relatÓrio tÉcnico - cientÍfico período: março/2015 a ... · os geradores de impulso de tensão...
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ
PRÓ-REITORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO
DIRETORIA DE PESQUISA
PROGRAMA INSTITUCIONAL DE BOLSAS DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA – PIBIC: CNPq, CNPq/AF, UFPA,
UFPA/AF, PIBIC/INTERIOR, PARD, PIAD, PIBIT, PADRC E FAPESPA
RELATÓRIO TÉCNICO - CIENTÍFICO
Período: Março/2015 a Agosto/2015
( ) PARCIAL
(X) FINAL
IDENTIFICAÇÃO DO PROJETO
Título do Projeto de Pesquisa (ao qual está vinculado o Plano de Trabalho): Montagem do Laboratório de Alta e Extra Alta Tensão da Universidade Federal do Pará.
Nome do Orientador: Marcus Vinicius Alves Nunes
Titulação do Orientador: Doutor
Faculdade: Faculdade de Engenharia Elétrica
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Instituto/Núcleo: Instituto de Tecnologia
Laboratório: Laboratório de Alta e Extra Alta Tensão da UFPA
Título do Plano de Trabalho: Montagem e Ensaios de Geradores de Impulso Atmosférico (de Tensão) no Laboratório de Extra Alta Tensão (LEAT) da UFPA. Nome do Bolsista: Denise Ferreira da Silva Luz.
Tipo de Bolsa: ( ) PIBIC/ CNPq
( ) PIBIC/CNPq – AF
( )PIBIC /CNPq- Cota do pesquisador
(X) PIBIC/UFPA
( ) PIBIC/UFPA – AF
( ) PIBIC/ INTERIOR
( )PIBIC/PARD
( ) PIBIC/PADRC
( ) PIBIC/FAPESPA
( ) PIBIC/ PIAD
( ) PIBIC/PIBIT
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INTRODUÇÃO
O desenvolvimento econômico e social do mundo tem demandado mais energia elétrica a
qual tem sido transportada por longas distâncias e em grandes quantidades. Para transportar
grandes quantidades de energia se faz necessário o uso da extra alta tensão. Os Laboratórios
de extra alta tensão são requisitos essenciais para se fazer testes de aceitação em
equipamentos que irão operar com elevadas tensões[1].
Os Geradores de Impulso de Tensão são utilizados em laboratórios de extra alta tensão
para verificar as condições de suportabilidade dos equipamentos elétricos como
transformadores, cabos de alta tensão, isoladores, disjuntores e etc. quando submetidos a
esforços dielétricos. Também são necessários na pesquisa e desenvolvimento de novos
equipamentos elétricos e materiais isolantes, além de estudar os fenômenos associados às altas
tensões[2]. O Gerador de impulso de Tensão simula sobretensões de origem interna que
ocorrem devido a operações de manobra em equipamentos de alta tensão e de origem externa
que seriam as descargas atmosféricas no qual os equipamentos estão submetidos com formas
de onda completa ou cortada de acordo com os padrões internacionais.
As sobretensões de origem externa possuem amplitudes que podem atingir alguns MV.
Ao atingir o sistema a corrente da descarga atmosférica se propaga dividindo-se em duas ondas
de sentidos opostos. O impulso que faz sua avaliação é denominado impulso atmosférico. Já os
surtos de manobra de origem interna são relacionados com o nível de tensão do sistema elétrico
e sua forma de onda é aproximadamente definida pelas impedâncias do sistema. Sua taxa de
crescimento é menor mas devido às energias envolvidas esta pode ser mais perigosa aos
isolamentos elétricos. O impulso que faz sua avaliação é o impulso de manobra[3].
De acordo com a IEC 60060-1 a forma de onda padrão para impulso atmosférico é de 1,2
µs / 50 µs, com uma tolerância de ± 30% para o tempo de frente e ± 20% para o tempo de
cauda. Na figura 1, tem-se a forma de onda do impulso atmosférico:
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Figura 1 - Impulso Atmosférico
Fonte: [1]
Já para o impulso de manobra a forma de onda padronizada é de 250 µs / 2500µs e a
tolerância permitida é de ± 20% para o tempo de frente e ± 30% para o tempo de cauda. Na
figura 2 pode-se ver a forma de onda do impulso de manobra:
Figura 2 - Impulso de Manobra
Fonte: [2].
Nas atividades comuns dos Laboratórios de Alta tensão, os ensaios de equipamentos
elétricos são realizados com a montagem do equipamento que será testado, ajuste do gerador
de impulso de acordo com os resistores que serão utilizados através dos estágios, calibração da
forma de onda e aplicação do impulso de tensão no equipamento elétrico através do sistema de
controle.
O Laboratório de Extra Alta Tensão da UFPA (LEAT) iniciou suas atividades de
montagem do Gerador de Impulso de Tensão juntamente com seus equipamentos auxiliares no
dia 03 de Julho de 2015 e seu término ocorreu no dia 14 de julho de 2015. Após a montagem
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ocorreu o processo de comissionamento para verificar suas condições de uso. O processo de
montagem e comissionamento durou aproximadamente 23 dias chegando à sua conclusão no
dia 30 de julho de 2015. Todos os procedimentos foram realizados pela equipe especializada da
HAEFELY que é a fabricante do equipamento e com o acompanhamento de todos os
responsáveis pelo laboratório. A descrição e especificações dos equipamentos são detalhados
adiante.
Será mostrado o processo de montagem e comissionamento do Gerador de Impulso de
Tensão assim como do Divisor de Tensão e o Chopping Gap que fazem parte dos ensaios em
equipamentos de alta tensão.
JUSTIFICATIVA
O uso de tensões elevadas é empregado no sistema elétrico, quando deseja-se transmitir
grandes potências do gerador ao consumidor. Tal técnica se justifica pela redução das perdas
na transmissão por efeito Joule, devido a redução da corrente que flui através dos condutores
metálicos. Entretanto outros problemas surgem com a utilização de tensões elevadas e dentre
eles destacam-se fenômenos transitórios conhecidos como sobretensões que fazem com que a
tensão alcance valores muito elevados, exigindo da isolação dos equipamentos do sistema
elétrico suportabilidade a tensões muito mais altas do que as de operação. Sendo que uma das
principais causas de sobretensões é a incidência direta ou indireta de descargas atmosféricas
em linhas de transmissão, ou em equipamentos, onde apesar da sua curta duração, têm
magnitudes muito altas, podendo provocar arcos e até destruir a isolação da linha, quando não
se utiliza proteção adequada (devidamente dimensionada).
Esses equipamentos são, em muitos casos, essenciais dentro do processo de
transmissão de energia elétrica e por esse motivo merecem especial atenção de fabricantes,
técnicos e pesquisadores a respeito do seu bom funcionamento e, consequentemente, sua
disponibilidade, já que sua parada imprevista pode acarretar em grandes perdas financeiras.
Dada a alta incidência de raios na região amazônica e a importância que a região tem na
geração e transmissão de energia elétrica brasileira, é essencial que os equipamentos utilizados
nos empreendimentos atuais e futuros da região tenham isolação adequada, de acordo com as
especificações normativas nacionais e internacionais. O Laboratório de Extra Alta Tensão da
UFPA se apresentará nesse contexto para o suprimento dessa necessidade, trazendo atrativos
financeiros pela localização próxima aos grandes empreendimentos elétricos regionais,
comparativamente aos outros laboratórios de alta tensão do país que muitas vezes encontram-
se distantes dos grandes sistemas de transmissão de energia elétrica. Além do serviço ao setor
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energético brasileiro, a instalação desse laboratório possibilita para a região norte a pesquisa,
desenvolvimento, a inovação e a formação de pessoal capacitado na área de alta tensão.
OBJETIVOS
a) Formação de mão-de obra (pesquisadores) na área de alta tensão com foco em Geradores de
Impulso Atmosféricos.
b) Consolidação do LEAT na prestação dos serviços relacionados a comissionamento e outros
ensaios em equipamentos de alta tensão no mercado de energia regional.
c) Para atingir os objetivos principais destacados, é necessário o domínio das técnicas de
ensaios com o gerador de impulso atmosférico de tensão, de acordo com as metas específicas:
Elaboração de instrução técnica para a montagem do gerador de impulso atmosférico de
tensão, para que a adequação às normas possa ser realizada pelos próprios membros do
laboratório, aumentando a autonomia da utilização do gerador no LEAT_ UFPA.
Elaboração de instrução técnica para ensaios de tensão suportável na isolação de
equipamentos de alta tensão para a padronização e adequação ás normas vigentes.
MATERIAIS E MÉTODOS
O presente projeto será executado segundo a seguinte metodologia e cronograma,
baseado em elaboração de instrução técnicas de montagem de geradores e de testes de
impulso atmosférico de tensão:
Revisão Bibliográfica: onde será elaborada e discutida de forma resumida uma lista de
publicações relacionadas com o tema da pesquisa;
Estudo dos fenômenos de sobretensões atmosféricas, dos circuitos geradores de tensão
e impulsivas;
Acompanhamento da montagem e comissionamento do Gerador de Impulso Atmosférico
de Tensão do LEAT e elaboração de instrução técnica de montagem;
Estudo de materiais dielétricos aplicados na engenharia elétrica submetidos a altas
tensões e testes de suportabilidade a elevados níveis de tensão;
Elaboração de instruções técnicas para ensaios de tensão suportável, baseada nas
normas vigentes, e estudo de caso para ensaio em isolação escolhida, ensaios e testes
em dielétricos.
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RESULTADOS
1. DESCRIÇÃO DO GERADOR DE IMPULSO DE TENSÂO E MONTAGEM
O Gerador de Impulso de Tensão do Laboratório de Extra Alta Tensão da UFPA se baseia
no circuito multiplicador de Marx. Ele possui uma tensão máxima de 3600KV e máxima energia
de 540KJ e foi projetado para fornecer uma tensão de 200KV por estágio e energias de 10KJ,
15KJ, 20KJ e 30KJ no topo. Desta forma, pode-se alcançar altos níveis de tensões assim como
armazenar grandes energias.
O princípio de funcionamento do circuito de MARX consiste em carregar os capacitores
Cs de todos os estágios em paralelo através de uma fonte de corrente contínua usualmente com
tensão alta, e, terminado o período de carga, a energia armazenada no gerador de impulso é
descarregada no terminal de alta tensão do objeto sob ensaio, pela disrupção intencional das
esferas de centelhamento SG, conectando assim todos os estágios em série. A tensão máxima
a ser aplicada ao objeto sob ensaio será, então, a soma das tensões de cargas armazenadas
nos estágios individuais[2]. A figura abaixo mostra o esquemático do gerador de impulso com
base no circuito MARX.
Figura 1.1 - Gerador de impulso de MARX.
Fonte: [2].
O Gerador de Impulso de Tensão da HAEFELY modelo SGVA 3600-540 foi construído em
estágios. Sua base tem formato de retângulo e esta é feita de aço a qual também suporta o
retificador de carga. Ainda na base, encontra-se o sistema de segurança de aterramento que
curta e aterra todos os capacitores de impulso além do sistema de colchões de ar para fazer a
movimentação da estrutura no laboratório. O Gerador consiste em três colunas de isolamento
sendo que em cada estágio dois capacitores de alta tensão estão dispostos em um formato
triangular. Todas as esferas de centelhamento estão localizadas em uma estrutura cilíndrica
vertical tipo chaminé próximos às colunas de isolamento e desempenham o papel de colocar em
série os estágios, previamente carregados em paralelo de modo a descarregar sobre o objeto a
ser ensaiado um impulso de tensão de elevada magnitude.
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Os resistores de frente (em série) que formam o impulso de frente da onda e os resistores
de cauda (em paralelo) que formam a cauda são colocados em um conector em formato de
colchete e estão localizados entre as esferas de centelhamento e os capacitores de impulso. O
formato desses conectores facilita a troca dos resistores em situações onde se deseja ajustar por
exemplo a forma do impulso. Além dos resistores de frente e de cauda, o gerador também possui
os resistores de carga e os resistores de potencial com funções específicas que serão citadas.
No interior do Gerador de impulso encontra-se uma escada vertical até seu topo feita de
material isolante que permite alcançar as plataformas dos estágios, e a cada três estágios existe
uma plataforma ajustável. Esse formato facilita o trabalho e dá mais segurança na hora da
locomoção em seu interior.
O sistema de teste é constituído pelos equipamentos principais e os equipamentos
auxiliares de medições do valor de pico ou análise da forma de onda. Os equipamentos principais
são o retificador de energização, o gerador de impulso, o sistema de controle e o divisor de
tensão e os componentes auxiliares são o resistor de derivação Shunt, o chopping gap, sistemas
de medição para a análise da forma de onda do impulso e circuito de teste do transformador
chamado circuito glaninger. As figuras abaixo mostram o processo de montagem do gerador de
impulso de tensão no LEAT (Laboratório de Extra Alta Tensão) da UFPA.
.
Fonte: Do autor Fonte: Do autor
Figura 1.2 - Processo de montagem do retificador na base. Figura 1.3 - Montagem dos estágios do gerador.
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Fonte: Do autor Fonte: Do autor
O sistema de teste de impulso é projetado para funcionar de forma ideal com uma certa
indutância no circuito. Esta indutância é dada pela altura do equipamento e a distância entre o
gerador de impulso e o objeto de teste. Por isso é necessário um layout das disposições dos
equipamentos no laboratório para evitar o aumento da indutância. O layout utilizado no
laboratório da UFPA foi o recomendado pela HAEFELY.
Figura 1.4 - Montagem dos eletrodos de topo. Figura 1.5 - Gerador de impulso de tensão.
Figura 1.6 - Sistemas dos colchões de ar. Figura 1.7 - Escada interna do gerador.
Fonte: Do autor Fonte: Do autor
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2. COMPONENTES DO GERADOR DE IMPULSO E ESPECIFICAÇÔES TÉCNICAS
2.1 CAPACITORES DE IMPULSO
Os capacitores de impulso são os responsáveis efetivos pela tensão do gerador de
impulso, eles possuem capacidade de se carregar rapidamente e descarregar toda carga nele
armazenada por ocasião do disparo do gerador de impulso[3]. Possuem baixa indutância e alta
confiabilidade são formados por elementos planos impregnados em óleo de rícino ligados em
série e em paralelo e fechados em um tanque soldado feito de chapa de aço. Junto a uma boa
constante dielétrica, o óleo de rícino oferece completa biodegradabilidade e é, portanto,
absolutamente aprovado do ponto de vista ambiental. Sua tensão de armazenamento é de
100KV e capacitância de 3µF.
Figura 2.1.1 - Vista lateral de um dos capacitores de impulso.
Fonte: Do autor
2.2 RESISTORES DE FORMA DE ONDA
Os resistores de frente e de cauda são constituídos por duplo fio onde dois fios em
paralelo são enrolados em um tubo suporte em direções opostas com o mesmo número de
espiras. Esta disposição tem finalidade de diminuir a indutância[3]. O resistor série também
conhecido como resistor de frente é responsável pela formação da frente da onda do impulso e o
resistor paralelo também conhecido como resistor de cauda é responsável pela formação da
cauda da onda do impulso. Nas figuras abaixo tem-se os resistores de serie e paralelo.
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.
Fonte: Do autor
Para variar o tempo de frente do impulso de acordo com o ensaio realizado, deve-se
variar os resistores série e para variar o tempo de cauda do impulso varia-se os resistores
paralelos. As figuras abaixo mostram como a forma de onda varia com as mudanças dos
resistores.
Figura 2.2.1 - Resistor paralelo.
Figura 2.2.2 - Resistor serie.
Fonte: Do autor
12
Fonte:[3]
Fonte: [3].
2.3 ESFERAS DE CENTELHAMENTO
As esferas de centelhamento de cobre possuem 250mm de diâmetro Todas estão
localizadas em uma estrutura cilíndrica isolante tipo chaminé a qual evita poeira e reduz o nível
audível da descarga produzida durante o disparo do gerador. Uma das esferas de cada estágio,
é rigidamente ligado a uma pilha enquanto a outra é horizontalmente ajustada por um
mecanismo. Uma haste vertical é usada para ajustar todas as esferas de uma só vez. No
primeiro estágio tem-se um eletrodo de gatilho, o qual permite o controle de disparo do primeiro
estágio e assim todo o gerador de impulso.
Figura 2.2.3 - Variação do resistor serie.
Figura 2.2.4 - Variação do resistor paralelo.
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2.4 RESISTORES DE CARGA
Os resistores de carga têm por função, limitar a corrente de carga, proteger o retificador e
intercalar uma resistência elevada entre os estágios durante a descarga do gerador. Para
desempenhar tais funções estes devem possuir uma constante de tempo (TL=RL Cs) que seja
superior a constante de tempo do circuito[3]. As figuras abaixo mostram os resistores de carga
montados no circuito.
Figura 2.4.1 - Resistores de carga. Figura 2.4.2 - Resistor de carga.
Figura 2.3.1 Esferas de Centelhamento.
Fonte: Do autor
Fonte: Do autor
Fonte: Do autor
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2.5 RESISTORES DE POTENCIAL
Os resistores de potencial têm por função aterrar a carcaça do capacitor de impulso e
auxiliar no controle da distribuição de potencial durante o carregamento dos estágios. Possuem
elevada resistência[3].
Figura 2.5.1 - Resistor potencial
Fonte: Do autor
2.6 CAPACITORES DE VERIFICAÇÃO DE IMPULSO
É um divisor capacitivo conectado no primeiro estágio que detecta o disparo do gerador de
impulso e relata esse acontecimento ao sistema de controle o qual usa essas informações para
detectar o auto disparo ou não.
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Figura 2.6.1 - Capacitor de verificação de impulso
Fonte: Do autor
2.7 INTERRUPTORES DE ATERRAMENTO E RESISTORES DE
DESCARGA.
Dois interruptores de aterramento de atuação magnética, estão localizados na estrutura
da base. Eles são acionados quando a alta tensão está ligada; quando ela desliga, eles aterram
o ponto de injeção da tensão de carga DC e do potencial centro entre os dois capacitores de
cada estágio. Em seguida, o gerador de impulso de tensão descarrega-se através dos resistores
de descarga que são colocados em série com os interruptores de aterramento. Os interruptores
de aterramento são fechados por meio de molas, de modo a garantir a descarga do gerador
mesmo em caso de uma falha.
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Figura 2.7.1 - Interruptor de aterramento.
Fonte: Do autor
2.8 SISTEMA DE ATERRAMENTO DE SEGURANÇA
Além dos dois interruptores de atuação magnética, o gerador de impulso de tensão tem
um dispositivo de aterramento que descarrega todos os capacitores de impulso assim que o
gerador é desativado. Quando o circuito de segurança é fechado e os interruptores de
emergência não estão atuando, o dispositivo de aterramento de segurança é executado
automaticamente para a posição de não curtado e o gerador está pronto para operação. Quando
o circuito de segurança é aberto ou os interruptores de emergência estiverem atuando, o gerador
é descarregado através dos interruptores de aterramento e em seguida o dispositivo de
aterramento automaticamente curta e aterra todos os capacitores. A luz vermelha da base
acende quando o gerador de impulso não está curto-circuitado e a luz apaga quando o gerador é
completamente curto-circuitado.
Figura 2.7.2 - Resistor de descarga.
Figura 2.8.1 - Sistema de aterramento.
Fonte: Do autor
Figura 2.8.2 - Tiras flexíveis de descarga.
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Duas tiras flexíveis metade condutora e metade isolada passa por todos os estágios do
gerador através de um mecanismo motorizado. O sistema de aterramento também possui uma
haste de aterramento de fibra de vidro com um gancho, com comprimento aproximadamente
2,25m equipado com fio terra de 6 mm^2 e comprimento de aproximadamente 10m e para
completar o aterramento tem-se a folha de cobre que aterra a carcaça dos equipamentos com
baixa indutância de 150X0,3mm e aproximadamente 30m comprimento.
2.9 ELETRODOS DE TOPO
O modelo padrão do gerador de impulso de tensão possui um eletrodo simples, na parte
superior, construído como uma placa circular. Este é adequado na maioria dos casos,
especialmente quando o tamanho do laboratório é considerável ou não há necessidade de gerar
tensões elevadas. À princípio, as pré-descargas ocorrem na parte superior do gerador, mesmo
antes de uma descarga; Isso pode ser visto como uma tensão de passo no osciloscópio.
Dependendo da aplicação e do nível de impulso de comutação necessário o gerador pode ser
equipado com um eletrodo de topo toroidal, o qual aumenta a tensão de início de pré-descarga.
Figura 2.8.3 - Haste de aterramento.
Fonte: Do autor.
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2.10 RETIFICADOR DE CARGA
O retificador de carga modelo LGR 200-200 da Haefely é o responsável de fornecer um
valor de tensão em corrente contínua suficiente para carregar os capacitores de impulso. É
composto por um transformador de alta tensão, retificador em ponte de onda completa e de um
reversor de polaridade manual ou automático que pode ser controlada pela unidade de controle.
O carregamento de tensão por estágio é de até 200KV DC com uma corrente de 200mA e a
tensão de entrada para 3 fases e 1 neutro é de 400/230 V±10% tendo uma potência de entrada
de 100KVA, 60Hz. A figura mostra o esquemático do retificador de carga do modelo LGR 200-
200 da Haefely, o qual possui uma resistência de amortecimento R3 de alta tensão que está
integrada a uma válvula e os resistores de medição DC R4 e R5. No o topo do tanque estão
dispostos as engrenagens de inversão de polaridade e o resistor R1 desmagnetização, bem
como a resistência de amortecimento principal R2. A caixa de controle (CCU 104) com o controle
eletrônico e o controlador do tiristor é montado lateralmente.
Figura 2.9.1 – Levantamento dos eletrodos de topo. Figura 2.9.2 – Montagem dos eletrodos de topo.
Figura 2.10.1 - Retificador de carga Figura 2.10.2 - Circuito do retificador
Fonte: Do autor Fonte: [4]
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2.11 DADOS TECNICOS DOS SISTEMAS
Abaixo são mostrados os dados técnicos do gerador de impulso de tensão do laboratório
da UFPA e também do retificador[4].
Tensão de entrada para 3 fases e 1 neutro: 3 400 V±10%;
Frequência de alimentação: 60Hz;
Potência de entrada trifásica com retificador de carga: 100KVA;
Número de estágios: 18;
Máxima tensão de impulso atmosférico: 3600KV;
Energia máxima de impulso atmosférico: 540KJ;
Capacitância de impulso: 83nF;
Altura: 13.4m;
Peso(1000Kg): 14.8.
De acordo com o IEC 60060-1, por estágio tem-se[4]:
Máximo carregamento de tensão para impulso atmosférico: 200KV;
Máximo carregamento de tensão para impulso de manobra: 180KV;
Energia máxima armazenada de impulso atmosférico: 30KJ ± 5%.
3. DESCRIÇÃO FUNCIONAL
O sistema de teste de impulso de tensão opera sob um sistema de controle o qual carrega
o gerador através da unidade de carga e isto é conseguido pelo fato dos estágios estarem
conectados em paralelo através do carregamento dos resistores. Desta forma, o tempo de carga
e a tensão de carga podem ser selecionados na unidade de controle. O diagrama abaixo mostra
as funções básicas do sistema.
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Figura 3.1 - Esquemático do sistema de acionamento de um ensaio de impulso de tensão.
Fonte: [4]
Os capacitores de todos os estágios são conectados em paralelo através dos resistores
de carga por um lado e através de uma rede de resistores de frente e de cauda no outro lado e
eles são carregados com uma tensão DC pré-selecionada através do retificador de carga. A
tensão de carga é medida no retificador de carga e mostrada no sistema de controle. O
carregamento é controlado de acordo com as especificações das funções e depende da seleção
da tensão e do intervalo de impulso. A figura 3.2, representa o circuito de um dos estágios do
gerador, onde Cs representa a capacitância do estágio, SG (“spark gap”) é o centelhador de
disparo do gerador, Rp e Rs são os resistores do tempo de cauda e de frente respectivamente,
Rch representa o resistor de carga equivalente do resistor, Lloop é a indutância do circuito teste
e Cload é a capacitância da carga (objeto sob ensaio+ divisor capacitivo+ capacitâncias
parasitas). O disparo do impulso de tensão ocorre quando através do sistema de controle envia-
se um sinal de disparo de pulso com tensão de aproximadamente 12KV ao amplificador de
disparo localizado na base do gerador e um eletrodo auxiliar inserido na primeira esfera causa
uma faísca. Esse processo faz com que ocorra a diminuição da tensão de ruptura das esferas do
primeiro estágio e inicia-se o centelhamento. E então, por efeitos de capacitâncias parasitas, o
acionamento do primeiro estágio gera sobretensões nos gaps dos estágios sucessivos e o nível
da sobretensão depende dos valores dos resistores de frente e de cauda. Um padrão de
enrolamento especial é utilizado no resistor de cauda para aumentar a sobretensão.
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Figura 3.2 - esquemático de um arranjo para ensaio de impulso de tensão.
Fonte: [4]
4. MODOS DE OPERAÇÃO
O gerador de Impulso de tensão pode ser montado com
quatro conexões diferentes e isso depende do item
sob ensaio e da tensão de ensaio. Geralmente na
configuração serie ele entrega a máxima tensão de
impulso.
4.1 CONFIGURAÇÃO SERIE
O circuito básico com todos os estágios em
série é mostrado na figura. Esse circuito descreve
claramente como o gerador de impulso de tensão do
laboratório da UFPA está montado, onde Cs é o
capacitor de impulso, Rs é o resistor serie, Rp1 e
Rp2 são os resistores paralelos para impulso
atmosférico e para impulso de manobra
respectivamente, RL é o resistor de carga, Rpot é o
resistor potencial, Rerd é o resistor de descarga do
gerador, SF é o centelhador, Es é o interruptor de
aterramento e Cz é o capacitor de disparo
Figura 4.1.1 - Configuração serie
Fonte: [4]
22
4.2 CONFIGURAÇÃO SERIE REDUZIDA
Se a amplitude de impulso necessário for muito menor que a
amplitude máxima do gerador, pode-se adapta-lo a diversas
maneiras. O método mais simples de redução de amplitude é o
de diminuir a tensão de carga. A tensão de carga mínima é
10KV. Isso deixa a capacitância de impulso inalterada. O
segundo método é curtar os estágios desnecessários e elevar a
tensão de carga correspondente, isso também aumenta a
capacitância de impulso. Alguns estágios do gerador são
conectados em serie e usados para produzir tensão e outros são
curto-circuitados. Essa conexão pode ser empregada para
aumentar a capacitância de impulso tendo tensão máxima mas
com energia disponível inferior.
Fonte: [4]
4.3 CONFIGURAÇÃO SERIE-PARALELO
Permite a obtenção da energia total do gerador, mas a tensão de carga será menor que a
empregada na configuração serie. Os estágios são agrupados com todos os estágios de um
grupo menor ligado em paralelo e os grupos maiores ligados em série.
4.4 CONFIGURAÇÃO REDUÇÃO SERIE-PARALELO
Este circuito pode ser empregado quando deseja-se aumentar a capacitância de impulso,
quando a tensão de saída é inferior. Os estágios são agrupados, com todos os estágios de um
grupo em conectados em paralelo e os grupos conectados em série. Os estágios não utilizados
são colocados em curto.
Figura 4.4.1 - Configuração redução-serie
Figura 4.2.1 - Configuração serie reduzida.
Fonte: [4]
Figura 4.3.1 - Configuração serie-paralelo.
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As configurações recomendadas para os diversos ensaios estão inseridas na tabela
abaixo:
Tabela 1. Configurações de conexões.
Serie Serie Reduzida Serie-Paralelo Serie-Paralelo
Reduzido
Impulso Atmosférico, objeto
de teste capacitivo
X
X
Impulso de manobra, com
objeto de teste capacitivo
X X X X
Impulso Atmosférico, objeto
de teste indutivo
X X X X
Impulso de manobra, com
objeto de teste indutivo
X X
5. SELEÇÂO DE RESISTORES
5.1 LIMITES DA FORMA DE IMPULSO
Em ensaios de tensão de impulso atmosférico, a máxima capacitância do objeto sob
ensaio é limitada pelo overshoot. Como a capacitância do objeto sob ensaio aumenta, a
resistência de frente deve ser mantida menor a fim de manter o tempo de subida necessário.
Como resultado, há menos amortecimento de oscilações no circuito de teste. O limite para teste
de acordo com os padrões ocorre quando o tempo de subida atinge o limite superior de
tolerância e o overshoot é de até 5%. Com objetos indutivos sob ensaio o problema é manter os
50% do tempo de queda pois as baixas indutâncias diminuem o tempo de decaimento. Este
efeito pode ser compensado até certo ponto, por uma escolha adequada da resistência de cauda
ou utilizando a configuração serie-paralelo.
5.2 RESISTORES DE FRENTE
Os resistores de frente podem ser selecionados de acordo com a capacitância de carga. A
constante de tempo RsxCbtotal (Onde Rs, resistores de frente e Cbtotal é a capacitância do
objeto sob ensaio) determina o tempo de subida do impulso. A resistência de frente total pode
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ser mantida com o acompanhamento do diagrama de carga ou pode ser aproximadamente
calculada com as seguintes fórmulas onde Cbtotal está em nF e Rs em Ω:
Tensão de Impulso Atmosférico 1,2/50 Rs~500/Cbtotal
Tensão de Impulso Atmosférico 1...5/50 Rs~500...2000/Cbtotal
Tensão de Impulso de Manobra 250/2500 Rs~70/Cbtotal (em KΩ)
Essas tensões representam uma boa aproximação para todos os tipos de testes. Se a
carga é indutiva (por exemplo um transformador), a indutância do objeto sob ensaio não afetará
o impulso de frente. Então os resistores de frente são selecionados de acordo com a carga
capacitiva. As fórmulas determinam o valor da resistência total das quais as resistências dos
estágios individuais podem ser determinadas.
5.3 RESISTORES DE CAUDA
Os resistores de cauda podem ser selecionados de acordo com capacitância de impulso
do gerador de impulso. A constante de tempo RpxCstotal (onde Rp, resistor paralelo e Cstotal é
a capacitância de impulso) determina os 50% do tempo de decaimento do impulso. A
capacitância do objeto sob ensaio possui um pequeno efeito sobre o tempo de decaimento e
assim os geradores de impulso são fornecedores com um único resistor de cauda por forma de
impulso para cargas puramente capacitivas. O tempo de decaimento de 50% pode ser feito
dentro de uma tolerância com os valores de resistência independentemente da forma de
impulso. Em ensaios com cargas indutivas, a indutância do objeto sob ensaio diminui o tempo de
decaimento então para essas aplicações o gerador de impulso pode ser equipado com resistores
de cauda extra. A resistência de cauda total pode ser determinada de acordo com o diagrama de
carga ou calculada aproximadamente com as seguintes fórmulas sendo Rp em Ω, Cstotal em F e
Cbtotal em nF:
Tensão de Impulso Atmosférico 1,2/50, carga capacitiva Rp~68500/Cstotal
Tensão de Impulso Atmosférico 1,2/50, carga indutiva Rp~1/(Cstotal. (1200-Rser/L)
Tensão de Impulso de manobra 250/2500, carga capacitiva Rser~3000/Cbtotal
5.4 DIAGRAMA DE CARGA
O diagrama de carga da figura mostra um exemplo de 10 estágios do gerador, dado o
tempo de frente como parâmetro versus a capacitância de carga com o resistor de frente como o
outro parâmetro. Ele permite selecionar o resistor de frente correto dependendo da capacitância
25
de carga conhecida. Para exemplificar, pode-se escolher uma capacitância de 1nF com o
resistor de configuração número 7, o qual possui todos os estágios com um resistor de frente
interno de 30Ω por estágio, o gerador de impulso gera um impulso atmosférico com tempo de
frente de aproximadamente 1,18µs. Os diagramas de carga para impulso de manobra são
usados do mesmo modo.
É possível montar a configuração do resistor de frente com o mesmo valor de resistência
em todos os estágios ou com configurações mistas em que uma parte dos estágios são
montados com um valor, e os outros com um outro valor de resistência. É importante que ambos
os valores estejam o mais próximo possível.
Figura 5.4.1 - Diagrama de carga
Fonte: [4]
Se o gerador é equipado por exemplo com resistores de frente de 30Ω e 46Ω por estágio,
é possível mistura-los pois existem muitos valores entre eles. Não é permitido fazer uma
configuração de 46+30 Ohms em uma parte e 46//30 Ohms em outra parte do gerador.
6. COMPONENTES DE MEDIÇÂO E CONTROLE
6.1 DIVISOR DE TENSÃO
O divisor de tensão é utilizado para medir altas tensões e possui a função de reduzir a
tensão aplicada nos ensaios a níveis que se possa medir no equipamento de controle sem
26
danifica-lo. O divisor de tensão utilizado no laboratório de alta tensão é do tipo misto (com
resistores e capacitores) e pode ser descrito de acordo com a figura:
Figura 6.1.1 - Circuito do divisor de tensão tipo misto.
Fonte: [4]
Onde:
C11: Capacitância primária total incluindo as capacitâncias parasitas;
R11/Rd: Resistor de amortecimento interno/ Resistor de amortecimento externo;
Ra: Resistor terminal correspondente a medida de impedância do cabo;
Zc: Impedância de medida do cabo;
R22/C22: Resistor secundário/ capacitância secundaria;
ZM: Impedância de entrada do instrumento de medida;
R31, R32: Resistores do atenuador ou “Burch”;
C31, C32: capacitores do atenuador ou “Burch”.
Ele pode ser dividido em duas partes que consiste no lado de alta tensão e o lado de
baixa tensão. O lado de alta é composto pelo capacitor C11 o qual é conectado em serie com os
resistores. A resistência de amortecimento Rd é localizada na parte superior do divisor de
tensão. A parte inferior é composta pelo capacitor C22, resistor R22 conectados em série. Essa
parte é composta por elementos conectados em paralelo e o resistor R22 tem sido adaptado
para obter uma transferência ideal. O cabo terminal do resistor R1 também faz parte do lado de
baixa tensão.
Para avaliar a relação de transformação de um sistema de medição, os instrumentos
ligados através do cabo coaxial para o lado de baixa tensão, também devem ser levados em
consideração. Particularmente com cabos de medição acima de 70 m de comprimento, a
27
capacitância do cabo em comparação com a capacitância secundária não pode ser ignorada e,
neste caso, uma terminação de cabo chamada “Buch” é necessária e deve ser colocada no
sistema de medição. A fim de evitar perturbações, é vantajoso manter a tensão no lado de baixa
na faixa de 0,6 a 1,5KV. Portanto, se for preciso uma faixa de tensão mais baixa, é necessário
utilizar um atenuador, o que vai reduzir a tensão de saída do divisor para o valor desejado (10 a
100V). As figuras abaixo mostram o processo de montagem do divisor de tensão no laboratório
de alta tensão da UFPA.
Figura 6.1.2 - Divisor de tensão.
Fonte: Do autor
6.2 RESISTOR DE DERIVAÇÃO “SHUNT”
O resistor de derivação hunt de modelo SH-Q é o dispositivo de conversão mais utilizado
para medições de impulso de corrente. Ele é feito de um cilindro de aço inoxidável o qual possui
flanges de acoplamento e conectores coaxiais para fazer a medição de corrente. É preenchido
com uma areia especial e possui um parafuso de 10mm (chamado de terminal quente) sendo a
porca do parafuso em formato de orelha, juntamente com uma placa de 12,5mm de orifício que é
Figura 6.1.3 - Montagem do divisor de tensão.
Fonte: Do autor
28
o terminal do terra. Sua ligação é feita de acordo com a figura 6.2.1 que mostra o circuito de
ligação do shunt junto com os outros equipamentos do circuito de ensaio.
Figura 6.2.1 - Conexões da carga shunt no circuito para medição de corrente
Fonte: Do autor
Figura 6.2.2 - Resistores de derivação shunt.
Fonte: Do autor
O terminal quente (parafuso junto com a porca), deverá estar conectado com o circuito do
objeto sob teste de acordo com a figura. O conjunto dos shunts possuem resistência no valor de
1Ω, 0,47Ω e 0,1Ω. A tabela a seguir mostra os dados técnicos de todas as cargas shunts que
serão utilizadas nos ensaios de alta tensão do laboratório de alta tensão:
Tabela 2 - Dados técnicos das cargas Shunts
29
Shunt SH Q 0,1 SH Q 0,47 SH Q 1
Queda de
Tensão Nominal
Un [v] 500 500 500
Máxima queda
de tensão
Umax [v] 1600 1600
1600
Corrente de pico
nominal
In [A] 5000 1060 500
Máxima corrente
de pico
Imax [A] 16000 3400 1600
Resistencia R Ω ±5% 0.1 0,47 1
Tempo de
resposta parcial
Ta [ns] <10 <10 <10
Taxa de
repetição
Un/In [s] 4 0,85 0,4
Taxa de
repetição
Umax/Imax [s] 73 16 6,5
6.3 CHOPPING GAP
O Chopping Gap é um componente de alta tensão utilizado juntamente com o Gerador de
impulso de tensão e tem por função cortar os impulsos atmosféricos e impulsos de manobra (os
cortes podem ser no tempo de frente ou no tempo de cauda, dependendo do tipo de
equipamento a ser ensaiado). Ele possui 4 módulos com duas colunas e cada módulo possui 3
pares de esferas de centelhamento com 200mm de diâmetro e um capacitor de amortecimento
responsável pelo controle da distribuição da tensão ao longo do equipamento. Cada esfera é
construída para trabalhar com uma tensão máxima de 200KV. As figuras abaixo mostram o
processo de montagem do equipamento.
30
Figura 6.3.1 - Montagem do dispositivo Chopping gap.
Fonte: Do autor
As esferas de nível mais baixo de cada gap, é montado em uma estrutura fixa entre o
capacitor e a estrutura suporte enquanto que as esferas da parte superior são montadas em uma
estrutura móvel semelhante a uma escada a qual pode ser movida para cima e para baixo para
ajustar a distância entre os gaps, desta forma todos os gaps são montados em serie.
O gap do módulo mais baixo está ligado a um pino, o qual dispara o impulso com um
atraso devido o tempo de corte. Os gaps 2 e 3 também
estão ligados ao pino e também a uma resistência de
amortecimento. Para os estágios superiores a
sobretensão é suficiente para garantir o centelhamento
rápido. A figura mostra os módulos do Chopping gap com
seus componentes, onde:
Ct: capacitor;
Rt: Resistor;
Rd1 Resistor de amortecimento com torneira;
Rd2 Resistor de amortecimento sem torneira.
Para obter uma boa faixa de disparo, o mínimo
possível de estágios deve ser utilizado, neste caso, os o
chopping gap poderá utilizar a configuração reduzida ou a configuração de um único estagio Na
Figura 6.3.3 - Circuito interno do Chopping gap.
Figura 6.3.2 - Dispositivo Chopping. gap.
Fonte: Do autor
31
configuração reduzida, os resistores de amortecimento dos estágios superiores devem estar em
curto e na configuração de um único estágio, os resistores de amortecimento deverão ser
removidos. As figuras mostram a configuração reduzida e configuração de um único estagio
respectivamente.
Figura 3.3.4 - Configuração reduzida.
Fonte: [4]
O Chopping gap é controlado junto com o gerador de impulso através do sistema de
controle que ajusta automaticamente a distância entre os gaps de acordo com a tensão que será
aplicada.
6.4 CIRCUITO GLANINGER
O Circuito de Teste Glaninger é um equipamento utilizado com o gerador de impulso
quando se faz ensaios de impulsos atmosféricos em transformadores de acordo com a IEC
60076-3 para tempo de frente e de cauda (1,2µs ±30%/50µs ±20%). Se a indutância do objeto
de teste é mais baixa que aproximadamente 3mH o tempo de cauda correto de acordo com IEC
não poderia ser alcançado com resistores adicionais em paralelo no gerador. Para tais casos, o
tempo de cauda correto pode ser obtido com o circuito de teste. Esse circuito é necessário
quando se tem uma baixa indutância nos enrolamentos de baixa tensão do transformador, tendo
por função expandir significativamente a indutância do gerador. Ele é conectado no primeiro ou
segundo estágio do gerador.
Figura 6.3.5 - Configuração de estágio único.
Fonte: [4]
32
Figura 6.4.1 - Circuito Glaninger.
Fonte: Do autor
O circuito consiste de uma indutância Ld e um resistor paralelo Rd. A indutância deve ser
conectada em paralelo com a resistor de frente do gerador de impulsos.
O resistor paralelo Rd será colocado fora do gerador de impulso, paralelo ao objeto de
teste. Dependendo do tamanho do gerador de impulsos a indutância Ld pode ser disposta no
interior ou fora do gerador.
Figura 6.4.2 - Circuito de impulso com Glaninger interno.
Fonte: [4]
Se o circuito Glaninger está completamente colocado fora do gerador de impulsos a
resistências frente R'int interna tem que ser curto-circuitada.
33
Figura 4.4.3 - Circuito de impulso com Glaninger externo.
Fonte: [4]
6.5 SISTEMA DE CONTROLE GC 223 E SISTEMA DE ANÁLISE
DE IMPULSO.
Equipamentos de alta tensão em redes de transmissão e distribuição de eletricidade estão
sujeitos a estresses elétricos por dois tipos diferentes de sobretensões transitórias: sobretensões
causadas por operações de manobra, e aquelas causadas por interferências atmosféricas, como
por exemplo, descargas atmosféricas. Nos testes de alta tensão esses estresses são simulados
por impulsos de tensão de dupla exponencial, com parâmetros de tempo e amplitude
especificados. Para gerar e medir essas formas de onda de impulso de tensão são utilizados os
sistemas de controle. A figura a seguir mostra um sistema completo de teste de impulso de
tensão.
Figura 6.5.1 - Sistema completo do teste de impulso de tensão.
Fonte: [4]
34
O sistema de medição de impulso consiste de um dispositivo de conversão que
normalmente é o divisor de tensão, o sistema de transmissão onde se utilizam cabos e um
instrumento de gravação. O ambiente no qual o sistema de medição opera, deverá ter folgas
para as estruturas dos equipamentos e ligação ao terra. A presença de fortes campos elétricos e
magnéticos transitórios podem afetar significativamente o desempenho e precisão do sistema de
medição, portanto cuidado especial deve ser tomado para tais instrumentos para garantir a
operação confiável e precisa.
O sistema de controle do gerador de impulso de tensão, inclui todos os elementos
necessários para controlar o sistema de teste de descargas atmosféricas e de manobra. Toda a
operação do gerador é automatizada e isso inclui carregamento dos estágios, aplicação do
impulso e aterramento do gerador. O equipamento de controle vem com um sistema de
Intertravamento o qual é ligado à porta da sala de controle que dá acesso à área de ensaio do
laboratório e qualquer violação de segurança dos passos citados anteriormente faz com que o
sistema desative o gerador priorizando a segurança pessoal. A figura mostra a imagem frontal
do controle do gerador de impulso.
Figura 6.5.2 - Sistema de controle GC 223.
Fonte: Do autor
O GC 223 executa várias funções entre elas, a conversão analógico/digital de valores de
medidas do sistema de impulso, controle e regulação da tensão de carga, tempo de controle do
disparo, disparo das esferas de centelhamento sincronizadas com a tensão AC, entrada e saída
digital das portas do gerador, controle dos dispositivo de corte do impulso (chopping gap),
proteção contra sobretensão em todas as entradas e saídas de linha, controle do sistema de
segurança e filtro da potência de entrada.
O sistema de análise dos impulsos modelo HiAS 734, é um multicanal com alta precisão
digital onde se faz medidas, avaliação e analise dos impulsos de tensão e corrente e que podem
35
ser aprimoradas de acordo com a IEC 61083, IEC 60060, IEC60099 e IEC60230 que são os
padrões relevantes para testes de alta tensão. A avaliação automática das formas de impulso
acima mencionadas, bem como um modo de avaliação manual estão disponíveis no analisador.
A figura mostra o sistema completo de controle do gerador de impulso.
Figura 6.5.3 - Sistema de controle completo.
Fonte: Do autor
7. COMISSIONAMENTO
Após a montagem de todos os equipamentos do sistema de teste, no dia 15 de julho de
2015 iniciou-se o processo de comissionamento do gerador de impulso de tensão. Antes de
aplicar tensão no gerador foram realizados os ajustes dos gaps das esferas tanto do gerador de
tensão como do chopping gap. Esses ajustes são feitos para garantir a total confiabilidade dos
disparos de maneira que o gerador opere com uma tensão inferior a tensão de
carregamento[3]. As esferas de centelhamento devem atuar numa faixa de operação de modo a
garantir seu bom funcionamento essa faixa de operação é determinada pela seguinte equação:
Faixa de operação= [(VDC - VMIN) / VDC] 100%, onde:
VDC = máxima tensão, em corrente contínua, que o “gap” das esferas suporta, sem que o
mecanismo de disparo das esferas entre em operação, ou seja, acima de VDC ocorre um
disparo sem controle denominado de “Self firing” [3]
36
VMIN = tensão mínima, em corrente contínua, na qual a descarga é garantida com a aplicação
do pulso de disparo. Ou melhor, com uma tensão inferior a VMIN o “gap” não dispara, nem com
o auxílio das esferas, esse efeito é denominado de “No firing” [3].
Iniciou-se escolhendo a distância mínima entre os gaps do gerador que foi de 2mm e
através desta pode-se obter a tensão mínima de 0,27V para uma faixa de tensão de 0 a 10V. Em
seguida, foi verificado nos gaps das esferas do gerador se a distância ajustada no sistema de
controle era a mesma. O mesmo processo foi feito para a distância máxima escolhida que foi de
51,2mm e obteve-se a tensão máxima de 8,92V. O valor medido nos gaps do gerador não foi o
mesmo que se inseriu no sistema de controle, por isso trocou-se o valor da distância máxima no
sistema de controle para o valor medido nos gaps do gerador que foi de 41,5mm e a tensão
resultante para tal distância foi de 8,63V.
Após todos esses ajustes, aplicou-se uma tensão de 20KV para observar se a distância
mínima e máxima entre os gaps do gerador estava adequada e detectou-se falha pois o sistema
disparava antes de chegar na tensão de 20KV. Então foram feitos vários ajustes na distância
entre os gaps na tentativa de deixa-lo adequado para os testes. As distâncias que foram
satisfatórias estão mostradas na figura abaixo.
Figura 7.1 - Distância entre os gaps do gerador inseridas no GC 223.
Fonte: Do autor
Pela figura pode-se observar que cada nível de tensão possui uma distância entre os
gaps e o mesmo processo foi realizado nos gaps do dispositivo chopping gap.
Feito todas as configurações necessárias, no dia 17 de julho foi iniciado a aplicação de
vários níveis de tensão no gerador de impulsos atmosféricos até chegar a sua máxima tensão,
através do sistema de controle GC 223. Esse processo de aplicação de tensão e análise do
37
funcionamento adequado do gerador de impulso durou vários dias devido a problemas
decorrentes no gerador e devido as condições de temperatura e umidade que devem ser
obedecidas para operação do equipamento. Todos os procedimentos consistiram em carregar o
gerador com uma determinada tensão e observar se o mesmo dispara corretamente na tensão
desejada. Foi configurado no GC 223, uma quantidade de 10 disparos consecutivos para um
mesmo nível de tensão.
Primeiro foi aplicado uma tensão de 40KV por estágio num total de 10 impulsos
aplicados seguidamente como pode ser visto na figura 7.2, sendo configurado os 18 estágios
para participar de tal teste e um tempo de disparo de 10 segundos com humidade do meio de
69%, temperatura de 22,5ºC, distância entre os gaps de 13,5mm e polaridade positiva. Obteve-
se o seguinte resultado mostrado na figura 7.3, a qual indica a forma do impulso juntamente com
o tempo de frente e o tempo de cauda.
Figura 7.2 - Tensão aplicada no gerador pelo sistema de controle.
Fonte: Do autor
38
Figura 7.3 - Forma de onda do impulso de tensão.
Fonte: Do autor
Analisando a figura, pode-se notar que o tempo de frente e de cauda da onda foram
satisfatórios visto que eles possuem uma tolerância para mais e para menos. O mesmo
aconteceu com o overshoot da onda que possui tolerância segundo padrões de até 5%. É
importante notar que a tensão não chega exatamente ao valor de 720KV ficando em 587.745KV
pois o gerador não possui 100% de rendimento mas se mostrou satisfatório.
A cada 10 disparos de tensão aplicada, aumentava-se a tensão no gerador e as tensões
aplicadas foram 40KV, 60KV com distância de 20,7mm entre os gaps, 80KV com distância de
28,5mm, 100KV com distância de 36mm e 120KV com distância de 44,3mm entre os gaps. Em
todos os valores de tensão foi verificado o funcionamento do gerador pela tensão de disparo.
Algumas falhas do gerador foram verificadas devido a disparos antes de se chegar a tensão
desejada. Após feito alguns ajustes técnicos no gerador devido a falhas de disparos, foi inserido
nos testes o chopping gap através do sistema de controle para analisar a forma de onda cortada
no tempo de cauda. O chopping gap atuou em uma faixa de tempo de 2 a 6µs, por isso ele
cortou apenas o tempo de cauda, visto que o tempo de frente é de 1,2µs com tolerância de
±30%. O resultado da atuação do chopping gap para uma tensão de 40KV é mostrado na figura
7.4.
39
Figura 7.4 - Forma de onda com atuação do chopping gap.
Fonte: Do autor
A figura 7.4 mostra a forma de onda cortada na cauda devido a atuação do chopping gap
e a atuação do tempo de corte. Em todos os níveis de tensão o dispositivo operou
satisfatoriamente. Neste dia foi observado um vazamento de óleo no capacitor de impulso e os
testes foram finalizados.
No dia 20 de julho todos os equipamentos de teste passaram por uma limpeza devido a
umidade e impurezas que poderiam esta acumuladas inclusive o capacitor que apresentou
vazamento. Após estes procedimentos, iniciou-se os testes no gerador para 18 estágios com
uma temperatura de 27ºC e umidade do ar de 75%. Foram aplicadas tensões de 20KV, 40KV,
60KV, 80KV, 100KV e 120KV todos com polaridade negativa (figura 7.5) e o resultado para a
tensão de 80KV é mostrado na figura 7.6.
40
Todos os testes se mostraram satisfatórios com relação ao impulso de tensão obtido
sempre obedecendo as tolerâncias que para tempo de frente é de ±30% e para tempo de cauda
é de ±20%. No entanto, o gerador continuou a apresentar falhas em alguns disparos antes de se
chegar a tensão desejada.
No dia 21 de julho foi retirado o resistor de carga do 12º estágio afim de se aplicar a
tensão máxima por estágio de 200KV. Esse procedimento foi realizado pelo fato do divisor de
tensão suportar uma tensão de até 2400KV e se fosse aplicado a tensão total do gerador com
todos os estágios que é de 3600KV o divisor de tensão não suportaria. Após os testes realizados
neste dia o dispositivo que amplifica o disparo do gerador apresentou defeito. Ele foi trocado pelo
dispositivo do gerador de impulso de corrente que é similar para poder continuar os testes. Nos
dias consecutivos foram realizados os mesmos procedimentos aos dias anteriores e sempre
procurando mudar a configuração do gerador de impulso de tensão na tentativa de solucionar o
problema referente aos disparos indesejados.
O processo de comissionamento do gerador foi concluído no dia 30 de julho e os
problemas dos autos disparos aleatórios (algumas vezes com corrente de fuga) que este vinha
apresentando durante o período de testes não foi solucionado, mas segundo a equipe da
HAEFELY o gerador pode ser operado normalmente pois este problema não prejudica os
ensaios que serão realizados em equipamentos. Foi verificado também que o gerador de tensão
funciona normalmente no final da tarde, por isso foi recomendado pela HAEFELY que se
verifique a tensão de entrada do equipamento com um analisador de espectro e também os
autos disparos por várias semanas.
Figura 7.5 - Tensão aplicada pelo sistema de controle.
Fonte: Do autor
Figura 7.6 -Forma de onda obtida através da tensão aplicada.
Fonte: Do autor
41
CONCLUSÃO
A montagem do gerador de impulso de tensão e seus equipamentos de medição foram
muito proveitosos, visto que foi possível conhecer cada componente constituinte do mesmo e
aprender suas principais funções. Tais conhecimentos são fundamentais na realização de
ensaios em objetos de alta tensão. Pôde-se notar que cada elemento do gerador de tensão
como resistores, capacitores, esferas de centelhamento e etc. possuem funções específicas que
no final contribuem de forma equilibrada para geração do impulso de tensão
O processo de comissionamento foi muito importante para aprendizado, pois foi possível
aplicar vários níveis de tensões no gerador através do sistema de controle GC 223 e visualizar o
impulso obtido pelo sistema HiAS 734. Durante o teste do gerador surgiram vários problemas
que contribuíram para o conhecimento e obteve-se confiança para manuseio do mesmo, pois foi
necessário mudar diversas vezes as configurações do gerador de tensão e suas formas de
operação por estágios na tentativa de solucionar tais problemas.
Além disso, pôde-se compreender a importância dos circuitos de segurança e aterramento
do gerador e os riscos de trabalhar na alta tensão. Portanto, cada passo de segurança
apresentado durante o processo de comissionamento deve ser respeitado para segurança
pessoal e do equipamento sob teste.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] NAIDU, N. S.; KAMARAJU, V. High voltage engineering.
[2] SCHAEFER, J. C. Ensaios de Impulsos Atmosféricos e de Manobra.
[3] MELLO, D.R. Treinamento Básico em Técnicas de Ensaio em Alta Tensão.
[4] HAEFELY,H.V. Manual do Equipamento_Gerador de Impulso de Tensão.
[5] INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMISSION. IEC 60060-1: High-voltage test
techiniques – Part 1: General definitions and test requirements. Geneva, 2010.
[6] ELETROBRAS. Diretrizes para estudos e projetos de Pequenas Centrais Hidrelétricas.
2000.
42
[7] D’AJUZ, A. Equipamentos elétricos; especificação e aplicação em subestação de alta tensão. Rio de Janeiro, FURNAS, 1985. [8] WANGNER, W. Probleme der Drehstrom-Energieiibertragung bei hehr grossen Leistunen und Entfernungen, Bulletin des Schweizerischen elektrotechnischen Vereins, 1942
DIFICULDADES As dificuldades encontradas são referentes aos poucos materiais encontrados sobre o Geradores de Impulso Atmosféricos (Impulso de Tensão) que expliquem seus principais componentes, montagem e tipos de configurações utilizadas nos ensaios de equipamentos. Ter um bom entendimento sobre as configurações utilizadas nos geradores de tensão e as normas que são aplicadas a um determinado ensaio, é de fundamental importância para realização de ensaios nos equipamentos. Algumas das dificuldades encontradas se referem também à riqueza de detalhes e densidade de teoria que envolve as técnicas de ensaios em alta tensão com gerador de impulso de tensão.
Não foram gerados artigos científicos devidos a problemas externos relacionados com o prazo de montagem dos equipamentos, que apresentou atrasos, sendo concluídos somente no final do mês de agosto de 2015. Por outro lado, pretende-se agora com o equipamento realizar ensaios sob carga que certamente vão gerar trabalhos científicos.
PARECER DO ORIENTADOR: a Bolsista desempenhou suas atividades de pesquisa com grande dedicação, cumprindo os horários exigidos e atingindo em boa parte as metas estabelecidas na proposta de seu subprojeto de Pesquisa da PIBIC. Os resultados da sua pesquisa serão utilizados no laboratório de alta tensão da UFPA, ao qual a Bolsista encontra-se vinculada, trabalhando no projeto principal, referente à montagem dos equipamentos no laboratório. Também a Bolsista, sob minha orientação, vem trabalhando para encaminhar resumos a congressos ainda no segundo semestre de 2015, devendo ter até a finalização deste período produção científica para congressos em sua área de atuação. Também destaco o grande envolvimento da bolsista no processo de montagem, comissionamento e treinamento realizado com o equipamento, o que é de fundamental importância em sua formação técnica e científica para o desenvolvimento de trabalhos futuros no laboratório de alta tensão da Universidade Federal do Pará.
O presente relatório reflete bem o trabalho desenvolvido pela estudante, apresentando todos os resultados obtidos até o momento, e a evolução da mesmo. Por estes fatores e pelo crescimento científico e técnico do Bolsista, observados no relatório, sou de parecer plenamente favorável a aprovação do presente relatório.