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SEMINRIO AVANADO EM LINHAS DE TRANSMISSO DE ENERGIA ELTRICA
(SALTEE96)
COORDENAO DE ISOLAMENTO
Ivan Jos da Silva Lopes Joo Flix Nolasco Professor Assistente
Consultor Depto Enga Eltrica / UFMG CIGR RESUMO:
O presente trabalho aborda aspectos gerais da coordenao de
isolamento em sistemas eltricos de potncia, aplicveis a projetos de
linhas areas de transmisso. Inicialmente, so introduzidos alguns
conceitos bsicos utilizados, e discutidos os objetivos que norteiam
um projeto de coordenao de isolamento. Em seguida so caracterizados
os esforos eltricos com os quais o sistema eltrico convive, e o
comportamento do isolamento frente a tais esforos. Apresentam-se
ento mtodos de coordenao de isolamento, determinstico e estatstico,
utilizados na prtica e sua aplicao a projetos de linhas de
transmisso de energia eltrica.
1 - INTRODUO: A coordenao de isolamento compreende a adequao da
suportabilidade de um equipamento, ou arranjo isolante, s tenses
que podem aparecer no sistema para o qual ele foi projetado. Este
procedimento leva em conta as caractersticas dos dispositivos de
proteo, de modo a reduzir a um nvel economicamente e
operacionalmente aceitvel a probabilidade de que as tenses
resultantes impostas causem danos ou afetem a continuidade do
servio. Aplicado a projetos de linhas de transmisso, este conceito
assume uma importncia muito grande, uma vez que visa assegurar a
confiabilidade e a segurana de um sistema eltrico de uma maneira
global. A determinao das necessidades de isolamento de uma linha de
transmisso ditada tanto pelas condies de regime permanente, quanto
pelas condies transitrias que podem ocorrer no sistema. O
projetista deve trabalhar visando adequar, dentro de sua realidade,
um desempenho satisfatrio aos custos do projeto. A forma de se
proteger o sistema contra sobretenses fundamentalmente uma questo
econmica. Seria invivel se pensar em isolar todo o sistema de modo
a suportar qualquer esforo eltrico, mesmo se isso fosse possvel. Da
mesma forma, no faria sentido projet-lo somente a partir da tenso
de operao normal e aceitar todas as falhas causadas por esforos
eltricos transitrios. Um projeto consciente deve levar a um
dimensionamento adequado do isolamento e constitui o objetivo bsico
da Engenharia de Coordenao de Isolamento. Seu sucesso pressupe o
tratamento adequado de informaes diversas, quais sejam: o esforo
eltrico imposto ao isolamento, a suportabilidade do isolamento, os
dispositivos e arranjos de proteo aplicveis, o desempenho aceitvel
e os custos globais envolvidos. Esse trabalho aborda aspectos
gerais da coordenao de isolamento, buscando apresentar os conceitos
bsicos e uma viso prtica de projetos de isolamento de linhas de
transmisso. 2 - DEFINIES: So apresentados nesta seo alguns termos e
conceitos bsicos comumente utilizados em coordenao de isolamento e
tratados neste trabalho. isolamento externo: distncia de ar e das
superfcies em contato com o ar livre do isolante slido do
equipamento que est sujeita a esforos eltricos e a condies
atmosfricas e outros fatores externos, tais como: poluio, umidade
etc.;
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isolamento interno: partes internas slidas, lquidas ou gasosas
constituintes do isolamento do equipamento, as quais encontram-se
protegidas de condies atmosfricas e outros fatores externos, tais
como: poluio, umidade etc.;
isolamento externo exposto: isolamento externo projetado para
operar em locais no abrigados e conseqentemente exposto ao
tempo;
isolamento externo no exposto: isolamento externo projetado para
operar em locais abrigados e conseqentemente no exposto ao
tempo;
isolamento auto-regenerativo: isolamento que recupera
completamente suas propriedades isolantes depois da ocorrncia de
uma descarga disruptiva causada pela aplicao de uma tenso de teste.
Tal isolamento geralmente, mas no necessariamente, externo;
isolamento no auto-regenerativo: isolamento que perde suas
propriedades isolantes e no as recupera completamente, depois da
ocorrncia de uma descarga disruptiva causada pela aplicao de uma
tenso de teste. Tal isolamento geralmente, mas no necessariamente,
interno;
tenso nominal de um sistema: tenso de linha pela qual o sistema
designado; tenso mxima de um sistema: mxima tenso de linha que pode
ser mantida em condies de
operao, em qualquer instante e em qualquer ponto do sistema;
tenso crtica: tambm denominada V50%, corresponde ao valor de tenso
que, quando aplicado um
grande nmero de vezes ao isolamento, resulta em ocorrncia de
falha em 50% das aplicaes e em sua no ocorrncia nos outros 50%;
sobretenso: qualquer tenso entre fase e terra, ou entre fases,
cujo valor excede o valor de pico da mxima tenso correspondente do
equipamento;
sobretenso atmosfrica: sobretenso fase-terra ou fase-fase, em um
dado ponto do sistema, originria de uma descarga atmosfrica ou
outra causa, cuja forma de onda, para fins de coordenao de
isolamento, pode ser considerada similar onda padro de ensaio de
impulso atmosfrico. Sua forma de onda padronizada 1.2s x 50s.
sobretenso de manobra: sobretenso fase-terra ou fase-fase, em um
dado ponto do sistema, originria de uma operao de manobra especfica
ou outra causa, cuja forma de onda, para fins de coordenao de
isolamento, pode ser considerada similar s ondas dos testes de
impulso de manobra. Sua forma de onda padronizada 250s x 2500s.
coordenao de isolamento: conjunto de procedimentos utilizados na
seleo de um equipamento, tendo-se em vista as tenses que podem se
manifestar no sistema e levando-se em conta as caractersticas dos
dispositivos de proteo, de modo a reduzir a um nvel econmica e
operacionalmente aceitvel a probabilidade de danos ao equipamento
e/ou interrupes do fornecimento de energia, causadas por aquelas
tenses;
mtodo convencional de coordenao de isolamento: procedimento
baseado na determinao da mxima sobretenso imposta ao isolamento e
na sua mnima suportabilidade. A noo de mxima sobretenso e mnima
suportabilidade arbitrria, uma vez que tais valores so de natureza
intrinsecamente aleatria. Busca-se estabelecer uma margem
suficiente entre eles com o objetivo de se cobrir as incertezas
envolvidas na sua determinao e nenhum esforo feito no sentido de se
quantificar o risco de falha de isolamento;
mtodo estatstico de coordenao de isolamento: a partir da
considerao de que a falha de um isolamento pode ocorrer, tal
procedimento busca quantificar o risco de falha e us-lo como um
ndice de segurana no projeto do isolamento. A determinao do risco
de falha para uma dada categoria de sobretenso requer o
conhecimento das sobretenses s quais o isolamento fica sujeito e da
sua suportabilidade em termos das respectivas distribuies de
freqncia;
suportabilidade: a propriedade de uma isolao de se opor a
descargas disruptivas; risco de falha: probabilidade de ocorrncia
de falha de um determinado arranjo isolante, calculada a
partir da natureza probabilstica de ocorrncia do esforo eltrico
e da suportabilidade do arranjo. 3 - OS ESFOROS ELTRICOS: O
conhecimento dos diferentes esforos eltricos aos quais o sistema
eltrico fica sujeito e com os quais ele necessariamente ter que
conviver constitui um dos pontos chaves para a coordenao de
isolamento. Esses esforos eltricos, constitudos pelas tenses e
sobretenses, so classificados de acordo com sua forma de onda e
durao. De acordo com a Norma IEC 71-1 [8] os esforos eltricos so
divididos nas seguintes classes:
-
tenso contnua (freqncia industrial): a tenso de freqncia
industrial, considerada como tendo um valor r.m.s. constante,
continuamente aplicada a qualquer arranjo isolante;
sobretenso temporria: sobretenso de freqncia industrial de durao
relativamente longa; esta sobretenso pode ser no amortecida ou
fracamente amortecida. Em alguns casos, sua freqncia pode ser vrias
vezes menor ou maior que a freqncia industrial;
sobretenso transitria: sobretenso de curta durao, alguns
milisegundos ou menos, oscilatria ou no-oscilatria, geralmente
muito amortecida. As sobretenses transitrias dividem-se em:
sobretenses de frente lenta: sobretenso transitria, usualmente
unidirecional, caracterizada por um tempo de frente entre 20s e
5000s e tempo de cauda menor que 20 ms;
sobretenses de frente rpida: sobretenso transitria, usualmente
unidirecional, caracterizada por um tempo de frente entre 0.1s e
20s e tempo de cauda menor que 300s;
sobretenses de frente muito rpida: sobretenso transitria,
usualmente unidirecional, caracterizada por um tempo de frente
menor que 0.1s, durao menor que 10s e com oscilaes superpostas com
freqncias entre 30kHz e 100 Mhz;
sobretenso combinada (temporria, frente lenta, frente rpida e
frente muito rpida): consiste de duas (ou mais) tenses componentes
simultaneamente aplicadas entre cada um dos terminais bifsicos de
um isolamento fase-fase [ou longitudinal] ou isolamento e terra.
Ela classificada a partir da componente de valor de pico mais
elevado.
Na tabela 1 apresentado um resumo dessa classificao dos
esforos.
Tabela 1 - Classificao das sobretenses
de acordo com a IEC 71-1. Do ponto de vista de projetos de
coordenao de isolamento, esses diferentes esforos eltricos podem
ser agrupados da seguinte forma: - Tenso do sistema: O sistema
eltrico geralmente definido a partir de sua tenso nominal, qual
certas caractersticas de funcionamento so relacionadas. Geralmente
o sistema eltrico opera prximo ou exatamente na mxima tenso que 5 a
10% superior tenso nominal. A mxima tenso do sistema corresponde
mxima tenso r.m.s. fase-fase, que ocorre sob condies normais de
operao. Excluem-se a as tenses que aparecem sob condies anormais de
funcionamento. Para estudos de coordenao de isolamento, a mxima
tenso do sistema geralmente tratada em valores por unidade (p.u.).
Para o isolamento, importante entender a diferena bsica entre o
esforo eltrico originado da tenso do sistema e aquele causado por
sobretenses. que as sobretenses possuem durao limitada. Geralmente,
nada pode ser feito para limitar o esforo da tenso do sistema sem
que se
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diminua a potncia transmitida. O esforo eltrico ininterrupto
devido tenso de operao tambm um fator de preocupao quando o
isolamento varia no tempo. A descarga disruptiva poder ocorrer,
caso a suportabilidade do isolamento seja reduzida suficientemente.
As condies atmosfricas podem levar a essa reduo do isolamento entre
um condutor e a estrutura de suporte quando da ao do vento. Devido
ao esforo eltrico continuado, existe maior risco de falha quando o
condutor encontra-se muito prximo da estrutura do que se o
isolamento fosse momentaneamente exigido por uma sobretenso de
curta durao. O isolamento tambm pode mudar suas caractersticas aps
perodos prolongados. Por exemplo, a contaminao por poluio de uma
cadeia de isoladores pode levar reduo de sua suportabilidade.
Condies diferentes de suportabilidade tambm podem ser produzidas
pela chuva, nvoa salina, umidade relativa do ar etc. Estes efeitos
de contaminao podem ser avaliados por meio de testes laboratoriais.
- Sobretenses: Para maior simplicidade, as sobretenses so expressas
em valores p.u., tomando-se a mxima tenso do sistema como valor
base. Numa primeira anlise, pode-se dividi-las em internas e
externas no que diz respeito sua origem. A partir da, tem-se:
sobretenses externas (atmosfricas) e sobretenses internas
(temporrias e de manobra). Uma vez que toda sobretenso um fenmeno
transitrio, uma distino geral pode ser feita entre os transitrios
fortemente amortecidos e os fracamente (ou at mesmo no
amortecidos). As sobretenses atmosfricas e de manobra so fortemente
amortecidas, de durao relativamente curta, caracterizadas por
frentes muito rpidas, rpidas ou at mesmo frentes lentas. J as
sobretenses temporrias caracterizam-se por sua durao relativamente
longa, fraco amortecimento e frentes lentas. Um exemplo tpico a a
sobretenso provocada pela ocorrncia de faltas. Muitas vezes uma
sobretenso de manobra evolui para temporria de forma que a transio
entre estes grupos no claramente definida. Todos esses esforos
eltricos devem ser considerados no projeto de coordenao de
isolamento de uma linha de transmisso ou qualquer outro equipamento
integrante do sistema. Na figura 1 esto sintetizadas as
caractersticas dos esforos eltricos apresentados com respeito sua
amplitude e durao.
Figura 1 - Representao esquemtica dos diferentes
esforos eltricos presentes no sistema
4 - A SUPORTABILIDADE DO ISOLAMENTO: Em geral a tenso que um
determinado arranjo isolante suporta depende de trs fatores: a
amplitude, a taxa de variao no tempo e a durao do esforo. Isto
significa que a suportabilidade do isolamento dependente da forma
de onda aplicada. Outra caracterstica importante a se destacar o
seu comportamento estatstico. Se um nmero supostamente idntico de
testes realizado em um nmero supostamente idntico de amostras
isolantes, ou at mesmo na mesma amostra, a tenso disruptiva variar
de um teste para outro. Existe uma disperso nos resultados. Tanto a
dependncia da forma de onda, quanto o comportamento estatstico so
manifestaes do processo fsico envolvido na disrupo. Tome-se por
exemplo o processo de disrupo por
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avalanche num gs. Existem sempre eltrons livres presentes
oriundos de fontes naturais de radiao, raios csmicos etc. Se tais
eltrons penetram numa regio de campo eltrico elevado, eles passam a
sofrer ao da fora do campo e so acelerados. Se a energia adquirida
pelos eltrons iniciais suficientemente grande, eles ionizaro tomos
neutros a partir da coliso produzindo novos eltrons e assim
sucessivamente evoluindo o processo e chegando-se avalanche. A
figura 2 ilustra esquematicamente o processo.
Figura 2 - Representao esquemtica de uma
avalanche eletrnica no gs.
Pode-se perceber ento que a avalanche no ocorre
instantaneamente, uma vez que necessrio a presena de pelo menos um
eltron livre inicial na regio de campo elevado. Existe assim um
intervalo de tempo estatstico varivel (statistical time lag) de um
evento para outro. Este intervalo pode variar de alguns
nanosegundos at alguns dcimos de microsegundos. Esse tempo finito
necessrio para a avalanche ocorrer denominado intervalo de tempo de
formao (formative time lag). A dependncia da disrupo com a forma de
onda quantificada pela curva tenso/tempo, tambm conhecida como
curva Vxt. A figura 3 mostra como essa curva gerada. Uma seqncia de
surtos de forma de onda constante, com amplitude crescente a partir
de um valor suficientemente baixo, aplicada a um arranjo isolante.
Quando a disrupo passa a ocorrer, o valor de pico atingido pela
tenso e o tempo de disrupo so registrados. A conexo desses pontos
constitui a curva Vxt do arranjo isolante.
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Figura 3 - Obteno da curva Vxt de um arranjo isolante.
Observa-se que as primeiras disrupes ocorrem na cauda da onda
aplicada e, medida em que a tenso aumentada, o momento de disrupo
reduzido, passando a ocorrer no pico da onda ou at mesmo na sua
frente. Existe um valor de tenso particularmente importante para a
coordenao de isolamento, no qual a disrupo ocorre para 50% das
vezes. Define-se este valor como a tenso crtica ou CFO (critical
flashover voltage) do arranjo isolante. A determinao do CFO ser
tratada mais frente neste trabalho. Exemplos tpicos de curvas Vxt
podem ser encontrados na literatura [1]. Essas curvas variam
significativamente a sua aparncia, sendo umas mais planas, outras
mais inclinadas. Isto se deve ao fato de que diferentes processos
de avalanche podem ocorrer no isolamento. Essas diferenas esto
relacionadas com o meio envolvido e com a grau de uniformidade do
campo na regio onde a disrupo ocorre. 4.1 - Determinao da tenso
crtica:
A suportabilidade do isolamento a impulso de manobra ou tenso
crtica V50% tomada como referncia em estudos de coordenao de
isolamento. Ela depende da geometria dos eletrodos e da polaridade
da tenso aplicada. A menor suportabilidade ocorre para impulsos de
polaridade positiva aplicados a arranjos isolantes ponta-plano.
Conseqentemente, o arranjo ponta-plano tomado como referncia e tem
sido estudado extensivamente para fins de projeto. A
suportabilidade de outros arranjos isolantes tomada a partir de
comparao com o arranjo ponta-plano. A relao entre os dois valores
caracterizada pelo que se denomina Fator de Espaamento - K definido
como a relao entre a tenso crtica do arranjo em estudo e a tenso
crtica do arranjo ponta-plano.
4.1.1- Mtodos de determinao da tenso crtica:
Basicamente, existem dois mtodos de se determinar a tenso crtica
de um arranjo: mtodo estatstico de teste: consiste na aplicao de um
nmero de impulsos de valores diferentes
ao arranjo aps os quais pode-se estimar os parmetros de uma
curva de distribuio estatstica. Um desses mtodos laboratoriais
largamente conhecido o chamado mtodo up-and-down. A referncia 3
apresenta uma descrio detalhada de alguns mtodos estatsticos.
frmulas empricas determinadas a partir de testes de laboratrio:
extensivos testes laboratoriais podem levar determinao de frmulas
empricas que expressam a tenso crtica em termos da distncia entre
os eletrodos e do fator de espaamento. Duas dessas frmulas so
apresentadas a seguir.
Testes realizados nos laboratrios de Les Renardieres, Frana, por
Gallet, em arranjos ponta-plano em condies atmosfricas de
referncia, permitiram a deduo da seguinte frmula, vlida para
espaamentos entre 2 e 21 metros:
V
d
50%3400
1 8=
+
Outra frmula proposta por Luigi Paris, vlida para espaamentos
entre 2 e 8 metros, a seguinte:
V K d50%0 6500= . . .
onde: V50% = tenso crtica, K = fator de espaamento, d =
espaamento.
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A tabela 2 apresenta valores comparativos da tenso crtica
obtidos com ambas as frmulas, para o espaamento ponta-plano.
V50% (kV) Distncia (m) GALLET PARIS
2 680 757 3 927 967 4 1133 1149 5 1308 1313 6 1457 1465 7 1587
1607 8 1700 1741
Tabela 2 - Tenso crtica obtida pelas frmulas de Gallet e Paris
(espaamento ponta-plano).
Como pode ser observado, na faixa de aplicao (2 a 8 metros),
usual nos projetos de linhas de extra alta tenso, existe uma boa
concordncia entre as frmulas. 4.1.2- Fatores de Espaamento: Na
tabela 3 so apresentados diferentes fatores de espaamento
utilizados na determinao da tenso crtica.
Fator de Espaamento Tipo de espaamento com isoladores sem
isoladores
ponta-plano 1.00 1.00 ponta-torre (abaixo) 1.05 - condutor-plano
1.15 - condutor-janela 1.20 1.15 condutor-torre (abaixo) 1.30 -
ponta-ponta (H=3m abaixo) 1.30 - condutor-torre (acima aterrado)
1.35 1.30 ponta-ponta (H=6m aterrado) 1.40 - condutor-estais 1.40 -
condutor-msula 1.55 1.50 condutor-ponta (3m abaixo) 1.65 -
condutor-ponta (6m abaixo) 1.90 - condutor-ponta (6m acima) 1.90
1.75
Tabela 3 - Fatores de Espaamento.
4.2 - Nveis de Isolamento: A tenso suportvel pelo equipamento
geralmente expressa em termos de dois nveis de isolamento: BIL e
BSL. O termo BIL (Basic Insulation Level) abreviao para Nvel Bsico
de Isolamento, foi inicialmente relacionado curta durao do impulso
atmosfrico. Prticas modernas restringiram o termo a nvel de
isolamento bsico para impulso atmosfrico e introduziram o termo BSL
(Basic Switching Impulse Insulation Level) para se referir ao Nvel
Bsico de Isolamento para Impulso de Manobra. O termo impulso
refere-se a tenses transitrias produzidas em laboratrio. Por outro
lado, o termo surto refere-se a tenses transitrias originadas em
fenmenos naturais. Valores nominais de BIL e BSL diferem da
suportabilidade do isolamento. Tais valores so selecionados a
partir de uma srie de valores preferenciais, com os quais o
equipamento dever estar de acordo. Se o isolamento for submetido a
uma srie de testes, no nvel de esforo especificado pelo BIL (ou
pelo BSL), ele no dever sofrer descargas disruptivas, ou, pelo
menos, no podero ocorrer mais descargas que o especificado pela
norma. Dessa forma, o valor da tenso suportvel deve ser pelo menos
igual ao BIL (ou ao BSL). O BIL e o BSL so utilizados de duas
maneiras. Para isolamento auto-regenerativo, o BIL estatstico (ou o
BSL) corresponde ao valor de pico do impulso padro para o qual o
isolamento exibe
-
90% de probabilidade de suportabilidade (ou 10% de probabilidade
de falha). Por outro lado, o BIL convencional (ou o BSL) usado em
casos de isolamento no auto-regenerativo, corresponde a um valor de
esforo eltrico para o qual o isolamento no pode exibir nenhuma
descarga disruptiva quando sujeito a um determinado nmero de
aplicaes. Os valores recomendados pelas normas especficas se
aplicam tanto no caso estatstico, quanto no convencional. Para um
transformador de 13.8kV o BIL 95kV, apesar de os valores 75kV e
50kV (para transformadores com isolamento a seco) serem tambm
recomendados. Nesse caso, o equipamento mais barato mas tambm mais
vulnervel aos surtos. O valor do BSL para tal transformador de
75kV. A margem entre a tenso nominal e o BIL diminui com o aumento
da tenso. O BIL de um equipamento com a mxima tenso de operao de
362kV 1300kV. Nesse caso, os valores reduzidos so 1175kV e 1050kV.
5 - INFLUNCIA DAS CONDIES ATMOSFRICAS: 5.1 - Condies atmosfricas de
referncia: As condies meteorolgicas de referncia utilizadas nos
clculos da tenso crtica so as seguintes:
temperatura 20 oC presso baromtrica 760 mmHg
umidade (presso de vapor, presso absoluta)
15.2 mmHg, 11g/m3
taxa de precipitao 5 mm/min resistividade da gua 17800 .cm
ngulo de precipitao 45 o
Tais condies no podem ser consideradas como normalmente
encontradas na natureza. Uma precipitao de 5 mm/min por exemplo,
literalmente uma chuva torrencial, e raramente ocorre com ngulo de
45 o. A presso de vapor de 15.2mmHg ocorre apenas em dias quentes
de vero, quando o ar contm vapor dgua em quantidades elevadas. Por
outro lado, 760mmHg corresponde presso atmosfrica no nvel do mar. A
influncia estatstica das condies meteorolgicas na suportabilidade
do isolamento para surtos de manobra, assim como para tenses de
freqncia industrial medida pela distribuio de freqncia da
Suportabilidade Relativa do Isolamento, tambm denominada RIS
(Relative Insulation Strengh). O RIS corresponde relao entre a
tenso crtica de um isolamento em uma dada condio ambiental e aquela
relativa s condies de referncia. 5.2 - Clculo da Suportabilidade
Relativa do Isolamento (RIS): A correo de uma tenso suportvel, ou
da tenso crtica, de um certo espaamento nas condies de referncia
para o valor correspondente nas condies reais feita pela seguinte
expresso:
V VH
V RISr stn
st= =. .
onde: Vr = tenso crtica, ou suportvel, a uma dada condio
meteorolgica; Vst = tenso crtica, ou suportvel, na condies
meteorolgicas de referncia; = (ou RAD) densidade relativa do ar; H
= fator de correo devido umidade; n = expoente dependente do tipo
de espaamento.
Influncia da densidade do ar
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A presso baromtrica, bo, de 760mmHg e a temperatura ambiente,
to, de 20 oC estabelecem a densidade relativa do ar de 1.0 (figura
4 - ref. 6). A densidade relativa do ar, (ou RAD), para qualquer
outra presso e temperatura pode ser calculada pela seguinte
expresso:
= +
0 386 273, .
bt
onde: b = presso baromtrica (mmHg); t = temperatura (oC).
Figura 4 - Variao da densidade relativa em funo da altitude e
temperatura.
Com o aumento da densidade relativa do ar, ocorre o aumento da
tenso suportvel pelo isolamento. Para pequenos espaamentos, a
suportabilidade para a freqncia industrial diretamente proporcional
densidade relativa do ar: V = .Vo, onde V a tenso suportvel a uma
dada condio ambiente e Vo a tenso suportvel nas condies de
referncia. Uma relao mais geral entre a tenso disruptiva freqncia
industrial aplicvel a espaamentos de qualquer tamanho [10]: V =
n.Vo, sendo o expoente n varivel de 1.0 a 0.4 para espaamentos
variveis entre 1m e 6m (figura 5 - ref. 6). Um aumento da umidade
geralmente acompanhado de uma reduo da densidade relativa do ar.
Conseqentemente, os dois efeitos contribuem em sentidos opostos
para a variao da tenso suportvel, que acaba apresentando uma variao
global pequena. Entretanto, o efeito da densidade do ar torna-se
muito importante em reas montanhosas.
Figura 5 - Expoente n utilizado nos fatores de correo.
Influncia da umidade
-
A tenso disruptiva de um espaamento, ou de uma cadeia de
isoladores, depende da quantidade de vapor dgua dissolvido no ar.
De maneira geral, a suportabilidade aumenta com o aumento da
umidade, com exceo das situaes em que ocorre a condensao do vapor
na superfcie do isolador. A tenso disruptiva, V, a uma dada presso,
determinada pela seguinte expresso: V = Vo/H, onde Vo a tenso
disruptiva nas condies de referncia e H o fator de correo
dependente da geometria do espaamento. A umidade determinada a
partir das temperaturas medidas com dois termmetros: um de bulbo
mido e o outro de bulbo seco. Tais valores so levados a um baco a
partir do qual se determina a umidade (figura 6 - ref. 6).
Figura 6 - Umidade absoluta do ar obtida a partir
das leituras dos termmetros. O fator de correo para umidade, H,
para surtos de manobra e tenso de freqncia industrial determinado a
partir da umidade absoluta (figura 7 - ref. 6). Foi observado que
ocorrem efeitos errticos da umidade para grandes espaamentos
(maiores que 1 metro) e para valores elevados de umidade. Testes
realizados em condies de umidade elevada levaram a valores mdios de
tenso disruptiva menores que aqueles esperados, fazendo-se uma
extrapolao das curvas. Esse efeito creditado condensao do vapor nas
superfcies dos isoladores. Testes realizados com isoladores
aquecidos no levaram a tal reduo da tenso.
Figura 7 - Fator de correo H em funo da
umidade absoluta As condies de umidade so geralmente omitidas em
testes sob chuva. Tal procedimento questionvel e pode levar a uma
falsa indicao da influncia da chuva no comportamento do
-
isolamento. prefervel aplicar a correo para umidade para testes
sob chuva quando a disrupo ocorre no ar e no aplic-la para os casos
em que a disrupo ocorre ao longo da cadeia de isoladores. 5.3 -
Ventos: Os condutores sustentados por cadeias de isoladores em
suspenso na configurao I experimentam ngulos de balano devido ao do
vento, reduzindo ou aumentando a tenso crtica em funo da velocidade
e direo do vento. A partir de dados estatsticos sobre o vento, a
distribuio do ngulo de balano pode ser deduzida. Uma das melhores
expresses para a determinao dessa distribuio estatstica foi obtida
na estao de testes de Hornesgrinde, Alemanha [6]. Baseado nos
resultados desse projeto, um conjunto de curvas pode ser traado,
para condutores singelos em funo de um fator K, especfico para cada
condutor e cada condio (figura 8 - ref. 6):
K D WV H
=
//
onde: D = dimetro do condutor (pol); W = peso do condutor
(libras/ps); V / H = relao entre vo vertical e vo horizontal.
Figura 8 - ngulo de balano em funo da velocidade do vento
a partir dos resultados de Hornesgrinde.
6 - MTODO DETERMINSTICO DE COORDENAO DE ISOLAMENTO: Este mtodo
baseia-se na determinao da mxima sobretenso imposta ao isolamento e
na sua mnima suportabilidade. A noo de mxima sobretenso e mnima
suportabilidade arbitrria, uma vez que tais valores so de natureza
intrinsecamente aleatria. Busca-se estabelecer uma margem
suficiente entre eles, com o objetivo de se cobrirem as incertezas
envolvidas na sua determinao e nenhum esforo feito no sentido de se
quantificar o risco de falha de isolamento. Constitui pois um mtodo
de natureza conservativa, resultando num super-dimensionamento do
isolamento e em custos mais elevados, mais aplicvel a isolamento no
auto-regenerativo. A figura 9 ilustra a idia bsica do mtodo.
-
Figura 9 - Mtodo determinstico de
coordenao de isolamento. A seqncia simplificada para determinao
do isolamento de uma torre de transmisso, pelo mtodo determinstico
(ou convencional), a seguinte: Desenha-se a silhueta bsica da torre
de suspenso tpica da linha em estudo e se representam as
distncias de segurana a serem determinadas. Relacionam-se os
dados principais da linha de transmisso, tais como, comprimento,
tipo de
cadeias e isoladores, vos mdio e gravante, ngulo de deflexo da
torre tpica, condies meteorolgicas da rota, sobretenses de manobra
previsveis (determinadas em modelos analgicos ou digitais) etc.
Para cada uma das distncias de segurana a serem definidas,
determinam-se: - o valor da sobretenso de manobra mxima Vm; - a
partir de Vm, determina-se a tenso crtica do isolamento, situada a
(1-3) acima de Vm, para
condies atmosfricas de referncia. Passa-se a tenso crtica do
isolamento s condies atmosfricas reais, dividindo-se o valor na
condio de referncia pelo fator de clima mdio (RIS mdio);
- utilizando-se uma das frmulas empricas existentes ou curvas de
laboratrio, determina-se, para o espaamento respectivo, a distncia
de segurana necessria para surtos de manobra.
A partir do comprimento previsto para a cadeia de isoladores,
determina-se a tenso crtica para descargas atmosfricas e, por meio
de curvas de laboratrio padro, estima-se a distncia crtica
necessria para descargas atmosfricas.
Para o caso de sobretenses industriais (60 Hz), determina-se
apenas a distncia de segurana para as sobretenses operacionais, com
um ngulo de balano extremo da cadeia de isoladores (cadeia vertical
em I) , ocasionado pelo vento mximo.
Ao final, calcula-se tambm a distncia de segurana necessria para
trabalhos em linha viva, conforme normas especficas.
O isolamento mais conservativo resultante das distncias acima
selecionado para o projeto da estrutura.
7 - MTODO ESTATSTICO DE COORDENAO DE ISOLAMENTO: A partir da
considerao de que a falha de um isolamento pode ocorrer, o mtodo
estatstico busca quantificar o risco de falha e us-lo como um ndice
de segurana no projeto do isolamento. A determinao do risco de
falha, para uma dada categoria de sobretenso, demanda o
conhecimento das sobretenses, s quais o isolamento fica sujeito, e
da sua suportabilidade em termos das respectivas distribuies de
freqncia. Uma vez conhecidas estas distribuies, pode-se associ-las
a leis matemticas para a sua representao. A utilizao do mtodo
estatstico pleno, onde se comparam as distribuies de freqncia das
sobretenses e das suportabilidades, alm dos fatores climticos e
outras variveis estatsticas envolvidas, extremamente complexa
(figura 10). Na prtica prefere-se o emprego do mtodo estatstico
simplificado que mais simples e leva a resultados
-
satisfatrios. Neste mtodo, dois valores nas curvas de
probabilidade podem ser definidos e da relao entre eles obtm-se o
risco de falha. Definem-se: surto estatstico como a sobretenso com
probabilidade de 2% de ser excedida e tenso suportvel estatstica de
impulso como aquela qual o isolamento possui uma probabilidade de
90% de suportar. A relao entre esses dois valores denominada fator
de segurana estatstico e o mtodo a utilizado constitui o mtodo
estatstico simplificado. Sua aplicao mais apropriada a isolamentos
auto-regenerativos. A figura 11 ilustra o princpio desse mtodo.
Figura 10 - Mtodo estatstico de coordenao de isolamento.
Figura 11 - Mtodo estatstico simplificado.
Probabilidades de referncia: (a) esforo eltrico (b)
suportabilidade do isolamento
Um exemplo em separado mostra uma aplicao prtica do mtodo
estatstico, atravs do estudo de uma linha de transmisso de 500kV,
realizado na CEMIG. 8 - CONSIDERAES FINAIS: Uma das tendncias
modernas dos sistemas de transmisso a adoo de linhas de isolamento
reduzido, chamadas linhas compactas. Estas apresentam a vantagem de
possurem menores espaamentos entre fases e portanto, menores
reatncias indutivas. Com isso, o limite de estabilidade aumenta e
se reduzem as quedas de tenses e os campos eltricos e magnticos ao
nvel do solo, assim como a largura da faixa de servido necessria. A
utilizao do isolamento compacto tende a provocar uma piora no
desempenho da linha de transmisso frente a descargas atmosfricas, o
que pode ser
-
parcialmente compensado com a adoo de religamento automtico, que
impede desligamentos permanentes sob falhas transitrias. A
principal utilizao das linhas de transmisso compactas em regies,
onde as faixas so caras e difceis de serem obtidas, como prximo a
reas urbanas. Em muitos casos, o uso de linhas compactas passa a
ser uma necessidade. Na prtica, tem-se preferido at hoje a utilizao
do mtodo determinstico em lugar do mtodo estatstico de coordenao de
isolamento. Isto se deve a dois fatores principais: -
conservadorismo natural existente nas empresas, em relao introduo
de novas metodologias que possam comprometer o desempenho desejvel
para as linhas de transmisso; - pouca disponibilidade de dados
estatsticos de variveis climticas, que possam configurar
amostragens estatisticamente confiveis. Com relao ao mtodo
estatstico pleno, as dificuldades so ainda maiores, pois o
tratamento analtico necessrio requer uma quantidade ainda maior e
mais confivel de informaes. De uma maneira geral, acreditamos que
haja uma tendncia crescente para o uso do mtodo estatstico (pleno e
simplificado) em lugar do mtodo determinstico, em funo da otimizao
do binmio desempenho x custos. 9 - REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS: [1] -
Electrical Transients in Power Systems Greenwood A. - 2nd Edition -
John Wiley & Sons, Inc. 1991. [2] - Transmission Line Reference
Book - 345kV and Above 2nd Edition, Electric Power Research
Institute, Inc., 1982. [3] - Statistical Techniques for High
Voltage Engineering Hauschild, W., Mosch, W.- English Edition,
Peter Peregrinus Ltd., 1992. [4] - Transitrios Eltricos e Coordenao
de Isolamento - Aplicao em Sistemas de Potncia de Alta Tenso DAjuz,
Ary - Rio de Janeiro, Universidade Federal Fluminense/EDUFF, 1987.
[5] - Coordenao de Isolamento Hedman, D.E. - 2a Edio - Santa Maria,
Ed. UFSM, 1983. [6] - University of Cape Town - Course on
Insulation Design of Transmission Lines Nolasco, J.F. - September
1989. [7] - An Engineering Review on Lightning, Transients
Overvoltages and the Associated Elements of Electromagnetic
Compatibility Sabot, A. - Proceedings of the Ninth International
Symposium on High Voltage Engineering (Invited Lecture) - Graz,
Austria, 1995. [8] - Insulation Coordination Part 1: Definitions,
Principles and Rules - IEC Standard 71-1, 1993. [9] - Coordenao de
Isolamento - NBR-6939 - Associao Brasileira de Normas Tcnicas. [10]
- The AC Voltages of Long Air Gaps and Strings of Insulators -
Elektrichestvo, 1962.