~IMEIRA CONVENc:;:Ao LATINO AMERICANA CO IEEE

,=u~SO n - ESTUOOS REALIZAVEIS EM SISTEMAS

ELETRICOS cE POT~NCIA

PARTE 1 - cEFINU;:Ao cOS ISOLAMENTOS

COLABORAc;AO: ESCOLA POLlTECNICA UNIVERSIDADEDE SAO PAULO ETHE MAG ENGENHARIA LTDA.

PROFESSORES: JOSE ANTONIO JARDINIANGELO VIANERNESTO JOAO ROBSA

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3.1 - Sobretensoes de origem atmosferica

3.2 - Sobretensoes de manobra

3.3 - Sobretensoes a frequencia impressa

3.4 - Natureza estatlstica das sobretensoes

..., 1 - Curvas de suportabi 1 idade dos isolamentos

auto-regenerativos 17

DEFINlg~O DO ISOLAMENTO

Entende-se por projeto de isolamento as atividades da eng!nharia que visam projetar as caracteristicas dieletricas(isolantes) dos sistemas e suas prote~oes em rela~ao as so1 icita~oes de tensao que podem ocorrer.

Como exemplos de isolantes podem-se citar as cadeias de isoladores de uma 1 inha de transmissao, as distancias entre condutor energizado e a torre ou solo, 0 papel isolante de tran~formadores etc. Como exemplos de prote~ao podem-se cRitar ospara-raios e descarregadores de chifres.

Neste trabalho procurou-se descrever uma metodologia de tr~tamento do projeto dos isolamentos, baseado em diferentes -5 u po r tab i 1 idad e d 0 5 gap 5 e usa n d 0 pro c e 5 5 0 e 5 ta tis t ico .

Este assunto esta sendo intensivamente pesquisado procura~do-se determinar a flsica das descargas, ao mesmo tempo queest~o se aprimorando estes meios de tratamento, podendo futuramente haver altera~oes.

)enomina-se elemento isolante a urn bipoJo onde e aplicadouma tensao e que apresenta impedancia praticamente infini-ta ate 0 instante de descarga e impedancia praticamente nula apos.

Diz-se que urn bipolo isolante e auto regenerativo quando -ele recupera suas caracterlsticas isolantes apos a descar-~a causada pela aplicaliao da tensao de teste. Como exemplossituam-se os isolamentos externos como as cadeias de isola-Jores, a distancia dos condutores ao solo e outros.

~o caso contrario, 0 bipolo e denominado nao auto regenera-tivo pelo fato de nao recuperar sua capacidade isolante -apos a descarga. Como exemplo tem-se os isolamentos inter-~os (pape] impregnado a oleo dos transformadores, gerado-'-es, etc.).

::cJanto a Jocaliza<;ao frsica 0 isolamento pode ser conside-'-ado exposto ou nao expos to se nele puder ou nao ocorrer -_, tipo de sobretensao. A entrada de linha ate 0 disjun-

e um isolamento exposto as sobretensoes de manobra de-1m de I inha durante reI igamento, 0 mesmo nao acontecendo-:~m 0 barramento.

~:nda pode-se classificar urn isolamento como crftico ou-30 crrtico quando a sua falha provoca ou nao defeito nas:arras resultando na abertura de varios disjuntores com -::::) 5 S r v e i,5 in c 0 v e n ie n t e 5 a est a b i ] idad e d 0 5 i 5 t e m a (d e f e i t0

-2 barra da subesta<;ao).

3 - SOLICITA~OES DIELtTRICAS

As solicita~oes aos dieletricos constituem-se na tensao OP!rativa e nas sobretensoes.

Enquanto que a tensao operativa e uma solicita~io contInuae para qual nao se aceita uma descarga do isolante. as sobretensoes se caracterizam por uma dura~ao transitoria detempo relativamente curto e para a qual aceita~-se algumasdescargas.

a) de origem externa, constituTdas pelas descargas atmosfe-ricas nos sistemas;

b) de o~igem interna; estas aparecem devido a modifica~iode corrente ou tensao nos sistemas pela manobra de um -di sjuntor ou secci onadora. ou curtos e sac constiturdas deduas partes: uma primeira rapida (alguns ciclos) bastante amor-tecida, de valores bastante elevados. devida as osci la-~oes dos ci rcuitos RLC das linhas (sobretensoes de manobra); a segunda ja de dura~ao de alguns segundos , de -natureza senoidal, ~s vezes distorcida: sio as sobretensoes a frequencia impressa (com ou sem harmonicas).

- energi zac;ao ou abertura de 1 inhas- ocorrencia e eliminac;ao de curtos

re 1 i9 a me n to s m 0 no e t rip 01 a r d as in has- rejeic;ao de carga

abertura ou inserc;ao de correntes indutivas (reatores etransformadores em vazio)

em tres categorias: sobretensoes de origem atmosferica, sobretensoes de manobra e sobretensoes a frequencia impressa(sustentadas) .

-menores que 200 ]JS e sac provocadas por quedas de raios na1 inha, atingindo uma fase ou 0 cabo para-raios. No segu~do caso, ocorrera uma sobretensao no tope da torre no p~ra-raios, transferindo uma parte deste potencial is fa-ses atraves do acoplamento capaci tivo entre estes. Estassobretensoes tem a forma da fig. 2a. e sac representadas emlaboratorio por uma onda triangular com uma frente (tem-po de subida) de 1,5 a 2]Js e uma cauda definida pel0tempo ate atingir 50% do valor de crista,em geral da or-

".11

...", ,-... r.... --/)

!.e,

r -...., -II,,-- - - -- - - - - --

intensidade de corrente do raio (0 a 200 kA)- f re n t e de on dad 0 ra i0 (0 a6 )1s)

resistencia de aterramento das estruturasvalor da tensao no instante de ocorrencia do valor depica

coeficientes deraies

impedancias caracterlsticas dos cabos e torre- posis;:ao de queda do raio: meio vao, quarto de

r e (p a r a - r a i os 0 U fa s e) .

Estes fatores fazem com que 0 isolamento tenha uma solieita~ao de caracterfstica variavel podendo ser definida poruma distribuic;:ao estatlstica dada por um valor mediov50% e um desvio padrao 0 (distribui<:;:ao gaussiana).

Esta curva de distribuis;:ao e calculada pela simula~ao dofenomeno em computadores digitais.

Estas correspondem aos primei ros instantes das sobreten-soes de origem interna, apre5entando frequencias de ate -mi lhares de hertz. Conslderando sua forma de onda, no quese refere ao isolamento elas podem ser representadas poruma onda unidi recional do tipo da do i'tem 3.1, apenas quecom duras;:ao bem maior (frente de onda de 100 a 300)1s etempo de descida ate atingir 50% do va1cr de crista de2500 a 3500 )15).

Na fig. 3 a 5egui r estao apresentados um tipo de sobre-tensao de manobra e a forma de onda representada em labo-ratori o.

/

I ~~

U - - - - -- -- - - --

.

Estas sobretens~es s~o determinadas por estudos em anali-

sadores de transitorlos (TNA-Transient Network Analyser)ou pr£

gramasdigitais, onde 5130 determinadas suas distribuic;oes pro

babilfsticas definidas por urn valormedio VSO%eum desvio padrao-

podendo 0 valor maximo ser estimado por VM = VSO% (I+Ka)

(K = 3 a 4).

Alem do instante de ocorrencia da manobra, outros fatores

tern influencia no valor da sobretensao de manobra confor-

me sera descrito a seguir.

- caracterlstica da rede de alimenta~ao (potencia de

curto, numero de circuitos, etc.)

- parametros e comprimento da I inha a ser inserida.

- resistores e transformadores 1 igados a 1 inha- diferen~a de tempo de fechamento dos polos dos dis-

juntores (0 a 5 mSltensao na barra por onde sera energizada a 1 inha

Este valor maximo pode ser control ado e diminuido atrayeS dos seguintes metodos:

- uso de para-raios descarregadores de surtos- uso de resistores de pre-inser~io nos disjuntores -

Uo 0 a 600 rt) com tempo de 6 a 15 ms- fechamenta sincronizado des polos. Fechar quando

a tensao polo . nula '(auno e com um erro pe-queno !:It) e curto-circuitar a resistencia quando atensao atraves dela e nu1a.

b) Religamento trif.ssico da linha

- 0 defeito que provocou a abertura e a sequencia deabertura dos polos do disjuntor

- a c a rg are 5 t d u a 1 n a cap a c ita n cia d a 1 in h a- as meios de descarregar esta carga, como a presen~a

de reatores na 1 inha, a condutancia de fuga, ostransformadores em vazio, transformadores de poten-cial,etc.

- a resistencia inserida na abertura- a resistencia inserida no fechamento dos disjunto-

Conseguindo-se descarregar a carga residual durante 0

tempo morto, as sobretensoes ficam iguais ao caso deenergiza~ao. Alguns destes processos sio: instala~ao

de TPs indutivosna linha, inser~ao de resistencia emserie aos reatores das linhas, instala~ao de seccionadoras para descarregar a 1 inha.

c) Religamento monopolar

Os fatores que influem sac aqueles ja descritos nosub-item a e mais:

Neste caso os reatores nas linhas pioram os valores -de sobretensoes.

d) Elimina¥ao de curtos

- condi~oes de funcionamento da rede antes do curto- distancia e tipo do curto- sequencia de abertura do disjuntor- uso de resistencia em abertura

e) Rejeiiao de carga

- condi~oes de funcionamento da rede- a sequencia de abertura dos disjuntores

Tambim neste caso 0 uso de resistencia em abertura diminui 0 valor da sobretensao de manobra.

f) Ocorrencia de curtos

- caracterlstica de funcionamento da rede- ponto de ocorrencia do defeito na linha- instante de ocorrencia do defeito

A redu~ao deste tipo de sobretensao so se justifica -nos sistemas a partir de 750 kV e pode serfeita mediante modifica~ao no acoplamento entre fases ecabo para-raios ou introduzindo circuitos R,L,e no extremo da 1 inha.

Depende principalmente da caracterlstica dos disjunt£res, do transformador ou do reator.

Estas sobretens~es nao sac grandes principalmente nossistemas a alta tensao,onde nos disjuntores nao OGor-re reignierao (restike free).

i) Inserxao de transformadores em vazio

So tem importancia para sistemas de altfssima tensaoe para transformadores de grande potencia e depende -de sua curva de satura~ao.

j) Abertura e inser~ao de barramentos com seccionadores

Depende do circuito e da seccionadora. t. de baixo canteudo energetico e em geral de pouca importancia dentro do contexto das sobretensoes.

Na tabela 1 a segui r estao apresentados alguns valoresmaximos fase a terra de sobretensao para as diferen -tes manobras.

Quanto ao valor da sobretensao entre fases pode-se -dizer que elas sac proporcionais ~quelas fase-terra.T eo r ic a me n t e, e 1a pod eat i n 9 i rum valor de ate 2 v@-zes 0 valor fase-terra.

Este valor maximo depende principal mente da posi~aoem rela~ao ao tempo das sobretensoes fase-terra nasvarias fases.

.-------- -_. -TIPO DE MANOBRA Sem equip.especiais Com resistor Com sincronizattao

, 000 a 600Q) sem resistorValor maximo em pu a %loici0 1inha Fim 1inha Valor Maximo a % Valor Maximo

(l)Ene rg iza~ao de Iinhas 1.5 a 2,5 2,0 a 3,0 15a20 1 ,3 a 2,2 4 a 8 1,45 a 1,7

(2) T3J 1,6Religamento tripolar 2,0 a 3.0 3,0 a 5$"0 10a25 I,2 a I,7 I,3 aI,5 a 2,5

{4) (4 )Religamento monopolar < 2.0 1,8 a 2,5 < 1,8

2,25 a 3,25 < 2,3

0)Eliminattao de Curto < 2.0 < 2,5 I,5

OJRejeic;:aode carga 1,25 a 1.75 1,5 a 2,0 1,5

Ocorrenci a de curtos 1,3 a 1,6 1,6 a 2,2

Abertura de Cargas induti- 2.5 (3)1,3 a I,5vas

~bertura de linhas em vazio 1,3 a I,5

NOTAS - I2 -3 -4 -

Usando para-raios descarregadoresValores indicados sac pessimistasCom resistor em aberturaPresentta de reatores na I inha

rigem interna; sac de natureza senoidal,cidas por harmonicas e sao representadaspor uma onda tambem senaidal (Fig. 5).

~as vezes, distorem laboratorio -

Elas aparecem em alguns dos fenomenos lndicados no Item

3.2,conforme sera descrito a seguir

A sobretensao SListentada neste caso depende da caracte-rlstica da fonte de aiimentac;ao e do circuito a ser energizado, Os reguladores de tensao das usinas contr~lam em parte estas sobretensoes. A existencia de trans

tens~es quando se saturam e introduzem harm5nicas nosistema. Neste caso, estas distor~oes podem ser do tipo transitorio au permanente com picas notaveis de sobretensao (ferraressonanci a)

b) Religamento trifc3sico de linhas

5e por problemas mecanicos Um dos disjuntores dos doislados da linha nao se fechar 0 sistema se encontrara -em condi~ao semelhante a descrita anteriormente.

Considerando um sistema alimentado por uma unica usi-na, ao ocorrer a rejei~ao da carga ocorrera uma sobre-ten sa 0 em todo 0 s i 5 tem a de v ido a 0 e f e itoe a pac i t iv 0

estando constante a for<;a eletromotriz interna dos ge-radores. Este aumento de tensao ocorre tambem nos ter-minais de maquina, introduzindo um sinal de erro ao re-gulador de tensao,que produz a diminui<;:ao de excita~aoda miquina, controlando em parte esta sobretensao. Poroutro lado, a perda de carga provoca a acelera~ao dasm a qui n a s, a u men t a it d 0 a f re que n cia, 0 que con t rib u i rap a -ra aumentar a sobretensao. Se estas rejei~oes ocorremno lado de baixa do transformador este ficara solicitado pela sobretensao, podendo se saturar e introduzir -harmonicas no sistema (tambem os reatores de linha po-dem se saturar).

No caso de redes ba5tante interl igadas pode nao 0-

correr aumento grande de frequencia pelo fato de nao5e perder a carga. Em geral neste segundo tipo de re-de as sobretensoes apresentam-se menores.

Os estudos destas sobretensoes sac real izados em com-putador digital calculando-se as tensoes interna e afrequencia nos geradores e com estes valores no TNAcalculam-se as sobretensoes harmonicas (representandoos elementos saturave is).

d) Ocorrencia de curtos

Dependendo do aterramento do neutro do sistema a ocor-rencia de curtos para terra pode fazer elevar bastantea tensao nas fases sas.

Em geral 05 sistemas a alta tensao sac bem aterrados,-ocorrendo valores nao multo elevados de sobretensao.Entretanto,se-seadmitir a ocorrencia de um curto na linhadurante, por exempl0, um transitorio de uma rejei~ao decarga, esta sobretensao pode se superpor e terum papel

importante.

e ) 0 sou t r0 s fen (;me noszem sobretensoes sustentadas ou produzem-nas com valoresinsignificantes.

3.4 - Natureza estatrstica das sobretensoes

Conforme descri to no sub-item anterior as sobretensoes deorigem atmosferica e as de manobra tem natureza estatfstica e poderao ser definidas pela sua curva de densidade depro b a b i 1 idad e 0 U sua i n t e g r a 1, a cur v a d e pro b a b i 1 idad e .

FIG. 6 - Densidade de probabilidade f(V)Curva de probabi 1 i clade F (V)

A curva de probabi 1 idade em geral e ajustada par uma fun-~ao gaussiana e fica determinada definindo-se dois param~tros um valor de posi~ao (p.ex. VSo%) e 0 desvio padraoo

v - VSo% 16%VSo%

Nem sempre 0 valor VSo% ~ adotado para 0 valor de posi~a~

Adotando por exempl0 um valor 10% para p05i~ao poder-se-ia calcular 0 outro Vlo% = VSo% (] ]',30)

FlG, 7 - Curva de Probabi 1 idadeAs sobretensoes sustentadas podem tamb~m ser consideradasde natureza probabi 1.fst ica, uma vez que dependem da condi.,~ao de funcionamento de rede (0,9S a 1,oS pu). Em geralisto nao e feito, sendo apenas considerado 0 valor maximode ocorrencia. t tratada tambem da mesma forma a tensao -operativa.

A suportabi 1 idade dos isolantes e de natureza estatlstica

e avaliada em laboratorio, para diferentes tipos de solic!..

tar;ao (para ondas representativas de surtos atmosfericos,

de manobra e frequencia impressa, Item 3).

Existe grande volume de dados para os isolamentos auto re-

generativos, especificamente sobre cadeias de isoladores e -

distancias em ar (gaps).

Estas suportabi 1 idades vem definidas pela sua curva de pro-

babi 1 idade dada por um valor de posir;ao e desvio pqdrao.

OBSERVA~AO: Neste caso as normas IEC definem para 0 valor -

de posir;ao 0 valor 101% de descarga ou 90% de -

suportabi 1 i dade.

Os ensaios para as ondas unidirecionais (manobra, impulso -

atmosferico)sao realizados seja com polaridades positiva, -

seja negativa e em duas condir;oes ambientai 5 (ASA)

- a seco (25'?C, 760 mm de mercurio, 0,6085 polegadas de pre~

sao de vapor d'agua).

- sob chuva (taxa de precipi tar;ao 0,2 polegadas por minuto)

tes das mencionadas as valores sao corrigidos por for-

mulas que serao mostradas a seguir (Item 4.1e) .

.'-1 suportabilidade de um isolante e em geral diferente con-

forme as condi~oes citadas.

- Curvas de suportabi Ii dade dos i solamentos auto regenera-

tivos

No projeto dos isolamentos de uma 1 inha de transmissao

sao estudados as seguintes componentes:

- cadeia dos isoladores

- gaps parte viva-torre

- distancia entre fases

- distancia condutor ao solo

Visando 0 projeto destes isolantes, foram elaborados

rios estudos (baseados nos resultados de laboratorio)

ra relacionar 0 comportamento de diferentesgaps.

a) Comportamento para sobretensao de manobra

Da anal ise dos varios

se a seguinte formula

K.500.dO,6

- V50% e 0 valor 50% de descarga para manobra de -

pol a rid a d e pas i t i va a 5 e co (k V)

- d distancia do gap (m) (2 a 7m)

- K fat 0 r que d e pen d e do tip 0 dog a p

I FATOR KI

TIPO DE GAP SI CAD CI CADl,s IHASTE - PLANO - 1 ,a 1 ,a

HASTE-ESTRUTURA (abaixo) If 1 ,05lZI25l

CONDUTOR PLANO ::..• 1,15-I CONDUTOR - JANELA [2] 1 ,20 1 , 15I CONDUTOR-ESTRUTURA(abaixo) ::..• 1 ,30I ~, 1/~STE HASTE (H"'3 m abaixo) ..l- 1 ,30

;f ! I2S;;/3i CONDUTOR ESTRUTURA (aeima ate r. ) :: m 1::/ 1 ,35 1 ,30

I (H= 6m abaixo)1;:-

1 .40HASTE HASTE .J. 1 ,30I CONDUTOR-ESTAiS :(II~ 1 ,40

CONDUTOR-BRA~O TORRE ~ 1,55 1 .50::/

(H=3m abaixo) : :..11 ,65CONDUlOR - HASTE .L

(H=6m abaixo): ;,F

• CONDUTOR - HASTE .L. 1 ,90ICONOUTOR - HASTE (aelma) ::..1 1 ,9 1 ,75

Na figura a segui r estao desenhadas as curvas do VSo% emfun~ao do fator K para diferentes tipo de ensaio (ondaspositiva, negativa, a seco e sob chuva). Pode-se verifi-car que 0 ensaio com polaridade positiva a seeo determi-nante para gaps de valor K abaixo de l,5.

Obs. 1 - A influencia da cadeia e a mesma seja ela em Vou 1 desde que com grande numero de isoladores(distancia d cheia).

2 - Outros tipos de formula tem sido estudada con-siderando inclusive a varia~ao do isolamento -com a frente de onda adotada, e estudado a dependeneia de K com 0 campo eletrico dos varios

1150%(/tl/ )

t-. Convenc;:ao:+ positivo- negativoS seen

1/50%(k V) litt-;

, I

V60"1" If(kV) ..t

-!. I-f-

c) Gap de 4 m

FIG. 9 - Comportamento dos gaps para diferentesensaios surto-manobra.

.:5· Gaps com isoladores - Os ensaios foram fei tos comtoda a distancia .i preenchida com isoladores. Estes -gaps apresentaram comportamento i rregu]ar para sur-tos negativos a seco.

o valor VsO% apresenta varia~ao 1 inear Com a distanciad. Na fig. lOa esta apresentada a curva do valor(VSO%/d) para as varios valores de K para gaps sem ca-deias. Com cadeias verifica-se uma grande irregulat'id~de de comportamento,principalmente a isolante hasteplano.

i.I 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7.Uil I.' 1.0 I(

Gap sem cadeias,--r-- I

d:Q{o '----V I ~III :op.!, _ ------------r---- \:..1-

"""",1' ......" ..• ,

~:: '

V50%(kV)

FIG. 10 - Comportame.0..to dos gaps para dife

~) f.S2.T.E...2l.!.!!!l!!;.l2 a ills. u i Ii C I a i Ii d u S t r I a 1 ~ ten s a 0 0 e era ~!lY..!

] inhas de altrssima tensao, devendo ser considerada a-penas em 10cais de ambiente po]urdo.

d) Curvas de suportabi 1 idade dos gaps

Nas figuras ]0 a 19 estao apresentados os va]ores VSo%em fun~ao da distancia para os varios gaps.

oZeXo ..J

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I~1/ \ \ .bdV /

,'!J1 / ~ III NANOBRA "\/ lJ.tP05.,NEG. (M)••I'1/7 ~: 1/II i~........ ,....,.•...•...

~/ 000

h Iii II I I

f--

K I 1.15 1.65 1.90 III-i 'I h I 0 3,0 6,0 ~If,~ K=I,9

I I I I 19'CONOUTOR- HAS TE CONOUTOR-HASTE

V I (ABAIXO) , (ACIMA) -0 . 0 j j I

• , , , I

10d(m)

10d(m)

Na Figura 23 esta apresentado a comportamento de al-

guns gaps a frequencla industrial.

- ADICIOIllAR 11% PARA FASES

EXTERNAS

- ANEIS REDUZ DE·O C! 1,5

ISOLADORES

10d(m)

GAP CHEIODE ISOLADORE /"(CADEIA I) ./. I" 50

GAP J /~ ~~SEM ISOLADORES ~ ." .••••~ ~ 40

,.~~:::'-~/.~~ 30

~Y~~~~:"::::.-25 NQ DE ISOLADORES

d/~[,/"'"P'/ _~20~--...4

r/- ADICIONAR 5% PARA FASES EXTERNAS

-EM CHUVA REDUZIR 5 % ---- ANEIS REDUZ 5 %

I

I

10d(m)

IV (PICa,

24 l~~I

I

t---+----~ ,I i Ii : ·i i IJ-~--I:3 4 5

I I1-. -t~I ! I

II I I i~I I '

I I I.!! .r------: 1

1-----1\ ~

I I I jj l l 9 106 1 a

e) Variaxao da capacidade isolante com as condi~oes at-mosfericas

USA-CANADA EUROPAa

Temperatura ( '? C) 25 20Pressao (mmHg) 760 Ia I3 (mbar

Umidade (press3o vapor)(p 01 de Hg) 0,608 0,43Resistividade de chuva(~m) 178Taxa de precipita<;:ao(mm/min) 5,08

Angulo da chuva (graus) 45

Ao variar estas condi<;:oes atmosfericas varia tambem acapacidade isolante. Esta varia<;:ao e calculada por:

Vs tensao em condi<;:oes normal izadasRAD densidade relativa do arH fator de corre~ao devido a umidaden expoente que depende do comprimento do gap

17,93..!460 + T

0,289 b273 + t

-S, b a pressao respectivamente em polegadasdemercurio ou mi I ibar.

o fator de corre~ao H e dado pela curva da figura 24em fun~ao da presseo de vapor P ca1culada por

0.000367 B (T - T') (1 + T'-321571

Ps pressao maxima do vapor saturado (em po1egadas demercurio)

1.1.

1.11

1.10

1.0I

1.00

0.' I

0.'0

0."

0,1 Hg0." • 6 ••

Dista~~

cia d Po

(m)

-pulso atmosferico Manobra Tensaolaridade positiva Polaridade positiva A 1 te rnada

( 1 ) ( 2 )

1 ,0 1 , 0 1 ,001 , 0 0,85 0,851 , 0 o ,70 o , 7 01 , 0 o ,60 0,60] , 0 o ,50 o ,50 II , 0 o ,40 O,4~

0,8 para gaps tipo dupla hastezero para gap tipo haste plano

Ao 5e projetar os varios isolamentos pode-se recorrer aosseguintes processos:

- processo convencional- processo estatlstico

mirHj~Se seu m~ximo valor, per eX6mpio, V'j,.1'1;0

e proporciona-se um i solamento que suporte"" \1 ( 1 + 3 C5 )

e 550 sest" solicita

'!so com ums probabi 1 idade bastante pequena VR := Vr50%

(1+3C5r) (as vezes, adotam-5e condi~oes atmosrericas bastante exageradas). No caso de 50bretensao de manobra pode-se mesmo tamar a maior delas no fim da linha para proje-tar 0 i solamento.

Em geral os fsolamentos nee auto regenerativos sac proj~tados segundo este cri teri e.

Na figura 25 estao apresentadas as curvas de sol icita~aoe suportabi lidade do iso]amento projetado segundo este -criterio.

Vr~l- 3lir)1

j

IVs50

IVr50

Vs50(1+30"'5)

Conslste em definir diferentes valo~e5 de posi~ao da cura de suportabi 1 Idade e calcular 0 respectivo rfsco de

descargao

V",. 9L

e){emp·~(}

p

- - -- - - - - - - --- - -- 1

I+------- V3 ----,-

It

--------------- 1

i.. 2 7 .- Cale u 10 d e r i S C Co par a d i fer e n t e s valor e 5 d e p£

sic;ao de cUI-vas de probabilidade de resistencia.

De posse de mecii ~oes mei:5CH'oi::J' ciS (horarias), norma.!.

me n t e 0 b t 1d as n c Mil 5 t e r i c ,_ ,-"E: r 0 n aut i c a, pod e - s e -

calcular a val' 3~ao de suportdoi idade que sofreria

o isolamento de ida as condi~oe5 atmasfericas. Estas

varia~~es podem ser calculadas para 0 valor de posi-

~ao VSOZ

median to a corre<:;ao (.i~em 4e)

RAD n(~)

com a direc;ao e intensidade cio c,rre. VSO%(d)

rec;ao, intensidade vento).

Uma vez obtida a curva de varia~ao do valor VSO

% com

as condic;~es atmosfericas, e tendo 0 t-isco para dife-

rentes valores de posi~ao, pode~se caicular proporci,£

n a 1me n t e 0 r i s cot 0 tal .

R(", tI

",,---I __

\\, AISCO PAU UM",

CUTA IOLICIl*;AO

~ :.AU DE~'~io.D€

• '.~Olll.,

~Vi

28· Risco total

5eo de desligamento ga!..!...tensao 0E.=ratlva

bi 1 idade no tempo e escolhe-la de tal forma a

correr nenhuma descarga (posi~ao A) ou ter um

pre-determinado (posi~ao B). Fig. 29

-nao 0-

risco -

....- ..,· A/" .

..../ .

......'

I II I

I II I II I I I

I I I II I I I1-J )J0 d -VENTO

B

A

TENSAOOPERATIVA

"ISCO=~T T ••.

::J) Varios isolantes em paralelo (varias torres p.ex.)

Sendo PI a probabi 1 idade de descarga de um gap, no c~

so de existirem n iguais em paralelo (com a mesma so-

licita~ao), a probabilidade de nao ocorrer descarga -

~or nenhum sera (l-Pl)n e a de ocorrer em pelo menos

Assim, no caso de linhas onde existem varias torres -

poder-se-ia determinar um valor de solicita<;ao equiv~

lente,ou seja, 0 valor que aplicado a uma cadeia acar

rete a mesma probabi 1 i dade de descarga no caso de outra

sobre os varios gaps igualmente solicitados. (Fig.30)

Na realidade nunca acontece dos gaps nas v~rias torres

ficarem igualmente solicitados. Por exemplo, no caso

de surtos atmosfericos as sol icita<;oes maximas nas varias

torres ocorrem em tempos diferentes e a onda ao cami-

nhar e atenuada. No caso de surtos de manobras os valores

no come<;o e fim de 1 inha sac diferentes e, portanto, di.

ferentes em todas as tor res (0 mesmo ocorrendo para -

frequencia impressa).

No caso de descarga atmosferica, sendo a velocidade de

propaga<;ao do surto 300 m/~s e considerando que 0 pi-

co maximo ocorre apos 6 ys, pode-se considerar 6 a 10

torres em paralelo no maximo.

No caso de surtos de manobra, admite-se que 0 valor -

da sobretensao varia linearmente do come<;o ao fim da

linha e probabilisticamente determina-se um certo nu-mere de torres equivalentes solicitadas pelo valor do

fim de linha.

rela<;ao n Ine

n = n~ de gaps equivalenteen = n~ total de gaps

a - rela<;ao entre os valores maximos do fim e come-

<;0 de linha (maior que 1,0)

Obtendo-se n calcu1a-se 0 risco total.e

e) Valores normalizados (lEG) para os nfveis de isolamen-to

Na tabela 4, pagina 43, estao apresentados estesveis que correspondem ao valor

v = VSO% (1 1,3 a) = V10%

a = 0,06 para manobraa 0,03 para impulso

~f/)

0: V(I-2u>.¥.

I...IW

,~t-o: V{1-3oQ.

::>f/)

V= TENSPARA

(J= DESVI

CRIT CA 0 DESCAR A EXTER AGAPS" SIMP ES - kV

PAoR :0 PArA UM GA ~_ kV

II

---r----I

I

[II~Lr I

I

Ifi II II II I

II

I

I

Ii I~II

,'~..-!

j! I

I I Ii ! i

I'.•._~~~, , I. i I !

I I ! iI 11 I i \I I I ~ 1"J1

i 1- ---- .,-~~~ r=-fITI ;I ! I

c ~ 650

--·~-750<~-----~---850

C--~---~950

/ ~-

L---[@--] 050< @!J___ ~ __ 1175

~425

. ] 950~ 2]OO

24~

-200 Km

-VA-O MED10=400m

- 525 kV

-SEM ANEIS DE PROTECAO

'/ a lor V 1 0 % = 1 5 5 0 k V ( Tab e 1 a

o valor VSo% correspondente

Admitindo esta linha com resistor de pre-inser<;ao po-de-se adotar para sobretensao fase terra

- ! ITipo de manobra I In i c i0 Linha Fim L i n h a

I ° %(k V) (k V) spu pu,

~ =2,2(940)::ne r9 i za<;ao r~"i .85 ()95) 1 0m I mI \' -1 '.? (c. ' 0 \ I VSO%=I, 70 (]30)I v s 0 % - , , Lj .•. 0 I ) I---- I

:" 1 i 9 a me n to V =2,1(900) V =2,5(1070) 1 0m m

:ripolar VSO%=1 ,61 (690) Vro",= 1,92 (820)=' '0---L---.-- i

- Vm - valor maximo = V50 (1 + 3 os)- V base = 12 525 = 429 kV

maxima sobretensao de manobra e 1070 kV e fazendo:om que esta seja a tensao Vw Vrso (1-3 ~-"sulta

1070 = VrSo (1 - 3xO,06)

VrsO = 1300 kV

o projetos pois dos isolamentos serao feitos prelimina.!,mente admitindo VrsO% = 1300 kV para manobra e 1610 kVpara impulso.

- impulse 2,90 m- manobra 3,90 m

Obs.: No caso de impulse com cadeias em V Os resulta-dos se aproximam da situa~ao sem cadeias.

impulso 2,70 m- manobra 2,60 m(gap com cadeias em V)

Da figura 15 - resultam os seguintes valores de d1impulso 2,70 m

- manobra 3,20 m(com cadeias V)

«0 caso !.(Je(a r/q(/rci' ;2 - re.f(/)~c:?/l?(755e!?v;/?~t3..i ,; -.

res de d

- impulso 3.00 m

- manobra 3.90 m

No caso da figura 35b.pela figura 18 - resultamos se

guintes valores de 11

- impulso 2,90 m

- manobra 2,70 m

No caso figura 35c. pela figura 15 resultam os seguintes

valores de 11

- impulso 2,80 m

- manobra 3.30 m

Destas 3 condi~oes 0 caso be 0 que determina a distan

cia mrnima do condutor ao solo .

.h.

~ sobretensio de manobra admitida para 0 cilculo de -

: : 5 tan cia en t r~e f a s e sse r a 1. 7 x 13 0 0 = 2 2 1 0 e d a f i -

;~ra 22 resulta d = 4.2 para duplo anel e 5.20 para du-

:·a haste.

b5 - Numero de isoladores das cadeias

d

sen 45

o nfvel de suportabilldade do gap com cadeias eo mesmo tanto para cadeias em V ou I, da forma que foi ens~iada nas referencias 2 e 3 (distancia i cheia de isola-dores para cadeia I e distincia ! chela para cadeiasem V).

No caso de cadeias em V nao ha necessidade de enchertodaa distancia ,Q"uma vez que a suportabi1idade destascadeias em sf e praticamente igua1 a das cadeias em Icom 0 mesmo numero de isoladores.

Desta forma,para calcular 0 numero de isoladores deve--se tomar a distancia d e achar 0 numero de isolado-res que enchem esta distincia. Considerando 0 fate docusto dos iso1adores ser baixo em rela':tao ao aumento de peso devido a aumento na distancia em art pode-se co1ocar 10% a mais de isoladores nas cadeias em Vgarantindo assim que as descargast se houver tsejam pe1a cadeia.

Para cadeia interna d = 3,9()n, Item bl e para externad = 3,2()n, Item b2. Na hipotese de se usar isoladores

3"5 '4 x 1011 (146x254mm) obtem-se:

i

d Q, d/146

Cadeia interna 3,90 5,55 26,8

Cadeia externa 3,20 4,54 22,0

Da figura 20, 21, pode-se compor a seguinte tabela:Valores crrticos de descarga pela cadeia (V50%)

rase interna Fase externaNumero de d 3,90 d 3,2=: =

isoladoresCadeia V Cadeia V

20 1 15025 1300 130 030

I

1400 137035 1480 I

De tabela verlfica-se que com 27 isoladores 0 nlvel dacadeia fica acima de 1300 kV. Usando 30 isoladores ob-ter-se-ia um nfvel de quase 1400 kV tanto para fase interna como extarna, valor ja um tanto acima do nrvel

Para a cadeia externa ficar com 0 mesmo nlvel da interna pode-5e pois utilizar 30 isoladores e uma distanciaentre parte viva e massa pouco superior a, por exempl0, -3,25 m.

b6 - Resumo dos valores determinados

Obs. Atendendo a distancia fase-terra para 0 caso,automaticamente ficara atendida a distancia fa-se-fase C> 4,0+3.25 = 7,25)

Na fase central, adotando-se alguns valores de d entre

con d u to i e j an e 1 a ( par a me n 0 bra de en e'lg i z a s: a 0 ere 1 i

gamento)

Pel a fig u r a 13 \j e i" i fie a ~ s e que par a d

vel de restst~ncia V~ ~ vale 1300 kV.,-1 -'0

em pe

cia c:

PeL" curva corresv "dente verifiea-5e que

a pad ~o do conjunto sofre uma redu~io pas-

d CU 1 () com

0 1 0%!S

a == 4%r

- res st~ncia: V ~OQ, fO

V 20 (1";.3xO,1) == 001"\ 5 \

v 1125 (1-3xO,04) == 990w

~1070

Risco=o.o8% e no caso de se Supor um religamento par

ana, tem-se a probabi 1 i clade de um©' descarga em cada -

\}SO% = 1260

V 1-2,30)

V ~ 955.6"I

V--lL "" 0.89V 115

Estes riscos foram calculedos para condi~oes am

bientais padronizadas.

V .- '; ":;,,,",,r :..~_',...'50% - ,)::'eJ 'c

2,2.::;----1 .85

V Ms

Risco = 0.00073 descargas por ana ou uma descargacada 1369 anos.

955.6950

0.0073 descargas por ano ou 1 descarga cada136,9 anos.

Na figura 40 esta apresentado um calculo para uma 1 i-nha ao redor de S~o Paulo com 20000 medi;~es horarias.Pode-se verificar que a maior porcentagem do tempo ascondi;~es sac diferentes de basica diminuindo 0 valorda suportabi 1 idade ..

Na tabela a seguir esta apresentado 0 calcu10 do ris-co da fase interna para rei igamento d = 4,Om conside-rando as condili~es ambientais.

Sigla '\0% 'V, 0% (1-2.30) VwV-ms

Ri see paral.1:1; s-f'l ;-0

887.86922.34939.58

781.31 .73

811. 66 .76

826.83 .773

842. 00 .787

e 1130 974.06 1857.17 ,801r - ~ -

f !1150 991. 1872,34 I .815 !

-,~ ~"r-,<o~~~~~~~~<",l= I =.. ,.,.I9 1170 I 1008,54 100.., ,1 I ,83 I

.' . ,~~.~ ~=~~"~

h ] 190 I 1025.78 j 902.68 I .84 ,

i 1210'-I~02'-' -·"1'91~~r-.857~'1·~_. ~~. ~~"'~'~'-'~-'-'F~-~-=+~'='~-

j 1230 1060,26 ! 933.03 I ,87.. . i

963.37 .90

Freq.% Ri

F i

22.0 .38 8.3613.0 .47 6.1110.0 .854 8.547.5 1.9 14.255.0 3·32 16.60

-

3,5 8.5 29.75-

2.3 P37~42.251.6 47.5229.701.0 t;-; Q-

129.97- ,

I - . 'j!0.66 12.34 8.140.2 .24 .05

SOMA 100% 211.54

211.541 00

Para I inha sob estas cendi~~es meteorcl6gicas. supondeurn rel1 garnento por ano, tem-se a prObi)bi i dade de 1 des

carga em cada 47$4 anos.

~.I~~(Hii~1SI~~!:lO~ I~ l!l

lOP ~~" YliJ...O:l I a NO:> •~:iW01VA ij! isJ i- ZI <C

1 Jla iJ:

I ~N ~j

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- I 1\ -----, I I I

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1--=":: Ff , ' \, . ! ~ I -' ~ 5< _< , L ~- I ' t=

1

-_· . : - -- - -+- -\- I I .----~ ~

L

' - 1 i '\-. -- -r-=-::.~---- ~- - -i- 1'_-.-----ji \ drg, ! r --

, , I \1 I, ! __ ~dG~~ I \ Ir-- ----------,"------- , I

r------- t---=sF--+--=Y=~ + I t --r-_ _ ~I - j I

t---i-! _~-- +.\ - - - ~ ==1 f-I J ---r+--_I- --;----- -------

I I i \ r I

I I }--~!I -- - J ---r---3._._+_ .1 ~~-'\I II I i '~

~~-f!~r=- ! \~- : I_ -r~ + i '\ ' i i--- ----1------\ -- - :-t---- ~---- -+ -- -- - '-==-1f=- L--+__ ~ -1-

- - -- ---'- -+ --------',: J________ \! ,I;-

__ ___.J,____ i-l_ -L ___ J _

1,2

VwiVrl''UJ

De posse das sobretensoes procura-se determinar as partes

isolantes, quais sejam:

- numero de isoladores das cadeias

- distancias entre condutores-estrutura

- distancia entre descarregadores (chifres)

distancia entre fases

- distincia condutor ao solo

nica, OLi para atender problemas especiais,como tra-

vessla de regioes lntensamente poluldas. Da mesma

cadeias (suspensao simples, dupla, em V ou horizon-

tais) para atender criterios tecnicos economicos, c£

mo tambem a filosofia de usa de chifres descarregad£

res nas cadeias ou nao.

o projeto era fe~de cadeias com va

- duas hastes (rod-rod)- haste plano (rod-plane)

NesU~ projetos prepondenna a influencia do impulso, fa-

tor d~terminante nB escclha do isolamento.

Com 0 usa de tensoes superlores (400, 500 kV) particularaten~~o fol dada ao cilculo das sobretens~es de manobra eao dimensionamento do Is01amento para estas. Em geral pro-

curava-se determinar 0 isolamento em laboratorios atravesde ensaios num modelo real das cadeias e gap.

Varios destes ensaios foram reunidos a outros especialme~te real izados e podem ser usados para determina¥ao prel i-minar do isolamento.

Figura Al - tensao ssm descarga (Vw)withstand VwVSo (1-30) em fun;;:ao do numera de isaladores (cadeias verticais).

Figura A2 - tensao critica, 50% de descarga, em fun~aodo numero de isoladores (cadeias verticais)

Figura A3 - tensao sam descarga para manobra (sob chu-va) em fun~io do numero de isoladores - ca

b) ~=--"g a p~."

Figura A4 ~ tensao crltlea (50%) a impulso em funt;:ao da

Figura AS ~ tensao critlca (50%) a manobra em funt;:aoda distancia dos gaps.

Conclus~es: Palo exame destas curvas conclui-se que paradefinir 0 isolamento das cadeias deve-se considerar:

sobretens~es a impulso positive sera

- sobretens~es de manobra negativa a ",eCG

- frequencia industrial sob chuva

- cadeias horizontais tem maior capacidade isolante que

cade i as em V, que por sua vez tem ma is capac i dade que

as verticais.

- impulso positivo seeD

- manobra positiva

- frequencia industrial a seco

Exemplo: Projetar as distancias para uma 1 inha de 400 kV

de forma a atender (valor sem descarga Vw) as -

seguintes sobretensoes:

- impulso

- manobra

1675 kV12

2,7 x 460 (3=

12 4601 , 7313

12_.: 376 kV13

::Jbretensao Vw N? is 0 l. V5o% GaDS ( m)(fig.Al)

(Fig.A2) Haste-haste Haste plano

-:Jlso 1675 21 1800 3,20 3,40

-=-:Jbra 1020 24 1 1 20 2,10 3,50-~--=:Jencia

- : _ 5 t ria 1 650 l5 800 1 ,40 1 ,90

- --::- s a 0

:-::-ativa 376 1 0 - o ,7 a o • 8

- 24 iso1adores- 3,20 entre os chifres da cadeia- 3,50 para a distancia minima do condutor estrutura

(projeto pe1a gap haste plano)

Uma 1 inha projetada desta forma tem os seguintes va10resde tensao crltica V50%

impulso 1800 kV- manobra 1120 kV- frequencia industrial 1300 kV crista (determinado pelos

gaps)

1) 0 valor de sobretensao a frequencia industrialdeterminante para 0 isolamento.

2) 0 numero de iso1adores e distancia condutor-estruturaforam definidos pe1a sobretensao de manobra.

3) Para a posi~ao do condutor cadeia na estrutura deve-se adicionar a di stancia minima condutor-estrutura 0

posslvel balan~o das cadeias pelo vento.

4) Para a mesma sobretensao de manobra (1020 kV) poder-se-ia utilizar:

18 isoladores para cadeias horizontais21 iso1adores para cadeias verticais

VwVw = V50 ( 1- 3 rr )

2200

2100

2000

1900

1800

1700

1600

1500

> 1400

~1300

:EW

1100

0t«

Cf)

ZwI- 800

700

600

--t--~-H--+--i--- I I - r------,

I! I'..1- --~ -+--+---+--J----+----+---jI , ! i'l !---t·_-+·-+-+---t !

, ' j I

-+- - --+--+- ~----~-I-+-- ---t-·_-+~ -t" -- - 1-- .~!. -~

i : I '

--J --+", ----:--~:... ---f-- +----1! : !

I I I I 1·- --J. ---+ 1--+ - -j-- -I -

i I ! I

-+- i-tTi- --+-

2100

2000

1900

1800

1700

1600

1500

1400>...:

1300

::E 1200LlJ

11000let

1000(I'JZLlJ 900!-

800

700

600

500

400

300

200

100

0

/' ~IIf'

t i' /' ~I ANOE RA! 1-5/ .If /-5 i .••.""i '1;/ ""

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V \/ ..-~ MA 08R:4

/ / / / ;-,/

1/ ,/ '/I I

/ 1/ ~ V I.~.. I

'// /I I./

i 'I ", I I// / I I

/11 / • +~ / I

I

I

V I II I

I I I

III

,

I

3600340032003000

> 2800~2600

:2I&J 24000 2200

h;t

(J) 2000zw 18001-.

1600140012001000

800600400200

0

V// v//

I////

/// '/////

h/

77I11

// '. i

//~ /

//W

~

DISTANCIA EM METROS

P/

/ " j".o •••• -_ .•.. ~DUTOR

/ ". F;STRUTURA".""

V ~/// ",," ...•.•~

// /HAS [rE PLAN 0

I- . -- -L-/! .- ./)~~/.V.//~./'

1/ /// /

;///I~'/

I!~~1/1

J'I

J'If -

1600

1500

1200

1100

1000

900800

700600

400300

200

..DISTANCIA EM METROS

1500 Vw

140

1300120011001000

9000070060050040030020100

0 kV ........H RIZONTk --- 10'"

/1-""'" lfC4eCl) --./ -- - ---./ ~ ---,..., ...-/ ......-

VEfIlflC L (1 )

0/' ........-::: ::;....-

./ ..•~/" ..••-'/ ...

J /'..~,/ ~"7

./ -9/~,-~ '"

0"-24 27 30

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