SNPTEESEMINÁRIO NACIONALDE PRODUÇÃO ETRANSMISSÃO DEENERGIA ELÉTRICA

GSC-0419 a 24 Outubro de 2003

Uberlândia - Minas Gerais

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GRUPO XGRUPO DE ESTUDO DE SOBRETENSÕES E COORDENAÇÃO DE ISOLAMENTO - GSC

MEDIÇÕES DE CAMPO PARA AVALIAÇÃO DE SOBRETENSÕES PROVENIENTES DAS MANOBRAS DEREATORES DE POTÊNCIA EM DERIVAÇÃO

Alberto J. S. Junqueira* Márcio T. F. da Silva Luiz C. de Azevedo Valdir R. Santos Roberto Campos CEPEL CEPEL CEPEL CEPEL CEPEL

José R. R. Urdiales Luiz A. A. Queiroz Ivan J. da Silva João A. F. Leite Wlamir A.de Jessus ELETRONORTE ELETRONORTE ELETRONORTE ELETRONORTE ELETRONORTE

RESUMO

O presente informe técnico apresenta aspectos dapreparação da instrumentação e das instalações,assim como alguns resultados das medições desobretensões provenientes das manobras de aberturade reatores em derivação, em três subestações,sendo duas delas de 138 kV e outra de 230 kV. Cadauma destas SEs possui um arranjo físico distinto, oque permite observar diferentes formas desobretensões. Os disjuntores que manobram osreatores são tipo PVO (pequeno volume de óleo).

PALAVRAS-CHAVE

Medição de transitórios de manobra; Chaveamento dereatores de potência.

1.0 INTRODUÇÃO

Nos estudos de sobretensões em sistemas elétricosde potência é comum o uso de simulações digitaispara determinação das formas e amplitudes dassolicitações. No entanto, no caso de manobra dereatores em derivação, tais simulações não servemcomo referência. Por tratar-se de um fenômeno regidobasicamente pelas capacitâncias espúrias do circuitoe pelo processo de interrupção da corrente nodisjuntor, a sua representação computacional não levaa resultados confiáveis, quer pela imprecisão dosmodelos existentes, quer pela dificuldade de obtençãodos parâmetros dos mesmos.

Assim sendo, torna-se necessária a realização demedições nas subestações para avaliação dassobretensões de manobra e do comportamento dosdijuntores frente às mesmas.

O objetivo destas medições foi de avaliar ocomportamento dos disjuntores atualmente

empregados nas subestações em questão, namanobra de reatores de potência em derivação, esubsidiar o processo de tomada de decisão sobre anecessidade de substituição destes equipamentospara este tipo de aplicação.As etapas de medições ocorreram nos seguintesperíodos:

• SE Rondonópolis: 06/05 a 16/05/2002 e18/06/2002;

• SE Coxipó: 03/06 a 11/06/2002;• SE Couto Magalhães: 17/06 a 25/06/2002;

2.0 ASPECTOS TEÓRICOS DA INTERRUPÇÃODE PEQUENAS CORRENTES INDUTIVAS

A manobra de reatores de potência em derivaçãoimpõe um esforço singular ao disjuntor, ao próprioreator e, algumas vezes, ao sistema ao qual encontra-se conectado. Nos sistemas de tensões maiselevadas, as correntes a serem interrompidasnormalmente não excedem algumas centenas deAmperes, o que torna o processo de interrupçãocomplexo, podendo originar sobretensões elevadasdevido à interação entre o disjuntor e o circuito.

A dificuldade de os disjuntores manobrarem reatoresestá associada a sua grande capacidade deresfriamento do arco elétrico formado entre os seuscontatos durante a abertura. Normalmente projetadospara interromper correntes de curto-circuito, quandomanobrando as correntes de pequena amplitude dosreatores, os disjuntores podem causar umresfriamento excessivo do arco elétrico, levando-o auma instabilidade e forçando uma passagemprematura da corrente por zero, quando éinterrompida. A este fenômeno dá-se o nome decurrent chopping ou corte de corrente ou aindachopping de corrente (Figura 2.1).

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O valor da corrente de chopping está diretamenteassociado às características intrínsecas ao projeto dodisjuntor (geometria, meio de extinção) e aosparâmetros do sistema (principalmente capacitâncias).Quanto maior for o valor da corrente no instante docorte, maior será a energia confinada no circuito doreator e, conseqüentemente, maior será a amplitudeda sobretensão de restabelecimento. A freqüência e aamplitude do transitório serão função, ainda, dosvalores de capacitância e indutância do circuito. Naprática, em sistemas de alta tensão, são observadasoscilações com freqüências entre 1 e 5 kHz.

Caso não tenha uma amplitude excessivamenteelevada, esta sobretensão de restabelecimento não éconsiderada crítica para o reator, pois dada suarelativamente baixa freqüência de oscilação, éuniformemente distribuída ao longo dos enrolamentos.

Figura 2.1 – Formas de onda de corrente e tensão noreator durante a abertura do disjuntor

Porém, caso a isolação entre os contatos do disjuntornão seja capaz de suportar a sobretensão transitória aqual ficará submetida, ou seja, a diferença entre atensão da rede e a tensão de restabelecimento noreator, ocorrerá uma reignição. Na reignição, umdegrau de tensão de frente bastante íngrime (elevadodV/dt) é aplicado sobre o reator (Figuras 2.2). Otempo de frente deste degrau pode variar de décimosde microssegundos a alguns microssegundos, sendofunção basicamente das capacitâncias (dosbarramentos e das buchas) e indutâncias do arranjo esua amplitude poderá, dependendo do instante emque ocorrer a reignição, ser superior à da sobretensãode restabelecimento.

Esta sobretensão causada pela reignição,diferentemente daquela proveniente do chopping decorrente, devido a sua alta freqüência, que podechegar a algumas centenas de kHz, é extremamentedanosa às isolações das buchas (reator, TC, etc.) eda cabeça da bobina, pois não se distribuiuniformemente ao longo do enrolamento, ficandoconcentrada nas primeiras espiras. Neste caso,mesmo que a amplitude da sobretensão seja limitada(por pára-raios, por exemplo) os danos às isolaçõessão inevitáveis, podendo levá-las ao colapsoprematuro.

A reignição não necessariamente ocorrerá no instanteda crista da sobretensão de restabelecimento, comoilustra a Figura 2.2. Ela se dará no instante em que atensão entre os contatos superar a suportabilidade dodielétrico entre eles. O valor de tensão que levará àreignição será tão menor quanto mais próximosestiverem os contatos do disjuntor.

Figura 2.2 – Sobretensões no processo de interrupçãode pequenas correntes indutivas

3.0 MEDIÇÕES NAS SUBESTAÇÕES

Foram realizadas medições trifásicas simultâneas detensões dos lados fonte (sistema) e carga (reator) dodisjuntor, das correntes através do disjuntor e do sinalde disparo do disjuntor.

Como já mencionado, o fenômeno investigado éaltamente dependente dos parâmetros elétricos dainstalação, especialmente daqueles na seção que vaido disjuntor ao reator. Assim sendo, torna-seindesejável a conexão de qualquer equipamento aoarranjo original, como por exemplo, divisores detensão, sob pena de mascarar os resultados obtidos.Neste caso, a alternativa para medir as tensões nasfases do reator é a utilização dos tapes capacitivosdas buchas. Normalmente, estes tapes são utilizadosapenas para medição de tensão à freqüênciafundamental.

Embora o ajuste no campo de um sistema de mediçãopara altas freqüências não seja de execução simples,tornando-se extremamente complicado na presençade campos elétricos intensos próximos às buchas,esta tarefa, pioneira no que se refere à calibração detapes capacitivos para medições em alta freqüência,foi desempenhada com sucesso sendo empregada aseguinte metodologia:

• Medição, análise e ajuste da resposta ao degraude tensão;

• Medição e análise da resposta em freqüência ;• Avaliação de resultados com impulsos de baixa

tensão, variando o tempo de frente do impulso de0,9 ms até 250 ms.

Dessa forma, após a análise desses resultados, ossistemas de medição de transitórios de tensão foramconsiderados adequados para serem utilizados comodivisores de tensão para altas freqüências até

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aproximadamente 500 kHz. Alguns resultadosreferentes à calibração desses sistemas de mediçãosão apresentados nas Figuras 3.1, 3.2 e 3.3.

Os valores de incerteza nas medições de tensão nasbuchas, para componenentes até 500 kHz,considerando os ajustes empregados, foram de 5%nas SEs de 138 kV e 20% na SE de 230 kV.

Figura 3.1 – Resposta ao degrau para uma dasbuchas de 138 kV.

Figura 3.2 – Comportamento do fator de escala e dotempo de frente em função do tempo de frente dosinal injetado.

Figura 3.3 – Comparação entre sinal injetado e sinalmedido, para impulso de tempo de frente de 0,9 ms,em uma das buchas de 138 kV.

Já para medição da tensão do sistema, a conexão dedivisores não interfere no fenômeno, uma vez que acapacitância destes é desprezível se comparada àcapacitância equivalente vista deste ponto. Nasmedições foram empregados divisores de tensãocapacitivos e atenuadores desenvolvidos epreviamente calibrados pelo CEPEL.

Para medição das correntes nos reatores foramempregados os TC’s já existentes nas subestações.Embora não seja a forma ideal de medição, uma vezque os mesmos não possuem respostas adequadaspara componentes de alta freqüência, os resultadosobtidos foram considerados satisfatórios porpermitirem identificar nos sinais das correntesmedidas, quando correlacionados com as respectivasformas de onda de tensão, os processos deinterrupção e reignição.

Para minimizar as interferências eletromagnéticascomuns às subestações, os sinais foram transmitidospor meio de fibras ópticas.

A instrumentação, os divisores de tensão capacitivos,os shunts, os transformadores de corrente (TC’s) e osistema de transmissão de sinais via fibra ópticautilizados nas medições, pertencentes ao CEPEL,foram calibrados e possuem desempenho dinâmicoadequado para a medição de sinais comcomponentes de até 1,0 MHz.

Para a avaliação dos transitórios dos bancos dereatores, os sinais medidos foram digitalizados comaproximadamente 30 mil pontos na “janela” de tempoconsiderada e utilizou-se uma taxa de amostragemcompatível com a máxima freqüência prevista notransitório. Os osciloscópios utilizados possuem 8 bitsde resolução vertical.

Para a realização das medições/calibrações foramutilizados os seguintes instrumentos/equipamentos:

• Osciloscópio digital Tektronix TDS – 3034.• Osciloscópio digital Tektronix TDS – 684A.• Osciloscópio digital Tektronix TDS – 754A.• Osciloscópio digital Tektronix TDS – 460.• Divisores de tensão capacitivo de 240 kVef.• TC’s janela Pearson.• Gerador de degrau Heafley tipo 40.• Sistema de fibra óptica.• Medidor de relação mod. 430.• Gerador de impulso de baixa tensão Heafley, tipo

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De forma a permitir uma avaliação estatística dassobretensões, foi prevista inicialmente a aquisição dossinais referentes a 10 (dez) transitórios dedesenergização de reatores em cada subestação.

4.0 RESULTADOS E ANÁLISE DAS MEDIÇÕES

A seguir é feita a análise dos resultados das mediçõespor subestação.

4.1 Subestação de Rondonópolis 230 kV

A configuração da SE, no trecho de interesse, éconstituída por:

• Disjuntor: Sprecher & Schuh, tipo HPF 514/4f, 4câmaras, pequeno volume de óleo, 245 kV, 2000A, 31,5 kA, acionamento monopolar, capacitoresde equalização;

• TC;• Pára-raios: Asea, tipo XAQ 245 A3, ZnO.

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• Reator: Tusa, tipo GSAL 7554/230B 1, 30 Mvar,trifásico, 230 kV, estrela solidamente aterrado.

Nesta subestação foram realizadas 12 manobras.Estas aquisições permitiram observar:

1) Foram identificados 2 eventos diferentes,indesejáveis, durante o processo de interrupção,quais sejam: (a) Interrupção mal sucedida –neste caso a corrente de 60 Hz se restabelecepara ser novamente interrompida na próximapassagem por zero, como no caso da Figura4.1.1. Observam-se cortes na tensão derestabelecimento; (b) Interrupção bem sucedidacom ocorrência de cortes na tensão derestabelecimento, como se observa na Figura4.1.2.

Figura 4.1.1 - Oscilograma de tensão no reator comressurgimento da tensão de 60 Hz.

Figura 4.1.2 – Oscilograma de tensão no reatorindicando cortes na tensão de restabelecimento

2) Considerando-se os 36 registros de abertura (12manobras x 3 fases), os eventos acimaocorreram com a seguinte freqüência:

Evento Freqüência(a) e (b) 16

(a) 11(b) 9

A existência do pára-raios limita a amplitude dassobretensões de restabelecimento, com se pode

observar na Figura 4.1.3. A amplitude máximaregistrada na bucha do reator foi de 2,17 p.u.

3) Em uma das tentativas de abertura, é possívelobservar quinze cortes na onda de tensão(Figura 4.1.4).

Figura 4.1.3 – Oscilograma de tensão no reatorindicando atuação do pára-raios.

Figura 4.1.4 – Oscilograma de tensão no reatordetalhando os vários cortes de tensão eressurgimento da tensão de 60 Hz.

Em alguns casos observam-se batimentos na tensãode restabelecimento, como mostrado na Figura 4.1.5.

Figura 4.1.5 – Oscilograma de tensão no reatorindicando batimento na tensão de restabelecimento.

Destas observações pode-se concluir que:

• Em nenhuma das fases a interrupção ocorreu demaneira ideal, como a apresentada na Figura 2.1;

• A presença do pára-raios de ZnO não evita asreignições.

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4.2 Subestação de Coxipó 138 kV

Na etapa de Coxipó foram realizadas nove manobrasde abertura sendo registrados 26 eventos.

A configuração da SE, no trecho de interesse écontituída por:

• Disjuntor: Sprecher & Schuh, tipo HPF 512/2F, 2câmaras, pequeno volume de óleo, 145 kV, 1250A, 31,5 kA, acionamento tripolar, capacitores deequalização;

• TC;• Reator: ASEA, tipo XMY-23, 5 Mvar, trifásico, 138

kV, estrela solidamente aterrado.

Obs: Nesta SE não há pára-raios entre o disjuntor e oreator.

A análise das aquisições permitiu observar:

1) Os mesmos eventos descritos no item 4.1 foramobservados nas manobras para esta SE.Considerando-se os 26 registros de abertura taiseventos ocorreram com a seguinte freqüência:

Evento Freqüência(a) e (b) 14

(b) 12

2) Como não existem pára-raios junto ao reator, osvalores máximos das sobretensões derestabelecimento são proporcionalmente muitosuperiores aos encontrados na SE Rondonópolis(Figura 4.2.1). A amplitude máxima registradanesta SE foi de 4,8 p.u.

Destas observações pode-se concluir que:

• Em nenhuma das fases a interrupção ocorreu demaneira ideal, como a apresentada na Figura 2.1;

• A ausência de pára-raios permite que assobretensões atinjam valores bastante elevados,o que pode gerar danos à isolação não auto-recuperante dos equipamentos;

• Além disso, tais amplitudes de sobretensõesgeram condições favoráveis à ocorrência defaltas fase-fase no barramento de alimentação doreator. Devido às características do arranjo, estafalta ocorre nos terminais das buchas do reator,onde os barramentos são mais próximos(aproximadamente 1 metro entre as fasesexternas e central). Estas faltas têmcaracterísticas de falta evolvente |5|, porém entrefases, e são bastante severas pois a corrente decurto-circuito se estabelece com os contatos dodisjuntor já parcialmente separados. Estas sãoespecialmente críticas para disjuntores a óleo,nos quais a capacidade de interrupção éparcialmente dependente da pressão gerada nacâmara de extinção pela corrente a interromper.

Figura 4.2.1 – Oscilograma demonstrando elevadovalor de sobretensão no processo de interrupção dacorrente no reator.

4.3 Subestação de Couto Magalhães 138 kV

Na etapa de Couto Magalhães foram executadas setemanobras de abertura.

A configuração da SE, no trecho de interesse, éconstituída por:

• Disjuntor: Sprecher & Schuh, tipo HPF 512/2F, 2câmaras, pequeno volume de óleo, 145 kV,1250A, 31,5 kA, acionamento tripolar, capacitoresde equalização;

• TC;• Pára-raios: ASEA; tipo XAE 144BL, SiC;• Reator: TUSA, tipo GSAL 6752/138-B, 5 Mvar,

trifásico, 138 kV, estrela solidamente aterrado.

A análise das aquisições permitiu observar:

1) fato de os pára-raios instalados entre o disjuntore o reator desta SE serem de carboneto desilício com centelhadores, faz com que as formasde onda de tensão no reator, quando essesequipamentos atuam, sejam diferentes daquelasapresentadas nos Itens 2, 4.1 e 4.2 desterelatório. Nestes casos, como mostra a Figura4.3.1, a energia retida no circuito do reator éparcialmente dissipada nos varistores e a tensãode restabelecimento só reaparece após o resealdos centelhadores. A Figura 4.3.2 apresentauma interrupção sem atuação do pára-raios.

2) Os mesmos eventos descritos no item 4.1 foramobservados nos sinais aquisitados. Tais eventosocorreram com a seguinte freqüência:

Evento Freqüência(a) e (b) 7

(a) 3(b) 10

3) Ovalor máximo de sobretensão derestabelecimento registrado nesta instalação foide 3,5 p.u., ficando abaixo das sobretensões daSE Coxipó, porém, ainda, proporcionalmentemuito superiores às encontradas na SERondonópolis.

Destas observações pode-se concluir que:

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• Em nenhuma das fases a interrupção ocorreu demaneira ideal;

• Mesmo com a presença de pára-raios assobretensões atingem valores bastante elevados,o que pode levar a danos na isolação não auto-recuperante dos equipamentos.

Figura 4.3.1 - Oscilograma de tensão no reator comatuação do pára-raios.

Figura 4.3.2 - Oscilograma de tensão no reator sematuação do pára-raios.

5.0 RECOMENDAÇÕES E CONCLUSÕES

A observação das medições realizadas permiteafirmar que os disjuntores atualmente empregadosnas três subestações não são adequados paramanobra dos respectivos reatores. Os transitóriosgerados na desenergização dos reatores causamdanos à isolação não auto-recuperante dosequipamentos manobrados, especialmente às buchas,os quais podem levar inclusive à explosão destas.

Porém, a urgência na implementação de uma soluçãodeve considerar a severidade das solicitações e aperiodicidade das manobras, sendo aconselhável aadoção de critérios rigorosos de acompanhamentodas características dielétricas dos equipamentos deforma a evitar possíveis falhas. Entende-se porseveridade da solicitação não só a amplitude dasobretensão mas também sua freqüência e duração.

Atualmente, o método mais empregado na manobrade pequenas correntes indutivas é o “chaveamentocontrolado”. Neste, o instante do início da separação

dos contatos é controlado de forma a garantir umtempo mínimo de arco em todos os pólos do disjuntor.Assim, fica garantido que a distância entre os contatosno instante do chopping da corrente seja grande osuficiente para suportar a sobretensão derestabelecimento gerada, evitando-se deste modo aocorrência de reignição.

Como não existem em vigor normas técnicas quecontemplem disjuntores de alta tensão comdispositivos controladores de abertura e/oufechamento (embora existam normas específicas paraambos separadamente), é necessário que aespecificação deste equipamento seja feitaadequadamente de forma a garantir seu corretofuncionamento. Na prática, são realizadas mediçõesde manobras de abertura na subestação, como asdescritas no Item 3.0 deste relatório, para comprovara eficiência do conjunto disjuntor/controlador.

6.0 BIBLIOGRAFIA

[1] ANSI C37.015 – 19XX – “Application Guide forShunt Reactor Current Switching” – Draft 7,dez/1992.

[2] Morais, S.A. – “Considerations on theSpecification of Circuit Breakers Intended toInterrupt Small Inductive Currents”; Electra 147,abril 1993, pp. 45-69.

[3] CIGRE Working Group 13.07 – “ControlledSwitching of HVAC Circuit Breakers – Guide forApplication: Lines, Reactors, Capacitors andTransformers” – Part II, capítulo 5 – “ShuntReactors” – Revista Electra nº 185, agosto/1999,pp. 37-43.

[4] CIGRE Working Group 13.07 – “ControlledSwitching of HVAC Circuit Breakers – Planning,Specification and Testing of Controlled SwitchingSystems” – Revista Electra nº 197, agosto/2001,pp. 23-33.

[5] D’Ajuz, A. et ale – “Equipamentos Eléticos:Especificação e Aplicação em Subestações deAlta Tensão”. FURNAS/UFF, 1985.

[6] Junqueira, A.J.S. - “Avaliação de SobretensõesProvenientes das Manobras de Reatores dePotência em Derivação nas Subestações deCoxipó 138 kV, Rondonópolis 230 kV e CoutoMagalhães 138 kV”; Relatório TécnicoCEPEL/DTI/ACET 7324/03, 12/02/2003.

[7] Silva, M.T.F.; Azevedo, L.C., Santos, W.R.,Bonoliel, J.R.N. – “Investigação de Manobrasnão Controladas em Bancos de Reatores dePotência em Derivação nas SE’s Rondonópolis,Coxipó e Couto Magalhães, Pertencentes àELETRONORTE-MT”; Relatório TécnicoCEPEL/ALAB/UNIAT 0932/2002, 28/10/2002.