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Informe tcnico Alguns esclarecimentos e estudos acerca da curva
TOV
1. Introduo As curvas TOV (do ingls Temporary Over Voltage) at
hoje apresentadas pela Balestro para seus para-raios tipo
distribuio tem sido elaboradas seguindo as recomendaes da IEC
60099-4 ed. 2.2 (2009) [1] e anteriores. Segundo esta edio da
Norma, o levantamento da curva TOV deve ser efetuado apenas na
condio com aplicao prvia de energia. Veja o procedimento no anexo D
desta edio da Norma. Tem sido, no entanto, prtica freqente dos
fabricantes que declaram seus valores pela ANSI a de apresentar a
curva TOV sem aplicao prvia de energia, embora esta situao no seja
predominante na operao dos para-raios em sistemas de potncia.
Muitos destes acabam por apresentar apenas esta curva (ver em 2.
adiante). Em razo disso a Balestro ao longo dos anos optou em
apresentar as duas curvas, no entanto em razo de no haver
metodologia estabelecida na IEC para o caso sem aplicao prvia, a
curva apresentada pela Balestro para esta situao era emprica e
conservativa. A grande diferena entre os valores destas duas curvas
se deve ao fato de que, com a aplicao prvia da mxima energia
garantida pelo para-raios (na forma de surtos de corrente gerados
por Geradores de impulsos de corrente), a verificao da estabilidade
dos pontos de sobretenso da curva TOV se d com valores menores de
tenso, j que os para-raios j atingiram temperaturas prximas ao
ponto de instabilidade trmica. Sobre essa questo da estabilidade
trmica leia o IT citado em [2]. J no caso sem aplicao prvia, a
prpria sobretenso que produz no para-raios o calor ser considerado
na verificao da estabilidade trmica, como veremos em 3. adiante.
Esta situao dever se alterar agora, com o advento da nova edio da
IEC 60099-4 Edio 3.0 (2014) [3], que introduziu uma metodologia
para a execuo do levantamento da curva TOV tambm na condio sem
aplicao prvia, alm de ascender este levantamento das duas curvas
categoria de ensaio mandatrio (ver seo 8.8 desta edio da
Norma).
2. Comparao entre as curvas informadas pelos fabricantes A fim
de comparar diversos fabricantes, foi feito o estudo apresentado no
grfico abaixo. As informaes dos fabricantes Hubbell, Cooper, Tyco e
Joslyn esto disponveis na Internet [4, 5, 6 e 7]. Foi tomado o
cuidado de se considerar para-raios semelhantes (tipo distribuio,
In = 10 kA, classificados pela ANSI como distribution heavy duty e
na IEC como 10 kA classe 1).
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As curvas apresentadas na figura 1 abaixo esto sempre em p.u. de
MCOV, e na situao sem aplicao prvia. Dois dos fabricantes acima s
apresentam a curva neste formato, os outros dois apresentam as duas
curvas (com e sem aplicao prvia). Na comparao apresentamos tambm a
curva sem aplicao prvia da Balestro como vinha sendo divulgada, uma
curva TOV sugerida como exemplo na seo 6.3.2.2 da Norma IEC 60099-5
ed. 2.0 (2013) [8], e foram tambm plotados os pontos requeridos
nesta consulta: 1,7 p.u. 0,02s; 1,55 p.u. 1s e 1,32 p.u. 2000s.
Curvas TOV SEM aplicao prvia
1
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
1,8
1,9
0,01 0,1 1 10 100 1000 10000Tempo (s)
p.u
de
M
COV
BALESTRO_OLDTycoJoslynHubbellCooperEXIGIDOIEC60099-5
Figura 1 Comparao entre curvas TOV de diferentes fabricantes
Algumas consideraes acerca desta comparao do conta de que os
fabricantes apresentam comportamentos distintos nesta
caracterstica, e vale a nota de que apenas um fabricante atende ao
requerido nos trs pontos da curva. As diferenas trmicas entre os
para-raios dos diferentes fabricantes, no entanto, so pequenas.
Outra nota importante que de fato a curva sem aplicao prvia
declarada pela Balestro est irreal e no condiz com o desempenho dos
para-raios tipo PBP como veremos adiante.
3. Estudo do comportamento trmico dos para-raios Balestro frente
a sobretenses A fim de ajustar a curva TOV sem aplicao prvia, as
condies de sobretenso, dissipao da energia mxima garantida e
temperaturas de estabilidade trmica foram simuladas no ATPDraw [9].
Foi utilizado neste estudo um circuito proposto por Woodworth [10],
com alguns ajustes para adequar ao produto da Balestro.
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De modo resumido, o calor mximo gerado pela energia especfica
garantida foi verificado, e associado estabilidade trmica dos
para-raios como j apurado durante os ensaios com aplicao prvia,
veja em [11]. A energia mxima de trabalho verificada pelos ensaios
para a qual a estabilidade trmica est garantida de 2,0 kJ/kV de Ur,
o que impe a um para-raios de 12 kV nominal uma energia de 24 kJ,
utilizada nas simulaes. A simulao no ATP foi ajustada para
representar o ganho de temperatura atravz do calor especfico do
material (ZnO = 0,55 J/g/oC) utilizando objetos TACS matemticos. O
modelo de Woodworth ainda no sensvel ao ganho e dissipao de
temperatura, o que pretendo implementar em futuro trabalho.
Necessrio acrescentar que este estudo tambm conservativo pelas
razes mostradas acima, e um trabalho mais profundo ser efetuado,
agora que se dispe de uma metodologia para ensaio desta propriedade
em para-raios. Para ilustrar o trabalho desenvolvido, apresento
alguns dados do estudo:
Figura 2 Circuito da simulao no ATP Draw
-
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
1,00E-06 1,00E-05 1,00E-04 1,00E-03 1,00E-02 1,00E-01 1,00E+00
1,00E+01 1,00E+02 1,00E+03 1,00E+04 1,00E+05
Jonathan PBP 12 2002 PBP 12-R 2013
Figura 3 Curva V x I adotada, levantada a partir de dados de
ensaios de tipo
do para-raios PBP12/10-R (2013) [11]
(file TOV_100ms_60hz_overvoltage_on_12kV_R_Arr.pl4; x-var t)
factors:offsets:
10,00E+00
t: ENERGY 10,00E+00
t: ARRV 10,00E+00
c:CURR - 2500,00E+00
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25[s]-30
-20
-10
0
10
20
30
*103
Figura 4 Simulao de sobretenso em 0,1 s: valor para atingir 24
kJ = 1,61 p.u. de Uc Energia = 24,05 kJ Tenso pico Uc = 14,3 kV,
Tenso pico 1,61 p.u. = 23,023 kV
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(file TOV_100ms_60hz_overvoltage_on_12kV_R_Arr.pl4; x-var t)
factors:offsets:
10,00E+00
t: ENERGY 10,00E+00
t: ARRV 10,00E+00
c:CURR - 2500,00E+00
30 35 40 45 50 55 60 65[ms]-30
-20
-10
0
10
20
30
*103
(file TOV_100ms_60hz_overvoltage_on_12kV_R_Arr.pl4; x-var t) t:
DELT_T t: WT_AMB 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25[s]0
30
60
90
120
150
Figura 5 Corrente de pico = 66,9 A (esquerda) Delta T = 81,77 oC
Temperatura somada ao ambiente de 40 oC = 121,77 oC
4. Resultados e concluso A simulao acima foi efetuada na faixa
de sobretenses entre 0,02s e 10000s. Uma anlise ponderada dos
resultados permitiu traar para os para-raios tipo PBP uma nova
curva TOV para a situao sem aplicao prvia de energia, apresentada
abaixo. A curva NEW_BALESTRO o resultado deste estudo e ser a
garantida pela Balestro a partir de ento. Uma futura verificao
desta curva em nosso laboratrio segundo a nova metodologia da IEC
est agendada para breve, ainda pendente de um melhor entendimento
das modificaes introduzidas nas metodologias de classificao e de
execuo dos ensaios introduzidas nesta nova edio da IEC [3].
Para-raios Balestro tipo PBP - Curvas TOV SEM aplicao prvia
1
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
1,8
0,01 0,1 1 10 100 1000 10000Tempo (s)
p.u
de
M
COV BALESTRO_OLD
EXIGIDOIEC60099-5NEW_BALESTRO
Figura 6 Curva TOV Balestro sem aplicao prvia ajustada pelo
estudo
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5. Referncias [1] IEC 60099-4 Ed. 2.2 (2009) Surge arresters
Part 4: Metal-oxide surge arresters without gaps for a.c. systems;
[2] Dellallibera, A. (2015), Informe Tcnico Aplicao de para-raios
em ambientes de temperature elevada (acima de 40oC); [3] IEC
60099-4 Ed. 3.0 (2014) Surge arresters Part 4: Metal-oxide surge
arresters without gaps for a.c. systems; [4] Site da Hubbell
(arresters): http://www.hubbellpowersystems.com/arresters/dist/ [5]
Site da Cooper (arresters):
http://www.cooperindustries.com/content/public/en/power_systems/products/surge_arresters/distribution_class/iec-ultrasil-arrester-5ka-10ka.html
[6] Site da Tyco TE (arresters):
http://www.te.com/usa-en/product-CE0391-000.html [7] Site da Joslyn
(McLean arresters):
https://www.macleanpower.com/products/index.asp?DEPARTMENT_ID=2854
[8] IEC 60099-5 Surge arresters Part 5: Selection and application
recommendations; [9] Hidalen, H. K. (1994-2010) ATPDraw- Graphical
Preprocessor to ATP. Windows version NTNU/SINTEF, Norway, version
5.7p6; [10] Woodworth, J. (2011) Arrester Facts 030 Modeling
temperature rise in arresters from energy absorption, from
ArresterWorks.com; [11] Relatrio de ensaios de tipo LEMAT-CEMIG
MS/QL 017/2014 Mogi Mirim, maio de 2015 Adriano Dellallibera
Engenharia de Aplicao Balestro
