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Qualidade de Energia Sobretensões Transitórias

Variações de tensão de longa duração

Humberto Jorge

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

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Introdução

Sobretensões transitórias• Causas principais da sua ocorrência• Sobretensões com origem em manobras• Sobretensões de origem atmosférica• Princípios de protecção contra sobretensões

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Sobretensões transitórias

• Sobretensão, oscilatória ou não, de curta duração e em geral fortemente amortecida e com uma duração máxima de alguns milissegundos.

• Têm geralmente origem nas descargas atmosféricas, nas manobras na rede e na fusão de fusíveis

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Transitório - comutação de um banco de condensadores na rede de 34,5 kV

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Sobretensões transitórias

• Origem de sobretensões– Comutação de baterias de condensadores– Comutação de linhas e cargas– Descargas atmosféricas

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Comutação de baterias de condensadores

C1

C2

L1

L2Consumidor

Existem condições de ressonância que amplificam a tensão de oscilação quando

CLCL 2211 21

21

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Comutação de bateria de condensadoresAs soluções para evitar a amplificação da sobretensão em caso de manobra de condensadores, passa pela alteração da impedância L2 ou caso isso seja impossível pela inserção de resistências em série com a bateria de condensadores. Caso haja equipamento electrónico sensível é conveniente colocar dispositivos de protecção contra sobretensões

C2

L1

L2Consumidor

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Descargas atmosféricas

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Descargas atmosféricas

Protecção contra descargas atmosféricas

1 - Interligação das massas metálicas

2 - Ligação à terra com cabos curtos

3 - Colocação de dispositivos de protecção contra sobretensões

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Fontes de Sobretensões Transitórias

• No Sistema Eléctrico (utility)– Comutação de Condensadores (MF)

• muito comuns na compensação do factor de potência (mais baratos e com custos de manutenção mais reduzidos que os compensadores electrónicos ou as máquinas rotativas)

– Amplificação devido a fenómenos de ressonância no SE– Descargas Atmosféricas (HF)

• Nas instalações do utilizador final– Dispositivos de electrónica de potência– Iluminação (HF)– Fenómenos de comutação de cargas (HF)

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Comutação de Condensadores– Ocorrem na mesma altura do dia– A sua comutação induz aparecimento de transitórios (1.3 a 1.4pu)

• Afectam cargas controladas electronicamente • Não são detectadas pelas cargas convencionais• Não danificam o isolamento• Passam para além dos transformadores do SE• Corrente sofre aumentos da ordem dos 4pu, pelo que o sistema de terras

é muito importante

– Comutação controlada por variáveis como:• tempo, tensão, corrente, potência reactiva• Em linhas de distribuição que alimentam cargas industriais, os condensadores

são geralmente comutados por “tempo”, antecipando a actividade laboral da fábrica

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Onda da tensão no local da carga

Comutação de Condensadores

Onda da corrente no alimentador

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• comutação em avanço (poucos minutos) com o início dum turno

• pré-inserção duma resistência no circuito • pré-inserção de bobinas

– limita as componentes de HF do transitório

• fecho síncrono com a passagem por zero da tensão– controlado electronicamente, reduz Vtransitória para 1.1pu

• escolha adequada da localização do condensador– em simultâneo com técnicas de comutação suave ou

comutação em tempos não críticos

Comutação de Condensadores

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Fenómenos Ressonantes de Amplificação• Amplificação das sobretensões transitórias na linha do

utilizador final (f1f2) 3.0 a 4.0pu• transitório vindo da rede depende da reactância do transformador • possível danificação dos equipamentos do utilizador

222

111

CL21f

CL21f

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• Condições que aumentam o impacto do transitório na instalação

• Condensadores de baixa tensão na instalação• Alguns transformadores redutores

• Opções para reduzir estes transitórios– Controlo da sobretensão transitória da rede

• synchronous closing breakers ( na passagem por zero)• interruptores com pré-inserção de carga resistiva(V)/indutiva(I)• “descarregador de sobretensões” na instalação do utilizador reduz a

amplitude do transitório até 1.8 pu

– Converter as baterias de condensadores do utilizador em filtros de harmónicos

Fenómenos ressonantes de Amplificação

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– Fonte poderosa de transitórios impulsivos– Resultam em correntes de descarga pelo neutro do SE– Locais do SE sujeitos a descargas

• A) condutores de terra (primária ou secundária)• B) directamente numa fase (primária ou secundária)• C) estrutura das instalações

Descargas Atmosféricas

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• Caminhos de fuga– Pelo condutor de terra mais próximo da descarga– Correntes de descarga em outros condutores de terra– Contornamento do transformador

• cria impulso mais longo, por vezes oscilante• cria sobretensões nos cabos por onde passa até à “terra

melhor” • sobreintensidade no secundário

– falhas no transformador• Aumenta o potencial da terra local

Descargas Atmosféricas

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Princípios Fundamentais de Protecção

• Limitar a tensão em isolamentos sensíveis• Desviar a sobretensão para longe da carga• Impedir a chegada da sobretensão à carga• Ligar conjuntamente as terras nos aparelhos• Reduzir ou evitar que a sobretensão circule entre as massas• Criar filtros LP utilizando princípios de bloqueio e redução

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Dispositivos para protecção contra sobretensões

TVSS (Transient Voltage Surge Supressors)

• Dispositivo de entrada da instalação– Blocos de MOV (Metal-

oxide-varistors)– ou díodos Zener

• Dispositivo utilizado no equipamento a proteger• para além de arresters tem outros elementos

limitadores de sobretensõesArrester

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Protecção contra descargas atmosféricas

Blindagem

• Em linhas fortemente expostas a descargas atmosféricas – subestações – linhas aéreas de transmissão (os custos geralmente não o justificam na

distribuição)• Realizar estudo de viabilidade

– necessário aumentar os postes para introduzir a blindagem– os arresters são geralmente mais económicos e eficazes

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Line arresters

• Inseridos ao longo da linha (de 2 em 2 ou 3 em 3 postes)– favorecem o escoamento das sobretensões– protegem os isoladores contra contornamentos– a sua eficácia depende da resistência da terra

• situações de terra deficiente ou cargas sensíveis, obrigam a colocar line arresters em cada poste

Protecção contra descargas atmosféricas

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Protecção contra descargas atmosféricas contornamento do transformador

• Medidas de protecção– Colocar descarregadores de sobretensões no secundário dos transformadores– melhorar a resistência de terra dos postes comparativamente à terra das cargas – Proteger as instalações do consumidor

Nota: quer a descarga se dê no sistema de transporte e distribuição ou na instalação do utilizador, os fenómenos observados são os mesmos

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Protecção de cabos

Protecção contra descargas atmosféricas

• Problema: Envelhecimento dos cabos (UD)– isolamento enfraquece transitórios favorecem falha & rotura– substituição muito cara

• Solução: – introdução de arresters– injecção dum liquido restaurador no cabo– utilizar scout arrester scheme no primário

cNVD

15] [10, empírica cc

impulsos dos amplitudeVimpulsos de númeroN

cabo o para Danos

te

D

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• Princípio– colocar arresters nos postes de ambos os lados da baixada – grande parte da energia do transitório escoa-se nos “escudeiros”– melhorado c/ blindagem dos arcos próximos da baixada do cabo

• vantagens– reduz a velocidade de subida das sobretensões no cabo– reduz a tensão de descarga no arrester do cabo

Scout Arrester Scheme - Mais dispendioso que o esquema de protecção normal, o que limita o seu uso, mas muito eficaz na protecção de cabos e de transformadores em situações de open-point

Protecção contra descargas atmosféricas

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Problemas devido a Transitórios• VEV - Circuito de controlo sensível a sobretensões de 1.17pu

– redução dos problemas isolando-os do sistema de potência

• Soluções – aumentar o comprimento do cabo– Alterar a frequência de comutação da PWM– filtros que suprimam a sobretensão transitória

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Variações de tensão de longa duração

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Compensação série

Reactância liquida da linha = X - XC

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Compensação paralela (shunt)

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Compensação paralela (shunt)

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Compensação paralela (SVC’s - Static Var Compensators)

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Compensação paralela (SVC’s - Static Var Compensators)

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Transformadores com tomadas(Load tap Changers)

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Transformadores com tomadas(Load tap Changers)