Anatomia de uma falha elétrica complexa e sua análise investigativa

mar, 2013

Edição 84 – Janeiro 2013

Coluna Casos e causos

Por Cláudio Mardegan*

Anatomia de uma falha elétrica complexa e sua análise investigativa

 Aproveitando os ensinamentos de Confúcio:

“Há três maneiras de adquirir sabedoria. A primeira delas e a mais nobre é pela reflexão, a segunda e mais fácil pela imitação e a terceira e mais amarga por experiência própria, que também é conhecida pelo jargão ‘Quem não aprende pelo amor, aprende pela dor’. O objetivo deste trabalho é fazer com que não cheguemos à terceira fase”.

 

Este artigo descreve um acidente ocorrido em uma planta química aqui no Brasil em 2010. A combinação de uma série de falhas cometidas durante as etapas de instalação e comissionamento causaram a falha de equipamentos e culminaram com um resultado catastrófico. A falha no fechamento de um polo de uma chave seccionadora de 138 kV, durante o fechamento, iniciou uma série de eventos que resultaram na parada completa da planta. Este artigo irá permitir ao leitor acompanhar os eventos e as análises investigativas que permitiu ao autor identificar e “linkar” os fatos de maneira a explicar por completo a ocorrência e descortinar soluções para evitar a sua repetição. O artigo irá mostrar a anatomia do problema, envolvendo falha de equipamento, arco na mesma fase, transitórios de chaveamento, sobretensões, acoplamento capacitivo, surtos de tensão transferidos pelo transformador, problema de coordenação de isolamento, “flashover”, problemas de sobretensão, falha do painel “resistente ao arco”, culminando com um “arc flash”. As etapas do trabalho serão descritas neste artigo, bem como as lições aprendidas.

 

O sistema elétrico

Apresenta-se na Figura 1 o esquema unifilar simplificado do sistema elétrico de potência analisado.

 Figura 1 – Esquema unifilar simplificado do sistema de potência.Figura 1 – Esquema unifilar simplificado do sistema de potência. 

 

Histórico resumido

a) Energização do transformador T1 de75 MVA, 138-13.8 kV por meio de chave seccionadora sob carga 189-2 do disjuntor de tanque morto de 138 kV.

b) Os polos das fases “A” e “C” da chave seccionadora 189-2 fecham primeiro por problemas de alinhamento da lâmina da chave seccionadora, o contato da fase “B” da chave 189-2 não encaixou corretamente no polo fixo da chave.

c) O problema relatado no item anterior gerou um arco elétrico na mesma fase.

d) Aconteceu na média tensão, em 13.8 kV, uma série de “flash-overs” (descargas) em diversos locais diferentes como duto de barras, buchas de passagem, disjuntor e painel.

e) Ocorreu uma série de atuações dos relés de sobrecorrente do secundário, do primário e a proteção diferencial do transformador T1, causando o desligamento da planta.

 

Contratação dos serviços de investigação

O autor foi contratado para analisar o problema, tentar identificar a(s) causa(s) e propor soluções para evitar novos transtornos.

 

Etapas do trabalho

Os trabalhos seguiram as seguintes etapas:

a) Levantamento de dados em campo

b) Levantamento documental

c) Levantamento fotográfico

d) Análise

e) Simulações

f) Relatório final

 

Descrição individual de cada etapa

 

a) Levantamento de dados em campo

Foi feita uma reunião inicial em que se solicitou ao cliente que explanasse o evento ocorrido, com a maior quantidade de detalhes possíveis. O objetivo de qualquer investigação é a busca de evidências objetivas e claras do evento. Nesta etapa foi feito um levantamento em campo para verificar as condições das instalações, checando-se em campo se os documentos estavam “como construídos”, bem como obter dados de placa/documentos de cada um deles.

 

Durante esta etapa, registrou-se que o resistor do neutro do transformador, que foi projetado para ser aterrado, encontrava-se sem a conexão entre a bucha de entrada e o neutro do transformador. Este fato foi da maior relevância e, inclusive, redirecionou a análise. Veja Figura 2 seguinte.

 

 

Figura 2 – Resistor sem a barra que interliga a bucha de saída que se conecta ao neutro do transformador.

 

b) Levantamento documental

Nesta etapa buscaram-se os documentos do sistema, entre os quais, os dados dos painéis, do transformador, do resistor de aterramento, das proteções.

c) Levantamento fotográfico

O levantamento fotográfico foi muito importante, pois registrou os eventos.

Relaciona-se a seguir as fotos mais relevantes.

d) Análise preliminar

Para os leitores melhor entenderem o porquê da investigação inicial, serão passados primeiro alguns conceitos.

d1) Definições

Capacitância – Dois condutores separados por um dielétrico formam uma capacitância. Exemplo: os condutores de uma linha de transmissão são condutores, a terra é condutora e o ar é isolante. Dessa forma tem-se um capacitor gigante. Veja Figura 3.

  

Figura 3 - Capacitância

 

Capacitância própria – Todos os equipamentos elétricos, tais como cabos, motores, geradores, etc., são constituídos de condutores. Estes condutores são isolados normalmente com papel, verniz ou outros materiais, e como são instalados sobre uma parte metálica, forma-se o que chamamos de capacitância própria do equipamento.

 

Corrente de charging – É a corrente de fuga que circula pelas capacitâncias próprias dos equipamentos. Em sistemas trifásicos, essas correntes teoricamente se anulam por estarem defasadas de 120 graus uma da outra.

Sobretensões transitórias – Em sistemas não aterrados podem ocorrer sobretensões transitórias, quando a tensão atinge valores entre 5 e 8 vezes a tensão normal.

Este fenômeno ocorre quando há falta intermitente em sistema não aterrado. É importante
frisar que a maior parte das faltas se inicia de forma intermitente (no arco, a cada semiciclo ocorre uma ignição e um apagamento).

A Figura 4 mostra os fasores de tensão em condições normais (sistema simétrico e equilibrado). Estes fasores giram a uma velocidade angular w = 2 π f [rad/s]. Se ocorre uma falta franca à terra, na fase “a”, no instante em que os fasores estão como na figura seguinte (a), a tensão, nas outras duas fases sãs, no mesmo instante aumentam de ?3. Isso significa que há um deslocamento do neutro em relação ao terra. Com isso, as capacitâncias próprias das fases “b” e “c” se carregam como se fossem um capacitor em cada fase.

 

Se a falta é removida as capacitâncias tenderão a manter o deslocamento dos vetores de tensão como se fosse um deslocamento DC.

 

 

Figura 4 – Fenômeno da sobretensão transitória.

 

Como os fasores de tensão giram, após ½ ciclo, a posição dos vetores estará como mostrado na figura anterior (c).

 

Nesta condição, a tensão fase-terra já é de 2 vezes a tensão de pico fase-terra. Se quando o vetor estiver como indicado no item (c ) e a falta for restabelecida o potencial da fase “a” será forçado para o potencial da terra. Como o sistema possui uma reatância indutiva, haverá uma oscilação do potencial de fase entre +2 e -2 com uma frequência entre 20 e 100 x ?N.

O processo pode se repetir continuamente e a sobretensão pode chegar de 5 a 8 x Vn.

Após a análise de todas as informações entendeu-se que o arco inicial ocorreu como um chaveamento e isso gerou uma sobretensão. A sobretensão foi transferida para o secundário pelas capacitâncias próprias do transformador. A sobretensão no secundário atingiu valores superiores aos valores nominais suportáveis pelos equipamentos, culminando com flashover em vários locais diferentes. Como o sistema ficou “não aterrado” devido ao fato do resistor não estar corretamente conectado no neutro, as proteções de sobrecorrente terra do secundário não operaram, pois o sistema

encontrava-se com o resistor de aterramento desconectado e a partir do primeiro flashover (falta à terra) iniciou-se o processo para uma sobretensão transitória.

A questão a ser respondida era a intermitência de um arco em uma mesma fase, gerando um chaveamento, em 138 kV, seria suficiente para gerar uma sobretensão que pudesse ser transferida pelo transformador e que causasse uma sobretensão em 13,8 kV capaz de superar a tensão de isolamento suportado pelos equipamentos?

 

Para responder a esta pergunta, foram feitas as simulações descritas a seguir.

e) Simulações

Em manobra da chave seccionadora 189-1 houve um encaixe malfeito da lâmina, que gerou arco na mesma fase. O arco tem ignição e apagamento a cada semiciclo (8 ms), que corresponde a chaveamentos múltiplos os quais geraram sobretensão em 138 kV.

As simulações foram feitas e chegou-se à conclusão de que as tensões que poderiam surgir estariam acima dos limites suportados pelos equipamentos. As Figuras 5 a 8 mostram os resultados das simulações realizadas no software ATP.

Considere o esquema unifilar apresentado na Figura 5 seguinte.

 

 

Figura 5 – Sobretensão gerada em 138 kV e unifilar básico.

 

As sobretensões geradas no primário foram limitadas pelos para-raios de 138 kV a

275 kV de pico. Veja a Figura 6 seguinte.

 

 

Figura 6 – Tensão no lado de 138 kV do transformador.

 

 

Figura 7 – Energia absorvida pelos para-raios de 138 kV de 143 kJ (1.6kJ/kV).

 

A energia absorvida pelos para-raios foi de 143 kJ, ou 1.6 kJ/kV, ficando abaixo de sua capacidade nominal, indicando que estes têm capacidade suficiente de absorção.

Entretanto, esta sobretensão foi transferida para o secundário do transformador por meio das capacitâncias próprias, atingindo valores de 24,5 kV de pico, que equivale a 2,04 pu. A Figura 8 ilustra o exposto.

 

 

Figura 8 – Sobretensão em 13.8 kV.

 

Este processo pode se repetir inúmeras vezes, causando o stress do isolamento com os sucessivos picos que podem perdurar minutos.

Entretanto, o objetivo da simulação foi o de identificar que era possível haver a descarga para a terra em 13,8 kV, com sistema isolado (não aterrado) que desse o “trigger” para se iniciar o processo de uma sobretensão transitória, o que ficou comprovado pelas simulações.

Foram feitas várias simulações de intervalos de chaveamento e ficou demonstrado que a sobretensão máxima ocorreu para o chaveamento em intervalos de 8 ms, que coincide com a frequência de chaveamento do arco (a cada ½ ciclo ocorre uma ignição e um apagamento). A Tabela 1 seguinte mostra os valores atingidos para outros intervalos de tempo.

 

Tabela 1 – Resumo das sobretensões em 13.8 kV para diferentes intervalos de chaveamento.

 

 

f) Análise

 

Evidências objetivas:

O neutro do transformador estava não aterrado;

Houve descargas em vários pontos distintos nos painéis, comprovados pelas fotos. Ocorreram descargas no painel, descargas pelas buchas, nos disjuntores e duto de barras. Veja a Figura 9;

 

Figura 9 – Evidência de sobretensão transitória

 

Após a ionização, houve atuação das proteções de sobrecorrente;

O painel de 13,8 kV é resistente ao arco;

As descargas sucessivas provocadas pela sobretensão furaram a chapa do painel de 13,8 kV;

O arco gerou uma elevada pressão interna no cubículo de média tensão, que vazou pelo furo entre o compartimento de baixa e o compartimento de manobra, atingindo o painel de baixa tensão situado a aproximadamente 4 m de distância. Veja as Figuras 10 e 11.

 

 

Figura 10 – Região do arco onde perfurou o painel e gerou a pressão de escape.

 

Figura 11 – Câmera da subestação mostrando o instante da ocorrência do arco

 

Não houve vítimas ou injúria a pessoas;

Um arco numa mesma fase em 138 kV gera sobretensões elevadas;

As sobretensões em 138 kV são limitadas pelos para-raios;

A sobretensão residual é transferida de 138 kV para 13,8 kV pelas capacitâncias próprias do transformador;

As sobretensões podem ser superiores à tensão de isolamento;

Se as sobretensões são repetitivas podem causar a falha do isolamento.

 

Conclusões, recomendações e lições aprendidas

Neste evento, ocorreram os seguintes fenômenos:

Arco em uma mesma fase;

Sobretensão de chaveamento causada pelo arco;

Sobretensão transitória transferida do primário para o secundário;

Sobretensão secundária;

Sobretensão transitória;

Falha de isolamento (problemas de coordenação de isolamento);

Curto-circuito;

Arc Flash.

 

Com base nas evidências, pode-se concluir o seguinte:

Os para-raios limitam as sobretensões e, mesmo sem haver linhas aéreas, podem auxiliar em caso de sobretensões;

As sobretensões transitórias realmente existem;

A escolha das empresas que fazem instalação e comissionamento deve levar em conta, antes de aspectos comerciais, aspectos técnicos;

Não se podem pular etapas (comissionamento);

Sempre que possível deve-se instalar equipamentos que monitoram a integridade do resistor de aterramento de neutro.

Pode-se instalar equipamentos que atenuam a frente de onda das sobretensões. Esses equipamentos são os snubbers;

É importante estar com roupas “flame retardantes” dentro das subestações, mesmo quando os painéis forem à prova de arco;

Proteções de sobretensão em painéis de 13,8 kV ajudam a proteger os equipamentos. É importante sempre utilizar três TPs para utilizar a proteção de sobretensão e medir sempre a tensão fase-terra, pois de outra forma não se fará uma proteção adequada fase-terra. Em sistemas aterrados por impedância, estas proteções não podem ser ajustadas com temporização instantânea, pois, em caso de falta à terra, deve deixar primeiro as proteções de sobrecorrente de terra atuarem primeiro. Ainda em sistemas aterrados por impedância, o grupo de ligação dos TPs deve ser 3, preferencialmente o 3b.

 

Agradecimentos

Agradeço ao engenheiro Bruno Pazian pelas informações e fotos, ao professor da Unifei, o engenheiro Manoel Martinez, e ao engenheiro da EFEI Airton Violin pelas simulações efetuadas.

 

*Cláudio Sérgio Mardegan é engenheiro eletricista, especialista em proteção de sistemas elétricos industriais e qualidade de energia. Já ministrou por mais de 55 vezes o treinamento sobre proteção e seletividade. É autor do livro Proteção e seletividade em sistemas elétricos industriais, patrocinado pela Schneider e

coautor do Guia O Setor Elétrico de Normas Brasileiras. É membro do IEEE. Atualmente, é diretor da EngePower Engenharia e Comércio Ltda.

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