Análise de transitórios devido a manobras de disjuntores a vácuo em transformadores de potência imersos em óleo

maio, 2016

Edição 123 – Abril de 2016
Artigo: Transformadores 
Por J.R. Cogo; N.C. Jesus, e L.M. Duarte*

 

Este artigo apresenta os resultados de medição obtidos em campo envolvendo transformadores de potência com tensão nominal primária em 34,5 kV imersos em óleo isolante e as correspondentes simulações para identificar os resultados esperados das sobretensões entre fase e terra na bucha destes equipamentos. Também se apresenta uma comparação com resultados obtidos em diversos transformadores de potência com meio isolante sólido (a seco) envolvendo diversas unidades industriais.

 

Introdução

 

Em complemento à análise realizada no artigo publicado anteriormente nesta revista (edição nº 110, de março de 2015, “Transitórios em transformadores a seco”), será apresentado, a seguir, o estudo do comportamento de transformadores de potência imersos em óleo isolante durante a ocorrência de manobras de energização e desligamento de disjuntores com meio de extinção a vácuo.

Será realizada uma breve comparação entre os resultados apresentados no primeiro artigo para transformadores com meio isolante seco com os que serão mostrados no presente trabalho para transformadores com meio isolante líquido.

Destaca-se que uma das principais diferenças entre os transformadores com meio isolante seco e líquido, esta relacionado nos valores das capacitâncias parasitas características, as quais influem diretamente no comportamento das tensões durante a ocorrência de manobras de chaveamento.

Os transformadores com meio isolante seco apresentam capacidade máxima em torno de 63 MVA para tensões de até 72,5 kV. O uso de transformadores com meio isolante sólido quando são instalados no lugar dos convencionais com meio isolante líquido, normalmente, deve-se ao espaço reduzido e a fatores ambientais. Por outro lado, cabe salientar que os transformadores com meio isolante seco são extremamente sensíveis às solicitações impostas devido à ocorrência de manobras de disjuntores a vácuo.

 

Manobra de disjuntores a vácuo

 

Serão apresentados a seguir resultados de medições realizadas pela GSI durante manobras de energização e desligamento de transformadores de potência imersos em óleo isolante com potência nominal de 1,5 MVA, 6 MVA e 16 MVA, com tensão nominal de 34,5 kV, utilizando-se disjuntores com meio extinção a vácuo.

As medições de surtos de alta frequência efetivamente necessitam de equipamentos especiais para converter os sinais de alta tensão e alta corrente para valores compatíveis com os disponíveis nos equipamentos de medição. Todavia, torna-se impraticável realizar medições em campo utilizando equipamentos de laboratório em função do tamanho e dificuldades de instalação. Assim sendo, os resultados de medição são obtidos usando-se os transdutores disponíveis em campo, normalmente, os transformadores de potencial e de corrente existentes para compatibilizar os sinais de medição com os de verdadeira grandeza. Cabe ao analista verificar as ordens de grandezas obtidas para identificar valores inconsistentes.

As tensões e correntes durante a manobra de desligamento do transformador de 6 MVA são apresentadas na Figura 1, observando uma ligeira oscilação nas tensões e variações transitórias nas correntes, com valores próximos a 2 kA.

 


Figura 1 – Tensões e correntes instantâneas durante manobra de desligamento do transformador de 6 MVA.

 

As formas de onda das tensões e correntes durante a manobra de energização do transformador de 6 MVA são ilustradas na Figura 2, verificando-se, além do comportamento típico das correntes de energização do transformador (inrush), pré-ignições (pré-strike) durante o início do movimento de fechamento entre os contatos móveis e fixos do disjuntor.


Figura 2 – Tensões e correntes instantâneas durante manobra de energização do transformador de 6 MVA.

Para o transformador de 1,5 MVA, o comportamento das tensões e das correntes durante a manobra de desligamento é mostrado na Figura 3. Não foram observadas variações nas formas de onda das tensões, porém, ocorreram reignições das correntes. Não foi realizada a medição envolvendo a manobra de energização deste transformador de 1,5 MVA.

 


Figura 3 &nda

sh; Tensões e correntes instantâneas durante manobra de desligamento do transformador de 1,5 MVA.

A Figura 4 mostra as formas de onda das tensões e correntes do transformador de 16 [MVA] para a manobra de desligamento, sem a ocorrência de transitórios.

 


Figura 4 – Tensões e correntes instantâneas durante manobra de desligamento do transformador de 16 MVA.

Na sequência estão apresentados os resultados durante a manobra de energização do transformador de 16 MVA, sendo observadas reignições nas correntes, porém, sem a ocorrência de transitórios nas tensões.

 


Figura 5 – Tensões e correntes instantâneas durante manobra de energização do transformador de 16 MVA.

  Foram realizadas ainda outras manobras de desligamento e energização de outros transformadores com potência nominal de 6 MVA, porém, com comportamento similar aos apresentados nas Figuras 1 e 2.

 

Na maioria dos casos medidos, verificou-se a ocorrência de transitórios de corrente de altas frequências, tanto em eventos de energização (pre-strike), quanto nas manobras de desenergização (restrike).

 

 

Apesar das múltiplas ignições e reignições (rebatimentos ou “repiques”) verificadas pelo comportamento das correntes dos disjuntores, não foram registradas sobretensões significativas nas barras principais em 34,5 kV, responsáveis pela alimentação dos transformadores analisados.

 

Observa-se também que, para o transformador de 16 MVA, não ocorreram transitórios de alta frequência durante as manobras de abertura do disjuntor (restrike).

 

 

Simulações no programa ATP

 

O circuito equivalente utilizado para as simulações de reignições no programa ATP é apresentado na Figura 6 a seguir.

 


Figura 6 – Circuito equivalente utilizado para simulações no programa ATPDRAW.

Será utilizado nas simulações o mesmo circuito do artigo anterior (ver referência), alterando-se os valores das capacitâncias parasitas para a representação dos transformadores de potência imersos em óleo isolante. Serão apresentados os resultados das tensões e correntes no disjuntor e as tensões fase-terra na barra principal (ponto B1) e no primário do transformador (ponto B3).

 

Resultados de simulações

 

Tomando como base o circuito da Figura 6, serão apresentados a seguir os resultados de simulação de restrike, considerando os valores típicos para disjuntores a vácuo com capacidade de resfriamento rápido. A Figura 7 mostra o comportamento das tensões entre os polos do disjuntor durante a ocorrência das reignições (vide pontos de B1 para B2) com a curva ULIM calculada. Na Figura 8 é apresentada a corrente no disjuntor durante as reignições.

 


Figura 7 – Comportamento das tensões entre os polos do disjuntor durante as reignições (valor máximo de 106,6 kV).


Figura 8 – Comportamento das correntes no disjuntor durante as reignições (valor máximo de 36,6 kA).

 

 

A Figura 9 mostra o comportamento das tensões fase-terra, no ponto B3 (nos terminais do transformador em análise) e a Figura 10 apresenta as tensões no ponto B1 (barra principal).

 


Figura 9 – Comportamento das tensões fase-terra no ponto B3 durante as reignições (valor máximo de 127,5 kV).

 


Figura 10 – Comportamento das tensões fase-terra no ponto B1 durante as reignições
(valor máximo de 29,9 kV).

Os resultados de simulação de restrike apresentaram comportamento semelhante aos mostrados na Figura 3. Em comparação com os resultados de simulação do artigo anterior (publicado na edição de março/2015 desta publicação), verifica-se a redução nos valores máximos de pico das correntes e das tensões fase-terra, conforme mostrado na Tabela 1.

 

De qualquer forma, apesar de não serem observadas sobretensões de alta frequência no ponto B1 (vide Figura 10), as tensões nos lados primários dos transformadores, obtidas através de simulação, continuam com valores de sobretensões, com o máximo em torno de 4,5 vezes a tensão nominal do sistema.

 

De forma similar ao artigo anterior (ver referência), as sobretensões encontradas no primário do transformador são reduzidas substancialmente ao se instalar supressores de surto próximos às buchas dos transformadores de potência imersos em óleo isolante. A instalação destes equipamentos deve ser a mais próxima possível das buchas do lado primário do transformador.

Tabela 1 – Comparação transformador a óleo e a seco

Conclusões

 

– Os resultados obtidos em campo, demonstram que os transformadores de potência com meio isolante sólido (a seco) devido aos valores característicos de suas capacitâncias parasitas são mais sensíveis aos transitórios de chaveamento através de disjuntores com meio de extinção a vácuo quando comparados com aqueles imersos em óleo isolante. Verifica-se que transformadores com meio isolante sólido (a seco), diferentemente daqueles imersos em óleo isolante, devem em seu projeto constar obrigatoriamente a instalação de supressores de surto;

 

 

– Naturalmente, os transformadores de potência imersos em óleo isolante, dependendo da distância entre o barramento principal onde se encontra o disjuntor e o local onde o mesmo está instalado também podem necessitar de supressores de surto;

 

– A análise das medições de transitórios de forma qualitativa e o desenvolvimento de estudos de transitórios eletromagnéticos são fundamentais a avaliação do desempenho de sistemas elétricos quanto as manobras e impactos de chaveamentos de disjuntores nos transformadores, direcionando a aplicação de protetores de surto em aplicações industriais.


 

Referência

 

  • Cogo, J.R.; Jesus, N.C.; Duarte, L.M; “Transitórios em Transformadores a Seco”, Revista O Setor Elétrico, edição nº 110 de março de 2015, páginas 116 a 127.

*João Roberto Cogo é engenheiro eletricista e sócio da empresa GSI Engenharia e Consultoria Ltda.

 

Nelson Clodoaldo de Jesus é engenheiro eletricista e sócio da empresa GSI Engenharia e Consultoria Ltda.

 

Luiz Marlus Duarte é engenheiro eletricista e engenheiro da empresa GSI Engenharia e Consultoria Ltda.


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