoria desses mesmos guias.

Pretende-se desta forma efetuar um estudo sobre a coordenao de isolamentos em geral, assim

como efetuar uma anlise do guia seguido em Portugal em comparao com as normas interna-

cionais do IEC (Internetional Electrotechnical Commission) com vista a eventuais propostas de

melhoria do mesmo, tendo por objetivo a reduo de custos com instalaes ou at melhoria da

qualidade de servio.

1.2 Objetivos

A presente dissertao tem como principal objetivo efetuar uma anlise comparativa entre o

Guia de Coordenao de Isolamento para a rede PTI-EDP 1 e o documento normativo IEC 60071

para a coordenao de isolamento. A partir desta anlise pretende-se efetuar propostas de alterao

com vista a uma melhoria da qualidade de servio e reduo de custos em instalaes projetadas

com base no guia referido.

Pretende-se ainda dar uma viso geral sobre coordenao de isolamentos, desde solicitaes

dieltricas, equipamentos a proteger e equipamentos de proteo, bem como mtodos de coorde-

nao de isolamento e processo para a sua realizao.

1Este documento remete para o perodo em que a empresa concessionria da rede de transporte era a EDP. O termoPTI refere-se a uma rede com neutro terra. Atualmente a empresa concessionria a REN sendo que o termo PTI no mais utilizado, e a rede atualmente descrita como RNT. Contudo, o documento em causa ainda a referncia paraa coordenao de isolamento. No decorrer da presente dissertao a referncia ao documento em causa ser realizadaapenas como Guia de Coordenao de Isolamento ou atravs da sigla respetiva. Note-se ainda que a REN se encontraa rever este guia.

1.3 Estrutura da Dissertao 3

Constitui ainda um objetivo aplicar as propostas de alterao a um caso prtico. Este caso

prtico ser uma subestao de transmisso com trs nveis de tenso, 400, 150 e 60 kV.

1.3 Estrutura da Dissertao

O presente documento composto por seis captulos, incluindo introduo e concluses. No

captulo 2 apresenta-se uma reviso bibliogrfica sobre o tema, onde se d a conhecer uma viso

geral sobre a coordenao de isolamento em subestaes. No captulo 3 expe-se uma sntese do

documento normativo da International Electrotechnical Commission. No captulo 4 apresenta-se

de forma resumida o Guia de Coordenao de Isolamento assim como uma anlise comparativa

entre este e norma internacional. No captulo 5 expem-se propostas de alterao sugeridas ao

Guia de Coordenao de Isolamento assim como a um caso de estudo. Por ltimo, no captulo 6,

so apresentadas as concluses e possveis trabalhos futuros.

4 Introduo

Captulo 2

Reviso Bibliogrfica

Neste captulo faz-se uma abordagem geral ao tema, apresentando o papel das subestaes

no sistema eltrico de energia e seus equipamentos integrantes, o conceito de coordenao de

isolamento e factores que levam sua realizao, assim como os fenmenos que afectam os equi-

pamentos das subestaes, o comportamento dos isolamento sujeitos a estes fenmenos e meios

de proteo. Por ltimo apresentam-se mtodos de coordenao de isolamento.

2.1 Subestaes

2.1.1 Propsito

A energia eltrica , ainda nos dias de hoje, produzida essencialmente de forma centralizada,

em locais que podem distar centenas ou milhares de quilmetros dos centros de consumo. Assim

existe a necessidade de transportar grandes quantidades desta forma de energia, atravs de gran-

des distncias. Posto isto, as empresas responsveis pelo transporte vem-se obrigadas a cumprir

determinados critrios de qualidade ao menor custo possvel. Podem definir-se assim os trs prin-

cipais objetivos destas empresas [1]

Alta fiabilidade do sistema eltrico;

Baixo custo de energia;

Elevados nveis de qualidade de energia;

O sistema eltrico reparte-se em trs grupos essenciais: produo; transporte/distribuio;

consumo. No diagrama da figura 2.1 apresenta-se a forma como o sistema em Portugal se en-

contra estruturado. Embora o diagrama estabelea uma estrutura vertical do sistema, atualmente

enquadra-se tambm, ao nvel de distribuio e consumo, a mini e micro produo de eletricidade

por parte de consumidores. Na figura 2.1, a seta indica o sentido do fluxo de energia de um sistema

clssico verticalizado.

As principais funes das subestaes no sistema eltrico de energia so:

5

6 Reviso Bibliogrfica

Figura 2.1: Constituio do sistema eltrico.

aumentar ou reduzir o nvel de tenso, conforme a sua localizao no sistema;

estabelecer as conexes produo-transporte e transporte-distribuio, aumentando a efici-ncia do sistema.

2.1.2 Transformao do nvel de tenso

O transporte tem custos associados, sendo o mais relevante as perdas energticas, das quais

se salientam as perdas calorficas, tambm chamas perdas de Joule. As perdas so diretamente

proporcionais potncia transmitida. Contudo podem ser reduzidas atravs da alterao das suas

caractersticas. A potncia transmitida numa linha de transporte dada pela expresso 2.1 [1].

S =V I (2.1)

Onde:

S a potncia complexa transmitida, expressa em Volt-Ampre (VA);

V a tenso aos terminais da linha, expressa em Volt (V);

I a intensidade de corrente que percorre a linha, expressa em Ampre (A).

Matematicamente percetvel a possibilidade de transmitir a mesma potncia variando pro-

porcionalmente, de forma inversa, os parmetros V e I. Uma vez que as perdas com maior peso,

2.1 Subestaes 7

isto , as perdas de Joule, so diretamente proporcionais ao quadrado da intensidade de corrente,

conforme se verifica pela expresso 2.2, uma forma de reduzir as perdas ser diminuir a corrente

elevando na mesma proporo a tenso [1].

pJ = Rl I2 (2.2)

Onde:

pJ a potncia perdas de Joule, expressa em Watt (W);

Rl a resistncia eltrica total da linha, empressa em Ohm ();

I o mdulo da intensidade de corrente que percorre a linha, exressa em Ampre (A).

O equipamento que permite esta transformao so os transformadores de potncia instalados

precisamente nas subestaes, que por sua vez se localizam no incio e fim das linhas de transporte.

Outra vantagem relacionada com a transformao mencionada detm-se com a garantia de

qualidade da energia, mais precisamente com o nvel de tenso que deve ser garantido ao con-

sumidor final. Como ao longo das linhas se verifica uma queda de tenso, a qualidade da onda,

relativamente sua amplitude, pode no satisfazer os requisitos pr-estabelecidos no ponto de

entrega ao consumidor. Esta queda de tenso tambm proporcional intensidade de corrente,

conforme descreve a expresso 2.3.

V = Rl I (2.3)

Onde:

V a queda de tenso, expressa em Volt (V);

Rl a resistncia eltrica total da linha, expressa em Ohm ();

I o mdulo da intensidade de corrente que percorre a linha, expressa em Ampre (A).

2.1.3 Constituio

Uma subestao incorpora inumeros equipamentos, desde o equipamento de potncia, ao de

proteo, controlo e monotorizao. Seguidamente listam-se os componentes tpicos de uma su-

bestao [1].

Transformador de potncia;

Disjuntor;

Seccionador;

Comutadores;


Transformadores instrumentais;

Barramentos;

Rels;

Circuitos auxiliares AC e DC;

Proteo contra sobretenses e descargas atmosfricas;

Sistema de terras;

Controlo remoto e sistemas de operao.

2.1.4 Concluso

As subestaes ocupam assim um papel crucial no sitema eltrico, promovendo viabilidade

tcnica e ecnomia no transporte de energia eltrica. Conforme descrito previamente em 2.1.2,

estas localizam-se nos extremos das linhas de transporte. Logo, estes locais revelam-se crticos

devido existncia de diversos equipamentos, nomeadamente os transformadores (equipamento

que promove a transformao de tenso), dispositivos de aquisio de informao, entre outros,

que so susceptveis de sofrer danos devido a um fenmeno inerente s redes, as sobretenses.

Torna-se assim necessrio a aplicao de dispositivos de proteo contra sobretenses por forma a

proteger os demais equipamentos. Alm disso, devem tambm ser garantidos nveis de isolamento,

quer de equipamentos , quer de distncias no ar conforme o nvel de tenso em causa e conforme

a probabilidade de as mesmas sobretenses surgirem. Aqui surge o conceito de coordenao de

isolamentos.

2.2 Coordenao de isolamentos

2.2.1 Introduo

A coordenao de isolamento constitui uma fase de projeto de importncia capital em insta-

laes de transporte e distribuio de energia eltrica. Durante o perodo de funcionamento os

equipamentos do sistema so sujeitos a diversos tipos de sobretenses, com origem interna ou

externa ao sistema. Estas provocam solicitaes dieltricas nos equipamentos de tal forma que

podem levar disrupo dos mesmos ou at mesmo sua destruio, o que coloca em causa a

fiabilidade e a continuidade de servio do sistema. Assim sendo importante conhecer o tipo de

solicitaes dieltricas existentes no sistema, assim como as suas amplitudes expectveis, com

vista seleo dos nveis de isolamento que garantam a melhor relao tcnico-econmica. Espe-

cificar um nvel de isolamento consiste em definir quais os tipos e amplitudes de sobretenses que

um equipamento deve suportar.

2.2 Coordenao de isolamentos 9

2.2.2 Solicitaes dieltricas

A base na qual efectuada a seleo do isolamento so as solicitaes dieltricas s quais os

equipamentos esto ou podem eventualmente estar sujeitos. Consideram-se solicitaes dieltri-

cas os esforos aos quais os equipamentos do sistema eltrico esto sujeitos, resultantes do campo

eltrico aplicado. Este por sua vez depende da amplitude da tenso aplicada aos terminais. Desta

forma, importante conhecer quais os tipos de solicitaes dieltricas existentes e a qual a sua

origem, que vo desde aquelas causadas pelo regime permanente at vrios tipos de sobretenses.

As sobretenses podem classificar-se em dois grupos: um cuja origem externa ao sistema, re-

sultante de descargas atmosfricas e que se pode manifestar de duas formas, ou pela incidncia

directa sobre as linhas/subestaes, ou pela incidncia nas torres e/ou cabos de guarda que pode

provocar contornamento destes para as linhas; O segundo grupo diz respeito s sobretenses com

origem interna ao sistema, refiram-se as sobretenses de manobra e temporrias, como as suas

origens so comuns, estas ocorrem em simultneo e a sua combinao relevante para a seleo

do isolamento [2].

2.2.2.1 Regime permanente

A solicitao dieltrica em regime permanente (frequncia industrial 50Hz) aquela qual

qualquer equipamento est sujeito sobre condies normais de funcionamento. Por vezes cons-

titui um entrave reduo do nvel de isolamento, especialmente em redes de muito alta tenso,

onde a aplicao de dispositivos limitadores de sobretenso diminui o nvel de isolamento neces-

srio. O nvel mnimo de isolamento especificado segundo esta solicitao e a sua seleo, com

base na tenso mxima da rede, deve ter em considerao a degradao devido aos agentes at-

mosfricos chuva, nevoeiro e poluio (este aspecto est relacionado com o isolamento externos),

envelhecimento (este aspecto est relacionado com o isolamento interno) e reduo das distncias

devido ao vento que pode provocar dilataes trmicas e curto-circuitos (aspecto relacionado com

as distncias no ar) [3].

2.2.2.2 Sobretenses temporrias

As sobretenses temporrias provocam solicitaes dieltricas semelhantes ao regime perma-

nente, sendo que a sua frequncia a mesma ou muito prxima desta. Provocam as mesmas

limitaes e as consideraes a tomar so equivalentes. A sua importncia, no que diz respeito

coordenao de isolamentos, fixa-se no facto de os limitadores de sobretenses deverem suportar

estas solicitaes sobre o risco de destruio. O valor nominal de um descarregador de sobre-

tenses depender da capacidade de resistir a sobretenses temporrias. Logo, estas influenciam

o nvel de proteo e custo do equipamento [2], sendo assim relevantes para a coordenao de

isolamentos.

Este tipo de sobretenso pode surgir na sequncia de diferentes acontecimentos, como por

exemplo:


Deslastre de carga. Esta afecta os parmetros da tenso da rede, uma vez que sofre umacrscimo da amplitude e a frequncia pode tambm sofrer um aumento. O impacto da

sobretenso ser tanto maior quanto mais saturados estiverem os transformadores, sendo

que o equipamento no final da linha ser mais afectado devido ao efeito de Ferranti [3]. O

deslastre de carga pode provocar sobretenses temporrias na ordem de 1.2 vezes o valor

de tenso nominal, no final da linha desconectada junto subestao, graas ao efeito de

Ferranti [4].

Defeito terra. Na sequncia de um defeito terra verifica-se uma elevao do potencialdas fases nas quais no se verificou o defeito. A sobretenso depende da razo entre a

impedncia homopolar e directa vista do ponto de defeito. A sobretenso caracteriza-se

pelo fator de defeito terra, que resulta da razo entre o valor eficaz da tenso fase-terra

durante o defeito e o valor eficaz da tenso antes do defeito [3]. Em sistemas de 400 kV

as sobretenses resultantes de defeitos terra podem atingir valores na ordem de 1,5 vezes

o valor de tenso nominal do sistema durante 1s, perodo no qual um defeito deste tipo

permanece [4].

Condio de ressonncia. As condies de ressonncia so provocadas por elementos nolineares que se encontram em redes de alta tenso e normalmente s ocorrem em sistema

de neutro isolado. Sobretenses temporrias surgem quando elementos com elevada capaci-

tncia, por exemplo linhas de transmisso, e indutncia, por exemplo transformadores, com

caractersticas magnticas no lineares so alimentados. Ressonncia em linhas paralelas,

com compensao de energia reactiva, pode surgir na alimentao de uma delas ou de am-

bas. Valores na ordem de 1.5 vezes da tenso nominal podem ser atingidos em sistemas de

400 kV [4].

2.2.2.3 Sobretenses de origem atmosfricas

Uma sobretenso pode ser induzida numa linha de transmisso aps a incidncia direta de

uma descarga atmosfrica sobre os condutores de fase, ou indirecta, sobre as torres e cabos de

guarda. A incidncia directa s acontecer se linha no estiver devidamente protegida por cabo de

guarda. Para melhor se entender, o sinal introduzido pela descarga equivalente ao de uma fonte

de corrente que origina uma forma de tenso como se apresenta na figura 2.2. Esta caracteriza-

se por ter uma frente rpida (T1 na ordem de 1 s) e um tempo de cauda (T2), para 50% dovalor de pico, na ordem de algumas dezenas de micro segundos. A curva 1,2/50 (em que T1=1,2

s e T2=50 s) a curva normalizada para efeito de ensaios no que diz respeito a descargasatmosfricas.

Esta sobretenso normalmente originada pela incidncia de uma descarga num cabo de

guarda ou torre, que induz uma tenso nos condutores de fase, ou atravs do contornamento de

retorno da distncia de isolamento no ar, que injecta um corrente num condutor de fase. Contudo,

estes transitrios podem ser altamente atenuadas pela linha de transmisso, de tal forma que che-

gada da subestao esta se possa assemelhar a uma sobretenso de manobra rpida [4]. Segundo


Figura 2.2: Forma de onda normalizada para sobretenses de frente rpida.

o documento [3], a sua incidncia em linhas e subestaes pode ser estimado, de forma grosseira,

a partir do ndice cerunico (nmero mdio de dias em que a trovoada foi ouvida). Actualmente

existe em Portugal um sistema implementado permitindo quantificar a corrente, localizao e po-

laridade da descarga.

No obstante, as sobretenses de origem atmosfrica apresentam-se mais relevantes para sis-

temas com nveis de tenso abaixo dos 300 kV, uma vez que o seu impacto na rede ser tanto

menor quanto maior for o nvel de tenso. Acima deste nvel, as sobretenses de manobra passam

a revelar-se mais invasivas pois a sua amplitude proporcional ao nvel de tenso [2].

2.2.2.4 Sobretenses de manobra

Sobretenses de manobra surgem na sequncia de manobras efectuadas na rede. Uma ma-

nobra no mais que a alterao da topologia da rede, ou seja, alterao da sua configurao.

So normalmente transitrios eletromagnticos associados ao fecho ou abertura de disjuntores,

na sequncia do aparecimento de defeitos na rede e sua eliminao. Podem citar-se os seguintes

exemplos:

Ligao e religao de linhas em vazio;

Rejeio de carga;

Aparecimento de um defeito;

Eliminao de um defeito;

Corte de correntes indutivas e capacitivas.


Uma das mais importantes sobretenses de manobra resulta da religao de uma linha em

vazio [4].

A amplitude deste tipo de sobretenses depende essencialmente do rgo de manobra (disjun-

tor) e do equipamento a ser manobrado, revelando-se independente do nvel de tenso do sistema.

Em sistemas cuja tenso mais elevada para o equipamento inferior a 300 kV, as sobretenses de

manobra no se revelam de grande importncia uma vez que as solicitao dieltricas causadas no

equipamento no so determinantes, e tambm porque as margens utilizadas para as sobretenses

de origem atmosfrica cobrem, normalmente, as necessidades relativas s sobretenses deste tipo

[3].

2.2.3 Isolamento e proteo contra sobretenses

2.2.3.1 Introduo

Na seco 2.2.2 foram expostas as diferentes solicitaes dieltricas originadas pelo funciona-

mento do sistema. No entanto convm perceber em que consiste o isolamento, quais os dispositi-

vos utilizados para esse fim e quais os dispositivos de proteo contra sobretenses. O isolamento

eltrico consiste em proteger as instalaes eltricas, numa perspectiva de segurana de pessoas

e animais, contra contactos directos e indirectos. Numa perspectiva tcnica consiste em evitar as

fugas de corrente eltrica para a terra. Numa rede de transporte, o isolamento e os dispositivos de

protees so de crucial importncia pois so dos principais fatores na garantia de fiabilidade do

sistema. No que diz respeito proteo contra sobretenses, estes podem agrupar-se em disposi-

tivos de proteo activa e passiva. Em termos de proteo activa temos os explosores, ou hastes

de guarda, e descarregadores de sobretenses. No que diz respeito proteo passiva temos os

isoladores e os cabos de guarda [5].

2.2.3.2 Isoladores

Os isoladores utilizados em redes de transporte e distribuio, figura 2.3, tm no s a funo

de isolar as linhas de transmisso, como tambm a de fixar estas mesmas linhas aos seus apoios.

Desta forma, devem apresentar boas caractersticas dieltricas, assim como boas caractersticas

mecnicas. Existem diversos tipos de matrias utilizados, desde cermicas, vidro, e mais recente-

mente (ltimas quatro dcadas) os de materiais compsitos. Conforme o tipo de material utilizado,

os isoladores apresentam diferentes caractersticas mecnicas e dieltricas. Os dois primeiros tm

a vantagem de apresentar uma grande fiabilidade, demonstrada com a experincia da sua utilizao

ao longo dos anos. Contudo, apresentam tambm uma desvantagem comum que o peso, podendo

levar seleo de apoios mais resistentes aumentando o custo de implementao. Os compsitos

tm-se apresentado como uma excelente alternativa, apresentando um custo baixo e peso reduzido,

bem como um desempenho avanado face poluio relativamente aos demais materiais. No en-

tanto, considera-se que ainda no possvel avaliar o seu tempo de vida til comparativamente aos

de porcelana e vidro [6].


Figura 2.3: Exemplo de isoladores utilizados em redes eltricas.

Ao conjunto de isoladores utilizados na fixao dos diferentes cabos constituintes de uma

linha chama-se cadeia de isoladores. Estas podem ser de amarrao, figura 2.4 b), ou suspenso,

figura 2.4 a). As primeiras utilizam-se em apoios de ngulo, em apoios fim de linha e, em linha

com traado rectilneo, em determinados apoios com o objetivo de esticar a linha, impedindo que

o arco entre os apoios seja demasiado grande. Nas restantes situaes utilizam-se as cadeias de

suspenso.

Figura 2.4: a) Cadeia de isoladores de suspenso; b) Cadeia de isoladores de amarrao.

2.2.3.3 Cabos de guarda

Os cabos de guarda constituem uma forma de proteo passiva relativamente a sobretenses,

uma vez que no constituem uma forma de eliminao destas, mas evita que uma descarga atmos-


frica incida directamente sobre a linha provocando a sobretenso. O cabo de guarda instalado

no extremo do apoio, acima dos condutores de fase. Desta forma a descarga incidir no cabo de

guarda em vez dos cabos de linha. O cabo de guarda encontra-se eletricamente ligado aos apoios,

pelo que a resistncia de terra destes de elevada importncia para o escoamento da descarga.

A resistncia de terra deve ser o mais baixa possvel, pois quanto maior esta for, maior ser a

possibilidade de se estabelecer um arco de retorno do apoio para a linha. Apesar de a utilizao

de cabos de guarda se manifestar como uma mais-valia para a reduo de sobretenses de origem

atmosfrica, estas no deixam de existir pelo facto de a incidncia de uma descarga atmosfrica no

cabo de guarda induzir uma sobretenso na linha, contudo esta ser menor do que se a incidncia

fosse directa.

2.2.3.4 Explosores

Os explosores, figura 2.5, so equipamentos de proteo activa contra sobretenses, efectu-

ando uma descarga para a terra quando uma sobretenso, superior ao seu nvel de proteo, se

estabelece aos seus terminais. So equipamentos extremamente simples, sendo compostos por

dois eltrodos espaados no ar, sendo que um deles ligado eletricamente linha e o outro di-

rectamente terra. Trata-se de um dispositivo facilmente regulvel conforme o nvel de proteo

pretendido. Os explosores podem tomar diversas configuraes, no que diz respeito aos eltrodos,

destacando-se os seguintes [7]:

Duas simples varas colocadas uma em frente outra. Estes constituem uma proteo de re-serva de forma que o seu funcionamento s previsto no caso de os dispositivos de proteo

mais elaborados no atuarem;

explosores de antenas. So constitudos por duas antenas destinadas a provocar o alonga-mento do arco eltrico;

dispositivos mais complexos incorporando, alm dos eltrodos de descarga, anis destinadosa eliminar os eflvios de efeito de coroa 1.

Os explosores, pelo seu baixo custo e facilidade de ajuste, de acordo com a altura a que se en-

contram instalados ou com a funo que lhes atribuda, foram largamente utilizados. Contudo,

estes equipamentos apresentam inmeras desvantagens que impedem a sua utilizao como prin-

cipais dispositivos de proteo. Tambm derivado da sua simplicidade, os explosores apresentam

as seguintes desvantagens: dificuldade de extino autnoma da descarga; o seu funcionamento

provoca um elevado gradiente de frente que pode causar problemas a equipamentos bobinados,

e.g. transformadores; atraso na resposta, podendo a tenso ultrapassar o nvel de proteo do ex-

plosor, o que pode por em causa o isolador; o nvel de tenso a que se efectua a descarga varia

com as condies atmosfricas.

1O efeito de coroa consiste na ionizao de um fluido, ar no caso das linhas de transporte, quando sujeito a umcampo eltrico intenso, sendo que a intensidade visual (arco) e sonoro (zumbido) depende da intensidade desse campo[8].


Figura 2.5: Exemplo de descarga entre hastes de um explosor na extremidade de uma cadeia deisoladores

2.2.3.5 Descarregadores de sobretenses

Os descarregadores de sobretenses (DST), por vezes chamados de pra-raios, so tambm,

semelhana dos explosores, dispositivos de proteo activa contra sobretenses e so os principais

equipamentos na dissipao destas. Os DST destinam-se essencialmente a proteger os equipa-

mentos das subestaes de potncia, ou apenas transformadores areos, instalados em apoios de

distribuio [9]. Estes equipamentos surgiram posteriormente aos explosores com o objetivo de

evitar os inconvenientes dos destes ltimos. Os DST funcionam de forma semelhante aos explo-

sores, escoando uma corrente para a terra quando aos seus terminais surge uma sobretenso de

determinado valor, superior quele que o DST deve suportar. Contudo, estes limitam a amplitude

e durao da corrente, escoada para a terra, evitando, em grande parte, que a intensidade seja de tal

forma elevada que provoque o disparo das protees (disjuntores) [7]. As caractersticas de pro-

teo devem-se essencialmente utilizao de resistncia no lineares, que permitem a conduo

de eletricidade a partir de um determinado nvel de tenso mantendo um fluxo controlado (ver ca-

racterstica de tenso versus corrente na figura 2.6) de corrente e ainda a extino deste fluxo aps

a dissipao da sobretenso. As resistncias no lineares, actualmente utilizadas na construo de

DST, so constitudas por dois tipos de elementos: carboneto de silcio e xido de zinco [9].

A construo tradicional dos DST baseia-se na colocao de resistncias no lineares em srie

com um centelhador formado por vrios gaps (explosores), conforme se observa na figura 2.7 [9].

Actualmente existem DST de xido de zinco (ZnO), figura 2.8, cuja construo no inclui o

chamado centelhador. Este tipo de aparelho apresenta melhor caracterstica tenso/corrente no que

diz respeito dissipao de sobretenses, comparativamente com os tradicionais de carboneto de

silcio. Conforme se comprova pela figura 2.6, os equipamentos de xido de zinco apresentam

uma corrente residual, sob a tenso nominal, bastante reduzida, na ordem dos microampre (A).Esta caraterstica dos elementos no lineares de xido de zinco permitem a no introduo de ex-

plosores tornando a construo mais simples. Contudo, os elementos no lineares ficam expostos

a todas as solicitaes do sistema, podendo causar envelhecimento precoce [10].


Figura 2.6: Caracterstica de tenso versus corrente de DST de xido de zinco e Carboneto deslicio [9]

Figura 2.7: Detalhes construtivos de DST de carboneto de slicio [9]


Figura 2.8: Detalhes construtivos de DST de xido de zinco [6]

2.2.4 Caractersticas de rigidez dieltrica do isolamento

Relativamente capacidade de conduo de corrente eltrica, os materiais podem definir-se

como condutores e no condutores, sendo que os ltimos apresentam resistncias eltricas ele-

vadas, ao contrrio dos primeiros. Sob condies normais de funcionamento o que acontece,

contudo sob condies inesperadas, como na sequncia das sobretenses definidas anteriormente,

onde as solicitaes dieltricas so elevadas, os no condutores podem de facto tornar-se condu-

tores. Veja-se por exemplo a disrupo do isolamento na sequncia de uma descarga atmosfrica

sobre uma linha de transmisso. Isto acontece quando as solicitaes dieltricas sobre um iso-

lante, isto , a intensidade do campo eltrico, aumenta at um ponto suficientemente elevado, de

tal forma que a resistncia de um caminho atravs do isolante diminui at um ponto comparvel

resistncia de um condutor. A este fenmeno d-se o nome de disrupo [11].

A rigidez dieltrica afetada por diversos factores, como por exemplo [11]

A amplitude, forma, durao e polaridade da tenso aplicada;

A distribuio do campo eltrico no isolador;

O tipo de isolamento: liquido, slido, gasoso ou combinao destes. A impureza contidaafecta particularmente a rigidez dieltrica;

O estado fsico do isolamento: temperatura, presso e outras condies ambientais, esforosmecnicos, entre outros;

A deformao do isolamento devido a solicitaes dieltricas, efeitos qumicos, etc.A disrupo pelo ar extremamente afetada pela configurao dos espaamentos e pela pola-

ridade e forma de onda de tenso aplicada. Em isolamento no exterior, aspectos ambientais como

humidade, chuva e poluio das superfcies so factores de importncia crucial. Para componentes

GIS (Gas Insulated Switchgear), aspectos como presso interna e temperatura, assim como falta

de homogeneidade do gs e impurezas tomam um papel importante. Em isolamento lquido, im-

purezas, bolhas de ar causadas por efeitos qumicos e fsicos ou por descargas locais (interior do


transformador por exemplo) podem reduzir drasticamente a rigidez dieltrica. Outro aspecto rele-

vante a degradao das caractersticas isolantes ao longo do tempo de vida. Esta caracterstica

tambm aplicvel aos isolantes slidos [11].

Uma propriedade relevante relativamente disrupo de um isolante o seu carcter esta-

tstico, e, portanto, deve ser tomado em considerao. Graas caracterstica auto regenerativa

de determinados isolantes, por exemplo o ar, possvel obter a resposta estatstica aos esforos

dieltricos com recurso a testes especficos. Assim, o isolamento auto regenerativo usualmente

descrito pela tenso suportvel estatstica, que corresponde a uma probabilidade de suportar uma

solicitao dieltrica igual a 90%. Quanto ao isolamento no auto regenerativo, como a sua natu-

reza estatstica no pode ser encontrada atravs da realizao de testes, a tenso suportvel assu-

mida corresponde a 100% de probabilidade de suportar o stress [11].

2.2.4.1 Influncia da polaridade e forma de sobretenses

Nas aplicaes em alta tenso, para a maioria dos casos, o condutor energizado (carregado ele-

tricamente) normalmente sujeito a maior stress do que o condutor ligado terra. Desta forma, no

que diz respeito a isolamento a ar, a rigidez dieltrica afetada pela polaridade das sobretenses,

isto , um condutor estar sujeito a um maior esforo dieltrico se estiver carregado positivamente

do que se estiver carregado negativamente. Dessa forma, a tenso que d origem disrupo atra-

vs do espao no ar ser menor para um condutor com carga positiva do que para um com carga

negativa [11].

No caso em que ambos os eltrodos esto aproximadamente sujeitos ao mesmo stress, dois

processos de descarga estaro envolvidos, com caractersticas positiva e negativa. Portanto, se for

claro qual a polaridade mais severa, a configurao dos espaos deve ser baseada nessa polaridade,

seno devem ser consideradas ambas as possibilidades [11].

A rigidez dieltrica tambm afetada pela forma de onda da sobretenso. Para impulsos de

frente lenta, o isolamento externo depende mais do impulso de frente do que da cauda. Esta torna-

se mais significativa no caso de poluio da superfcie do isolamento externo. A rigidez dieltrica

do isolamento interno depende essencialmente do valor de pico [11].

Para isolamento externo, normalmente existe para cada espaamento no ar, um impulso cujo

tempo at ao pico (impulse time-to-peak) conduz a uma tenso de ruptura (disrupo) menor.

Este considerado o tempo at ao pico crtico (critical time to peak). Normalmente, o mnimo

encontra-se na gama de valores de tempo at ao pico para sobretenses de frente lenta, e quanto

maior o espaamento, mais pronunciado ser este mnimo. Para distncias na gama de valores I

encontrados na tabela 3.4 presente em IEC 60071-1, que se referem a distncias de isolamento

considerando sobretenses de origem atmosfrica, logo de frente rpida, o seu efeito pode ser

ignorado [11]. Para espaamentos usados na gama de valores II, que se refere a sobretenses

de manobra, logo frentes mais lentas, a mnima tenso de disrupo corresponde ao tempo at ao

pico normalizado de 250 s. Esta considerao pode representar distncias mnimas conservativas[11].


A tenso de disrupo para isolamento externo sobre esforos causados por uma sobretenso

de origem atmosfrica diminui com o aumento da durao da cauda da onda. No entanto, para

tenses suportveis esta diminuio no considerada e a tenso de disrupo assume-se ser igual

de impulso normalizado 1,2/50 s. Ainda assim, existe a possibilidade de reduo da dimensodas estruturas, por exemplo subestaes isoladas a ar, quando protegidas por descarregadores de

sobretenses [11].

2.2.4.2 Influncia das condies climatricas no isolamento

Condies climatricas como a densidade e composio do ar influenciam as tenses de dis-

rupo no isolamento externo. A rigidez dieltrica do isolamento aumenta com a a humidade

absoluta. No entanto, isto s acontece at ao ponto em que a superfcie do isolador se torne mo-

lhada devido condensao. A rigidez dieltrica do isolamento diminuida com a reduo da

densidade do ar. Contudo, deve ser tido em considerao que determinadas condies adversas

no ocorrem simultaneamente, isto , baixa presso, baixa humidade absoluta e alta temperatura

[11].

2.2.4.3 Probabilidade de descarga disruptiva do isolamento

Para isolamento do tipo no auto-regenerativo no existe um mtodo para a determinao do

seu risco de cedncia perante uma sobretenso. No entanto, no que diz respeito a isolamento do

tipo auto-regenerativo considera-se que a probabilidade de suportar uma sobretenso varia entre

0% e 100%.

Antes de mais necessrio perceber a possibilidade de ocorrncia de uma sobretenso, ou

da ocorrncia de um nvel de tenso superior a um determinado valor ou interior a um intervalo.

Assim, pode dizer-se que a possibilidade de ocorrncia de uma sobretenso aos terminais de um

equipamento pode ser expressa por uma funo que indica a sua densidade de probabilidade p, ou

pela funo de probabilidade acumulada P.

Portanto, dada uma distribuio de valores de tenso U , defina-se funo densidade de proba-

bilidade po(U ), como a probabilidade de ocorrncia de U , conforme se apresenta na figura 2.9,sendo assim possvel a determinao da probabilidade de ocorrncia de uma sobretenso contida

num intervalo de valores, por exemplo [U ;U +U ].Uma vez descrita a probabilidade de ocorrncia de uma sobretenso, necessrio definir-

se o comportamento dieltrico de um isolamento, isto , a probabilidade de cedncia perante

uma sobretenso. Tal comportamento traduz-se pela funo de probabilidade acumulada PT (U),

quando sujeito a uma sobretenso de valor U , conforme se apresenta na figura 2.10.

Tendo definida a probabilidade de ocorrncia de uma sobretenso e a probabilidade de ce-

dncia de um isolamento quando sujeito a uma determinada sobretenso, pode agora definir-se o

risco de cedncia de um isolamento. Este resulta do produto da funo densidade de probabilidade

de ocorrncia da sobretenso, pela probabilidade de cedncia do isolamento perante essa mesma

sobretenso.


Figura 2.9: Funo densidade de probabilidade de ocorrncia de U [5]

Figura 2.10: Probabilidade acumulada de descarga disruptiva do isolamento [5]


E portanto, para qualquer valor de sobretenso, U , o risco de cedncia de um isolamento, R,

dado pela expresso 2.4:

R =

0p0(U) PT (U)U (2.4)

Graficamente o risco de cedncia de um isolamento apresentado na figura 2.11.

Figura 2.11: Risco de cedncia de um isolamento [5]

O conhecimento do risco de cedncia dos isolamentos de elevada importncia para a co-

ordenao de isolamentos em sistema de alta e muito alta tenso, pois este constitui uma base

para a seleo dos nveis de isolamento dos equipamentos, permitindo ainda realizar anlises de

sensibilidade, isto , avaliar o comportamento do isolamento perante a variao da severidade das

sobretenses. O conhecimento do risco de cedncia constitui uma base para a seleo dos nveis

de isolamento uma vez que, no sendo possvel a seleo do isolamento de forma a suportar todos

os esforos que possam surgir, possvel a seleo do isolamento que garanta um risco de falha

aceitvel, isto , superior a 0%, mas certamente baixo.

2.2.5 Critrio de desempenho

De acordo com a norma IEC 71-1, o critrio de desempenho de um isolamento em servio o

seu risco de falha aceitvel. Ou seja, conforme descrito em 2.2.4.3, como no possvel garantir

100% de eficcia, no que diz respeito suportabilidade de sobretenses, o desempenho de um

isolamento ter de ter em conta o seu nmero de falhas em funcionamento. Portanto, quanto mais

exigente o critrio de desempenho, menor o nmero de falhas aceitveis num perodo de tempo.


No entanto, a severidade de um defeito na sequncia de uma falha do isolamento devido a uma

sobretenso varia de ponto para ponto da rede. Desta forma, diferentes nveis aceitveis de falhas

podem ser considerados para diferentes pontos da rede [11].

2.2.6 Procedimento de coordenao de isolamento

A coordenao de isolamento visa a seleo da rigidez dieltrica do equipamento relativa-

mente s diferentes solicitaes. Esta seleo consiste na determinao das mais baixas tenses

suportveis que respeitam o critrio de desempenho, considerando as sobretenses representativas

sobre condies de servio.

Relativamente a solicitaes transitrias, existem dois mtodos para a coordenao de isola-

mentos. O primeiro consiste numa abordagem determinstica, o segundo numa abordagem esta-

tstica. Contudo, uma conjugao de ambos os mtodos pode ser aplicada [11].

2.2.6.1 Mtodo determinstico

Este mtodo aplicado quando resultados estatsticos, obtidos atravs de ensaios, relativa-

mente possibilidade de falha em servio no so conhecidos. E portanto, o mtodo utilizado

quando o isolamento caracterizado pela sua tenso suportvel convencional assumida, isto , a

probabilidade de suportar uma solicitao de 100%. A tenso suportvel de coordenao obtida

multiplicando o mximo assumido da sobretenso representativa por uma fator Kc (ver 3.1.1.25).

Este fator pressupe compensar as incertezas das tenses representativas e tenso suportvel assu-

mida. O mtodo tambm se aplica quando, para isolamento externo, o isolamento caracterizado

pela tenso suportvel estatstica, onde a probabilidade de no cedncia igual a 90%. Neste

caso Kc deve ter em conta a diferena entre a tenso suportvel estatstica e a tenso suportvel

assumida [11].

2.2.6.2 Mtodo estatstico

O mtodo estatstico baseado na frequncia de ocorrncia de fenmenos de uma determi-

nada origem (sobretenses de origem atmosfrica, sobretenses de manobra, etc.), na densidade

de ocorrncia de sobretenses relativa a essa origem e na probabilidade de disrupo do isola-

mento. O risco de falha pode ser determinado combinando a probabilidade de sobretenses com a

probabilidade de disrupo do isolamento (ver seco 2.2.4.3).

Aplicando repetidamente clculos para diferentes tipos de isolamento a para estados da rede,

a taxa de falha do sistema devido a falha de isolamento pode ser obtida [11].

Desta forma, a utilizao do mtodo estatstico possibilita a estimao da frequncia de falhas

do sistema como funo do design do sistema. Teoricamente a optimizao do isolamento seria

possvel se os custos da sada de servio do sistema pudessem ser relacionados com os diferentes

tipos de defeitos. No entanto isto na verdade difcil o que leva a que, usualmente, seja melhor

um ligeiro sobredimensionamento do que uma optimizao, e portanto, o sistema de isolamento

seleccionado com base na comparao dos riscos das diferentes alternativas (de design).

Captulo 3

Documento normativo IEC 60071

Neste captulo apresenta-se a documentao normativa da Comisso Electrotcnica internaci-

onal (IEC-International Electrotechnical Commission) relativa coordenao de isolamento. Este

documento normativo actualmente composto por duas partes. A primeira, IEC 60071-1, esta-

belece definies, princpios e regras de coordenao de isolamento, enquanto a segunda, IEC

60071-2, constitui um guia de aplicao. Veja-se que, a informao presente no captulo reporta

ao documento IEC 60071, partes 1 e 2.

3.1 IEC 60071-1: Coordenao de isolamento - Parte 1

3.1.1 Termos e definies

3.1.1.1 Coordenao de isolamento

Seleo da rigidez dieltrica do equipamento relativamente tenso de operao e sobreten-

ses a que os equipamentos podem ser expostos tendo em conta o ambiente de servio e caracte-

rsticas dos dispositivos de proteo;

3.1.1.2 Isolamento externo

Distncia no ar, e da superfcie do equipamento slido em contacto com o ar que est sujeita a

solicitaes dieltricas e condies ambientais do local, como poluio, humidade, etc.

3.1.1.3 Isolamento interno

Distncia do isolamento slido, lquido ou gasoso do equipamento que est protegido dos

efeitos atmosfricos;

3.1.1.4 Isolamento auto-regenerativo

Isolamento que, aps um curto perodo de tempo, recupera totalmente as propriedades diel-

tricas no seguimento de um contornamento durante um ensaio;

23

24 Documento normativo IEC 60071

3.1.1.5 Isolamento no auto-regenerativo

Isolamento que, aps um contornamento, num ensaio, no recupera total ou parcialmente as

caractersticas dieltricas;

NOTA: as definies consideram contornamento causado por tenso de ensaio durante um

ensaio dieltrico. Contudo, contornamentos em servio podem causar perdas de propriedades

dieltricas em isolamento auto-regenerativo.

3.1.1.6 Configurao dos terminais (de isolamento)

Todos os terminais que, entre cada par, pode surgir uma solicitao dieltrica:

Terminal de fase, onde, entre este e o terminal neutro aplicada a tenso simples de serviodo sistema;

Terminal de neutro;

Terminal de terra, ligado diretamente terra (cuba dos transformadores, estrutura torres);

3.1.1.7 Configurao de isolamento

Configurao geomtrica do isolamento em servio, consistindo no isolamento e todos os

terminais. Inclui todos os elementos (isolantes e condutores) que influenciam o comportamento

dieltrico. As configuraes so as seguintes:

Trifsica: 3 terminais de fase, um de neutro e um de terra;

Fase-terra: configurao trifsica em que 2 terminais de fase no so considerados e, excetocasos particulares, o neutro ligado a terra;

Fase-fase: configurao trifsica em que um terminal de fase no considerado. Em casosparticulares, o neutro e terra tambm no so considerados;

Longitudinal (Entrada-sada): configurao considerando 2 terminais de fase e um ter-minal de terra. Os 2 terminais pertencem mesma fase, de um sistema trifsico, tempo-

rariamente separada em 2 terminais energizados independentemente (switch aberto). Os 4

terminais pertencentes s restantes fase no so considerados. Em casos particulares um dos

terminais considerados ligado a terra.

3.1.1.8 Tenso nominal do sistema UN

Valor aproximado da tenso utilizada para designar ou identificar o sistema;

3.1.1.9 Tenso mais elevada de um sistema US

Valor de tenso mais elevado de operao entre fases (valor eficaz) que ocorrer sobre condies

normais de operao, em qualquer instante ou ponto do sistema.

3.1 IEC 60071-1: Coordenao de isolamento - Parte 1 25

3.1.1.10 Tenso mais elevada para equipamento Um

Valor de tenso mais elevado entre fases (valor eficaz) para o qual um equipamento projetado

com respeito ao seu nvel de isolamento. Sobre condies de servio especificadas pelo fabricante,

esta tenso pode ser aplicada continuamente ao equipamento.

3.1.1.11 Sistema com neutro isolado

Sistema no qual o ponto neutro no intencionalmente ligado terra, exceto para ligaes de

alta impedncia para proteo ou medidas;

3.1.1.12 Sistema com neutro ligado terra

Sistema cujos pontos neutros so ligados diretamente terra;

3.1.1.13 Sistema com neutro impedante

Sistema em que um ou mais pontos neutros so ligados terra atravs de impedncias para

limitar as correntes de curto-circuito terra;

3.1.1.14 Sistema com neutro ressonante

Sistema no qual um ou mais pontos neutros so ligados terra atravs de reactncias para

compensar a componente capacitiva de um curto-circuito fase-terra;

3.1.1.15 Fator de defeito terra K

o rcio entre o valor mais elevado (valor eficaz) fase-terra encontrado na fase s durante um

defeito terra afetando uma ou mais fases, e o valor eficaz fase-terra frequncia industrial que

seria obtido nesse local na ausncia de qualquer defeito;

3.1.1.16 Sobretenso

Qualquer tenso entre fase e terra ou aplicada a isolamento longitudinal (entrada-sada) cujo

valor de pico exceda o valor mximo de tenso do sistema dividido por

3, ou entre condutores

de fase cujo pico exceda o valor mais elevado da tenso do sistema.

3.1.1.17 Classificao de sobretenses

De acordo com a sua forma e durao, tenses e sobretenses podem classificar-se como:

Tenso frequncia industrialTenso que se considera apresentar um valor eficaz constante, e que continuamente aplicada

a qualquer par de terminais de uma configurao de isolamento.


Sobretenso temporria TOVSobretenso frequncia industrial de relativa longa durao.

Sobretenso transitriaSobretenso de curta durao, normalmente de alguns milissegundos, oscilatria ou no, usu-

almente bastante amortecida.

Sobretenso de frente lenta SFOSobretenso transitria, normalmente unidirecional, com um tempo at ao pico (time to peak)

de 20s < Tp < 5000s, e uma durao de cauda de T2 < 20ms.

Sobretenso de frente rpida FFOSobretenso transitria, normalmente unidirecional, com um tempo at ao pico (time to peak)

de 0,1s < Tp < 20s, e uma durao de cauda de T2 < 300s.

Sobretenso de frente muito rpida VFFOSobretenso transitria, normalmente unidirecional, com um tempo at ao pico (time to peak)

de Tp < 0,1s, e com ou sem uma oscilao sobreposta de frequncia 30kHz < f < 100MHz.

Sobretenses combinadasConsiste em duas componentes de tenso aplicadas simultaneamente entre cada par de ter-

minais de um isolamento fase-fase, ou longitudinal (entrada-sada), e a terra. classificada pela

componente de maior valor de pico (temporria, frente lenta, frente rpida ou frente muito rpida).

3.1.1.18 Tenses de ensaio normalizadas

Tenso frequncia industrial de curta durao normalizada

Tenso sinusoidal com frequncia entre 48 Hz e 62 Hz, e durao de 60 s;

Impulso de manobra normalizado;

Impulso de tenso com um tempo de frente de 250 s e um tempo de meio-valor (quando acauda atinge 50% do valor de pico) de 2500 s.

Impulso de descarga atmosfrica normalizadoImpulso de tenso com um tempo de frente de 1,2 s e um tempo de meio-valor de 50 s.

Impulso de manobra combinado normalizadoPara isolamento fase-fase, um impulso de tenso combinado contendo duas componentes de

igual valor de pico e polaridade oposta. A componente positiva o Impulso de manobra nor-

malizado, e a negativa um impulso de manobra cujos tempos at ao pico e de meio-valor no

so inferiores aos da componente positiva. Ambos os impulsos devem atingir o pico no mesmo


instante. Assim, o valor de pico da tenso combinada a soma dos valores de pico das duas

componentes.

Tenso combinada normalizadaPara isolamento longitudinal (entrada-sada), uma tenso combinada em que num dos termi-

nais aplicado um impulso normalizado e no outro a tenso frequncia industrial. O impulso

aplicado no instante de pico da tenso frequncia industrial de polaridade oposta.

3.1.1.19 Sobretenses representativas Urp

Sobretenso que se assume ter o mesmo efeito dieltrico no isolamento que uma sobretenso

de uma dada classe que ocorre em servio de diversas origens; Consistem em tenses com forma

padro de uma classe, e pode ser definida por um valor ou conjunto deles, ou distribuio de

ocorrncia de valores que caracteriza as condies de servio.

3.1.1.20 Limitador de sobretenses

Equipamento que limita o valor de pico das sobretenses e/ou a sua durao. So classificados

como dispositivos preventivos (resistncias de pr-insero), ou como dispositivos de proteo

(DST);

3.1.1.21 Nvel de proteo contra impulsos

Valor mximo de pico de tenso permitido aos terminais de um dispositivo de proteo sujeito

a impulso de manobra ou descarga atmosfrica sobre determinadas condies.

3.1.1.22 Critrio de desempenho (performance)

Base sobre a qual o isolamento selecionado de modo a reduzir, econmica e operacional-

mente, a nveis aceitveis a probabilidade de a solicitao causado pela tenso resultar em danos

no equipamento ou afetar a continuidade de servio. Este critrio expresso por um rcio aceitvel

de falhas (por ano, anos entre falhas, etc.) da configurao do isolamento.

3.1.1.23 Tenso suportvel

Valor de tenso aplicada sobre determinadas condies num ensaio de tenso suportvel, du-

rante o qual um determinado nmero de contornamentos (disruptive discharge) tolerado. A

tenso suportvel (withstand voltage) designada como:

Convencional, quando o nmero de contornamentos tolerado zero. Considera-se umaprobabilidade de no contornamento de PW = 100%;

Estatstica, quando o nmero de contornamentos est associado a uma probabilidade de nocontornamento de PW = 90%;


3.1.1.24 Tenso suportvel de coordenao Ucw

Para cada classe de tenso, valor suportvel da configurao de isolamento que, em servio,

garante o critrio de desempenho.

3.1.1.25 Fator de coordenao Kc

Valor pelo qual a sobretenso representativa multiplicada para obter a tenso suportvel de

coordenao;

3.1.1.26 Condies atmosfricas de referncia

Condies atmosfricas, nas quais as tenses suportveis normalizadas so aplicadas.

3.1.1.27 Tenso suportvel requerida Urw

Tenso de ensaio que o isolamento deve suportar num ensaio de tenso suportvel para as-

segurar que o isolamento garante o critrio de desempenho quando sujeito a uma dada classe de

sobretenses em condies de servio e durante todo o perodo de servio. A tenso suportvel re-

querida tem a mesma forma da tenso suportvel de coordenao, e especificada com referncia

a todas as condies do teste de tenso suportvel selecionadas para a verificar.

3.1.1.28 Fator de correo atmosfrica Kt

Fator a ser aplicado tenso suportvel de coordenamento para compensar a diferena na

rigidez dieltrica entre as condies atmosfricas mdias em servio e as condies atmosfricas

de referncia padro. Aplica-se apenas para isolamento externo.

3.1.1.29 Fator de correo de altitude Ka

Fator a ser aplicado tenso suportvel de coordenao para compensar a diferena na rigidez

dieltrica entre a presso mdia correspondente altitude em servio e a presso de referncia

padro.

3.1.1.30 Fator de segurana Ks

Fator a ser aplicado tenso suportvel de coordenamento, aps a aplicao do fator de cor-

reo atmosfrico (se necessrio), para obter a tenso suportvel requerida, compensando todas

as diferenas na rigidez dieltrica entre condies de servio durante o perodo de vida e aquelas

encontradas no ensaio de tenso suportvel normalizado.

3.1.1.31 Tenso suportvel de um equipamento ou configurao de isolamento Uaw

Valor mais elevado da tenso de ensaio aplicvel a um equipamento ou configurao de isola-

mento num ensaio de tenso suportvel comum.


3.1.1.32 Fator de converso de ensaio Ktc

Para um determinado equipamento ou configurao de isolamento, o fator a ser aplicado

tenso suportvel requerida de uma determinada classe, no caso de a forma suportvel normalizada

da tenso suportvel selecionada para o ensaio ser de uma classe diferente.

3.1.1.33 Tenso suportvel estipulada

Valor da tenso de ensaio, aplicado num ensaio de tenso suportvel que prova que o isola-

mento cumpre com uma ou mais tenses suportveis requeridas. o valor estipulado de isola-

mento de um equipamento.

3.1.1.34 Tenso suportvel estipulada normalizada Uw

Valor normalizado da tenso suportvel estipulada (3.1.2.6 e 3.1.2.7).

3.1.1.35 Nvel de isolamento estipulado

Conjunto de tenses suportveis que caracterizam a rigidez dieltrica do isolamento.

3.1.1.36 Nvel de isolamento normalizado

Conjunto de tenses suportveis estipuladas normalizadas que esto associadas a Um.

3.1.1.37 Ensaio de Tenso suportvel normalizada

Ensaio dieltrico realizado em condies especficas para provar que o isolamento cumpre

com a tenso suportvel estipulada normalizada.

3.1.2 Procedimento para coordenao de isolamento

3.1.2.1 Viso geral e procedimento

O procedimento para a coordenao de isolamentos consiste na seleo da tenso mais ele-

vada para o equipamento juntamente com a um correspondente conjunto de tenses suportveis

estipuladas normalizadas que caracterizam o isolamento do equipamento necessrio aplicao.

A figura 3.1 apresenta o procedimento para a coordenao de isolamento. As tenses suport-

veis estipuladas devem ser selecionadas do conjunto apresentado nos pontos 3.1.2.6 e 3.1.2.7. O

conjunto de tenses normalizadas selecionadas constitui o nvel de isolamento estipulado.

3.1.2.2 Determinao das tenses e sobretenses representativas Urp

As tenses e sobretenses que provocam solicitaes dieltricas no isolamento devem ser de-

terminadas em amplitude, forma e durao por meio de anlise do sistema, que inclui a seleo e


Figura 3.1: Procedimento para coordenao de isolamento [12]


localizao dos dispositivos de proteo de sobretenses. Para cada classe de tenses e sobreten-

ses, a anlise deve determinar a tenso e sobretenso representativa, considerando as caracters-

ticas do isolamento, atendendo aos diferentes comportamentos relativamente s formas de tenso

e sobretenso do sistema assim como s formas de tenso normalizadas aplicadas nos ensaios de

tenso suportvel, conforme apresentado na figura 3.2.

Figura 3.2: Tenses e sobretenses representativas [12]

3.1.2.3 Determinao de tenso suportvel de coordenao Ucw

A sua determinao consiste na seleo do mais baixo valor de tenso suportvel do isolamento

que garante o critrio de desempenho, quando sujeito sobretenso representativa sobre condies

de servio.

Tem a mesma forma da sobretenso representativa, e obtido multiplicando a ltima pelo

fator de coordenao. Este depende da preciso da avaliao das sobretenses representativas e na

avaliao da distribuio das mesmas.


A tenso suportvel de coordenao pode ser considerada convencional ou estatstica, depen-

dendo do tipo de mtodo utilizado (ver seco 3.2.2.3).

3.1.2.4 Determinao da tenso suportvel requerida Urw

Consiste na converso da tenso suportvel de coordenao para as condies de ensaio nor-

malizadas apropriadas. Isto cumprido multiplicando a tenso suportvel de coordenao por

fatores que compensam as diferenas entre condies de servio do isolamento e as dos ensaios

de tenso suportvel normalizados.

Os fatores a aplicar devem compensar condies atmosfricas, Kt , e mais uma srie de efeitos

unidos num fator de segurana, Ks. Os efeitos considerados pelo fator de segurana Ks so:

Diferenas na assemblagem do equipamento;

Disperso na qualidade dos produtos;

Qualidade da instalao;

Envelhecimento do isolamento durante o seu perodo de vida expectvel;

Outras influncias.

Se estes efeitos no puderem ser avaliados individualmente, um fator de segurana global,

derivado da experincia deve ser utilizado (ver seco 3.2.3.3).

O fator de correo atmosfrica Kt aplicado apenas para isolamento exterior, e o fator de

correo de altitude, Ka que considera apenas a presso mdia do ar relativamente altitude, deve

ser aplicado qualquer que seja a altitude.

3.1.2.5 Seleo do nvel de isolamento estipulado

Consiste na seleo do conjunto mais econmico de tenses suportveis estipuladas normali-

zadas (Uw) do isolamento, suficiente para provar que todas as tenses suportveis requeridas so

satisfeitas.

A seleo da tenso mais elevada para o equipamento o prximo valor normalizado de Ume deve ser igual ou maior que a tenso mais elevada para o sistema na qual o equipamento se

enquadra. Para equipamento a ser instalado sobre condies ambientais normais relevantes a este,

Um deve ser pelo menos igual a Us. Para equipamento a ser instalado fora das condies ambientais

normais relevantes a este, Um deve ser maior do que o prximo valor normalizado de Um igual ou

maior do que Us de acordo com as necessidades especiais envolvidas.

O valor da tenso suportvel requerida selecionado a partir da lista de tenses suportveis

especificadas normalizadas apresentadas em 3.1.2.6 e 3.1.2.7, como o prximo valor igual ou

maior que: a tenso suportvel requerida no caso de ter a mesma forma; a tenso suportvel

requerida multiplicada por um fator de converso.


Para equipamento a ser usado em condies ambientais normais, o nvel de isolamento estipu-

lado deve, preferencialmente, ser selecionado a partir da tabela 3.1 e tabela 3.2, correspondendo

s tenses mais elevadas aplicadas aos equipamentos.

3.1.2.6 Lista de tenses suportveis de curta durao frequncia industrial estipuladasnormalizadas

Os valores eficazes listados, expressos em kV, so valores normalizados de tenses suport-

veis: 10, 20, 28, 38, 50, 70, 95, 115, 140, 185, 230, 275, 325, 360, 395, 460. Os valores eficazes

listados, expressos em kV, so valores recomendados de tenses suportveis: 510, 570, 630,680.

3.1.2.7 Lista de tenses de impulso suportveis estipuladas normalizadas

Os valores listados representam valores de pico, expressos em kV: 20, 40, 60, 75, 95, 125,

145, 170, 200, 250, 325, 380, 450, 550, 650, 750, 850, 950, 1050, 1175, 1300, 1425, 1550, 1675,

1800, 1950, 2100, 2250, 2400.

3.1.2.8 Gama de tenses mais elevadas para o equipamento

As tenses mais elevadas para o equipamento so divididas em duas gamas de valores: Gama

I: Entre 1kV e 245kV inclusive (figura 3.1). Esta gama cobre tanto sistemas de distribuio como

de transmisso. Os diferentes aspetos de operao devem ser tidos em considerao na seleo do

nvel de isolamento estipulado para o equipamento.

Gama II: Acima de 245kV (figura 3.2). Esta gama cobre, essencialmente, sistemas de trans-

misso.

3.1.2.9 Condies ambientais

As condies atmosfricas normais, com base nas quais as tenses suportveis podem ser

seleccionadas a partir das tabelas 3.1 e 3.2 da presente norma so as seguintes:

A temperatura do ar no excede os 40C, e o seu valor mdio num perodo de 24h no excedaos 35C. As temperaturas mnimas no devem ser menores que: -10C, -25C e -40Cconforme as classes -10C exterior, -25C exterior,-40C exterior respectivamente;

A altitude no exceda os 1000 m acima do nvel do mar;

A poluio no exceda o nvel de poluio mdio, de acordo com a tabela 3.3;

A presena de chuva ou condensao comum.

As condies atmosfricas de referncia para as quais as tenses suportveis normalizadas se

aplicam so:

Temperatura: to = 20C


Tabela 3.1: Nveis de isolamento normalizado para gama I [12].


Tabela 3.2: Nveis de isolamento normalizado para gama II [12].


Tabela 3.3: Distncias de linha de fuga recomendadas de acordo com o nvel de poluio do local[11]


Presso: bo = 101,3 kPa (1013 mbar)

Humidade absoluta: ho = 11 g/m3

3.1.2.10 Seleo do nvel de isolamento normalizado

As tenses suportveis estipuladas normalizadas esto associadas com as tenses mais eleva-

das para o equipamento de acordo com a tabela 3.1 para a gama I e tabela 3.2 para a gama II.

Estas tenses suportveis so vlidas para condies ambientais normais e so ajustadas para as

condies atmosfricas de referncia normalizadas.

As associaes obtidas entre as tenses suportveis de todas as colunas, sem cruzar as linhas

horizontais, so definidas como nveis de isolamento normalizado.

Para isolamento fase-fase e longitudinal, as seguintes associaes so normalizadas:

Para isolamento fase-fase, na gama I, as tenses suportveis frequncia industrial de curtadurao e de impulso por descarga atmosfrica so iguais s tenses suportveis fase-terra.

Para isolamento fase-fase, na gama II, as tenses suportveis a impulso de descargas atmos-fricas so iguais a tenses suportveis fase-terra.

Para isolamento longitudinal, na gama I, as tenses suportveis de curta durao frequn-cia industrial e a impulsos de descarga atmosfrica so iguais s fase-terra relativas.

Para isolamento longitudinal, na gama II, a componente de impulso de manobra da tensosuportvel combinada dado na tabela 3.2, enquanto o valor de pico da componente

frequncia industrial de polaridade oposta Um

2/

3.

Para isolamento longitudinal na gama II, a componente de impulso a descargas atmosfricasda tenso suportvel combinada igual tenso suportvel fase-terra relativa, enquanto o

valor de pico da componente frequncia industrial de polaridade oposta 0,7Um2/

3.

Para a maioria das tenses mais elevadas para o equipamento esto previstas mais do que

uma combinao, permitindo desta forma a aplicao a diferentes critrios de desempenho. So

necessrias apenas combinaes de duas tenses suportveis para definir o nvel de isolamento do

equipamento.

Para equipamento na gama I: a tenso suportvel a impulso de origem atmosfrica; a ten-

so suportvel de curta-durao frequncia industrial. Para equipamento na gama II: a tenso

suportvel a impulso de origem atmosfrica; a tenso suportvel a impulso de manobra.

Se tcnica e economicamente se justificar, outras associaes podem ser adotadas. Em todo

o caso, as recomendaes sugeridas de 3.1.2.1 a 3.1.2.8 devem ser seguidas. O conjunto de ten-

ses suportveis estipuladas normalizadas resultante deve ser denominado por nvel de isolamento

estipulado.


Por exemplo, para isolamento exterior, para nveis elevados de Um na gama I, pode tornar-se

mais econmico especificar uma tenso suportvel a impulso de manobra em vez de uma de curta

durao frequncia industrial.

3.1.2.11 Nveis de isolamento

A seleo do nvel de isolamento normalizado deve basear-se no procedimento descrito pela

publicao IEC 60071-2 e deve considerar as caractersticas de isolamento de determinado equi-

pamento.

Na gama I, a tenso suportvel de curtas durao frequncia industrial ou a impulsos de des-

cargas atmosfricas deve cobrir as tenses suportveis requeridas fase-terra e fase-fase a impulsos

de manobra, assim como a tenso suportvel requerida longitudinal.

Na gama II, a tenso suportvel a impulso de manobra deve cobrir a tenso suportvel de curta

durao frequncia industrial requerida se nenhum valor for especificado pelo fabricante. Uma

vez que os ensaios reproduzidos em laboratrio no permitem simular exatamente as solicitaes

dieltricas em servio, as tenses suportveis requeridas devem ser convertidas, por meio de um

fator, para as formas de onda cujas tenses suportveis estipuladas normalizadas so especificadas.

3.1.3 Distncias no ar para assegurar uma determinada tenso suportvel a impul-sos de uma instalao

3.1.3.1 Generalidades

Em instalaes completas, como por exemplo, uma subestao, que no pode ser testada como

um todo, necessrio assegurar que a rigidez dieltrica suficie

coodernacao de isolamento em subestacoes universidade do porto

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