FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO
Coordenao de isolamentos emsubestaes
Carlos Filipe Ribeiro Queirs
Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotcnica e de Computadores
Orientador: Prof. Dr. Antnio Carlos Seplveda Machado e Moura
Julho de 2013
c Carlos Queirs, 2013
Resumo
Com a presente dissertao pretende-se efetuar uma anlise sobre a coordenao de isola-mento em subestaes, com especial ateno para aquelas que se situam nos nveis de tenso detransporte, acima dos 60 kV.
Numa primeira etapa ser efetuada uma reviso bibliogrfica onde se descreve uma subestaoe se d a conhecer os seus principais componentes. Posteriormente, apresentar-se- uma visogeral sobre a coordenao de isolamento, onde se faz uma introduo ao tema e se expem osdiferentes equipamentos relacionados com a mesma. Sero ainda dadas a conhecer as diferentessolicitaes a que estes equipamentos podem ser sujeitos sobre condies de servio. Finalmentesero relatados procedimentos para a coordenao de isolamento.
Seguidamente expem-se uma sntese da norma internacional IEC (International Electrotech-nical Commission) para coordenao de isolamento, IEC 60071. Esta composta por duas partes,sendo que a primeira apresenta definies, princpios e regras e a segunda constitui um guia deaplicao.
Finalmente ser efectuada uma anlise comparativa entre a norma internacional e o Guia deCoordenao e Isolamento seguido pela empresa portuguesa responsvel pela concesso da redede transporte de eletricidade em Portugal. A partir desta anlise sero apresentadas sugestes dealterao ao guia em causa e ainda aplicao destas alteraes a um caso de estudo.
i
ii
Abstract
The aim of this dissertation is to perform an analysis about insulation coordination in substa-tions, with special emphasis to those situated in transport levels, above 60 kV.
First of all will be performed a literature review where, at first, a substation is described andits main components are presented. Later on, an overview of the insulation coordination will beshown, an introduction to the subject is made and the different equipment related to insulationcoordination are presented. The different dielectric stresses that those devices may be exposedunder service conditions will be exhibited. Finally, procedures for insulation coordination will bepresented.
Then a synthesis of the international standard IEC (International Electrotechnical Commis-sion) for Insulation Coordination, IEC 60071, will be exposed. It is composed by two parts, thefirst one provides definitions, principles and rules, and the second is an application guide.
Finally will be performed a comparative analysis between the international standard and theGuide for Insulation Coordination followed by the Portuguese company responsible for the elec-tricity transmission network in Portugal. Based on that analysis, suggestions for changes to theactual guide will be presented and its application to a case study.
iii
iv
Agradecimentos
Em primeiro lugar quero agradecer ao meu orientador, Professor Antnio Machado e Moura,pelo acompanhamento e conselhos que permitiram que esta dissertao se tornasse uma realidade.
Ao Vitor Almeida pela ajuda e esclarecimentos prestados na elaborao da dissertao.A todos os meus amigos, em especial ao Jos Pedro Queirs, Ricardo Ferreira, Nuno Soares,
Lus Pereira e Ricardo Mouro Ferreira pelo apoio e companheirismo prestado que permitiramatenuar as dificuldades encontradas durante este trajecto.
Agradeo em especial aos meus pais pelo incentivo e por tudo o que fizeram por mim ao longodos anos, sem eles nada disto seria possvel.
A todos aqueles que, de uma maneira ou outra, me auxiliaram nesta caminhada.A todos vs, Muito Obrigado.
Carlos Queirs
v
vi
Simplicity is the ultimate form of sophistication.
Leonardo da Vinci
vii
viii
Contedo
1 Introduo 11.1 Motivao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3 Estrutura da Dissertao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Reviso Bibliogrfica 52.1 Subestaes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1 Propsito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.1.2 Transformao do nvel de tenso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.1.3 Constituio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.1.4 Concluso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2 Coordenao de isolamentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.2.1 Introduo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.2.2 Solicitaes dieltricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2.3 Isolamento e proteo contra sobretenses . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.2.4 Caractersticas de rigidez dieltrica do isolamento . . . . . . . . . . . . . 172.2.5 Critrio de desempenho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.2.6 Procedimento de coordenao de isolamento . . . . . . . . . . . . . . . 22
3 Documento normativo IEC 60071 233.1 IEC 60071-1: Coordenao de isolamento - Parte 1 . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.1.1 Termos e definies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.1.2 Procedimento para coordenao de isolamento . . . . . . . . . . . . . . 293.1.3 Distncias no ar para assegurar uma determinada tenso suportvel a im-
pulsos de uma instalao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.2 IEC 60071-2: Guia de aplicao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2.1 Tenses de stress representativas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.2.2 Tenso suportvel de coordenao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483.2.3 Tenso suportvel requerida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543.2.4 Tenso suportvel normalizada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583.2.5 Consideraes especiais para subestaes . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4 Guia de Coordenao de Isolamento aplicado s subestaes e anlise comparativacom IEC 60071 634.1 Princpios gerais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634.2 Distncias no ar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654.3 Colunas e cadeias de isoladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674.4 Aparelhagem de corte e manobra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
ix
x CONTEDO
4.5 Transformadores de medio e condensadores de acoplamento . . . . . . . . . . 704.6 Transformadores de potncia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 704.7 Baterias de condensadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 724.8 Cabos isolados de alta tenso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 724.9 Proteo dos equipamentos contra sobretenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.9.1 Proteo do painel de linha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734.9.2 Proteo dos transformadores de potncia . . . . . . . . . . . . . . . . . 734.9.3 Proteo de baterias de condensadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 744.9.4 Proteo de cabos isolados de alta tenso . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.10 Anlise comparativa entre o Guia de Coordenao de Isolamento e documentonormativo IEC 60071 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 754.10.1 Nveis de isolamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 754.10.2 Distncias de isolamento no ar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 764.10.3 Colunas e cadeias de isoladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 774.10.4 Aparelhagem de corte e manobra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 784.10.5 Transformadores de potncia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 794.10.6 Proteo do equipamento do painel de linha . . . . . . . . . . . . . . . . 794.10.7 Proteo dos transformadores de potncia . . . . . . . . . . . . . . . . . 804.10.8 Proteo de baterias de condensadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 814.10.9 Proteo de cabos isolados de alta tenso . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5 Propostas de alterao ao Guia de Coordenao de Isolamento e Caso de estudo 835.1 Propostas de alterao ao Guia de Coordenao de Isolamento . . . . . . . . . . 83
5.1.1 Nveis de isolamento nominal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 835.1.2 Distncias de isolamento no ar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 845.1.3 Colunas e cadeias de isoladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 855.1.4 Transformadores de potncia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 855.1.5 Proteo do equipamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.2 Caso de estudo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 865.2.1 Configurao final da subestao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 865.2.2 Disposio geral e tecnologia de construo . . . . . . . . . . . . . . . . 875.2.3 Coordenao de isolamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 885.2.4 Colunas e Cadeias de isoladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 885.2.5 Proteo contra sobretenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 915.2.6 Propostas de alterao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6 Concluso e Trabalhos Futuros 976.1 Concluso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 976.2 Trabalhos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Referncias 101
Lista de Figuras
2.1 Constituio do sistema eltrico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.2 Forma de onda normalizada para sobretenses de frente rpida. . . . . . . . . . . 112.3 Exemplo de isoladores utilizados em redes eltricas. . . . . . . . . . . . . . . . . 132.4 a) Cadeia de isoladores de suspenso; b) Cadeia de isoladores de amarrao. . . . 132.5 Exemplo de descarga entre hastes de um explosor na extremidade de uma cadeia
de isoladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.6 Caracterstica de tenso versus corrente de DST de xido de zinco e Carboneto
de slicio [9] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.7 Detalhes construtivos de DST de carboneto de slicio [9] . . . . . . . . . . . . . 162.8 Detalhes construtivos de DST de xido de zinco [6] . . . . . . . . . . . . . . . . 172.9 Funo densidade de probabilidade de ocorrncia de U [5] . . . . . . . . . . . . 202.10 Probabilidade acumulada de descarga disruptiva do isolamento [5] . . . . . . . . 202.11 Risco de cedncia de um isolamento [5] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1 Procedimento para coordenao de isolamento [12] . . . . . . . . . . . . . . . . 303.2 Tenses e sobretenses representativas [12] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.3 Diagrama de ligao de descarregador de sobretenses ao equipamento a proteger
[11] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473.4 Fator de coordenao determinstico Kcd [11]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513.5 Risco de falha de um isolamento [11]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523.6 Risco de falha de isolamento externo em funo do fator de coordenao estatstico
Kcs [11]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.7 Expoente m em funo da tenso suportvel de coordenao a impulsos de mano-
bra [11]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
xi
xii LISTA DE FIGURAS
Lista de Tabelas
3.1 Nveis de isolamento normalizado para gama I [12]. . . . . . . . . . . . . . . . . 343.2 Nveis de isolamento normalizado para gama II [12]. . . . . . . . . . . . . . . . 353.3 Distncias de linha de fuga recomendadas de acordo com o nvel de poluio do
local [11] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.4 Relao entre tenso suportvel a impulsos de origem atmosfrica normalizada e
distncia mnimas no ar [12] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.5 Relao entre tenso suportvel a impulsos de manobra normalizada e distncias
mnimas fase-terra no ar [12] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413.6 Relao entre tenso suportvel a impulsos de manobra normalizada e distncias
mnimas fase-fase no ar [12] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413.7 Fatores de converso para a gama I, para converter tenses suportveis requeri-
das a impulsos de manobra em tenses suportveis de curta durao frequnciaindustrial e a impulsos de origem atmosfrica [11]. . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.8 Fatores de converso para a gama II, para converter tenses suportveis requeridasde curta durao frequncia industrial em tenses suportveis a impulsos demanobra [11]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.1 Nveis de isolamento interno para transformadoresde potncia [3] . . . . . . . . 654.2 Nveis de isolamento externo [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654.3 Distncias de isolamento [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 664.4 Distncias de isolamento mnimas para travessias dos transformadores de potncia
[3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674.5 Nveis de isolamento para cadeias e colunas de isoladores [3] . . . . . . . . . . 674.6 Gama de distncias entre dispositivos de guarda [3] . . . . . . . . . . . . . . . . 684.7 Nveis de poluio [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 684.8 Regras relativas qualidade da linha de fuga dos isoladores [3] . . . . . . . . . 694.9 Tenses suportveis mnimas para seccionadores e disjuntores [3] . . . . . . . . 694.10 Nveis de isolamento nominais para transformadores de medio e condensadores
de acoplamento [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 704.11 Tenses suportveis mnimas para enrolamentos de transformadores de potncia
protegidos por DST [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 704.12 Tenses suportveis mnimas para enrolamentos de transformadores de potncia
protegidos por DST [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 714.13 Tenses suportveis mnimas para travessias do lado linha e neutro [3] . . . . . . 714.14 Tenses estipuladas recomendveis para cabos de energia [3] . . . . . . . . . . . 724.15 Distncias entre pontas de explosores [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734.16 caractersticas bsicas de DST para o "lado linha"[3] . . . . . . . . . . . . . . . 744.17 caractersticas bsicas de DST para o "lado neutro"[3] . . . . . . . . . . . . . . 75
xiii
xiv LISTA DE TABELAS
4.18 Distncias adotadas pelo Guia de Coordenao de Isolamento vs IEC, gama I [3] 774.19 Distncias adotadas pelo Guia de Coordenao de Isolamento vs IEC, gama II
fase-terra [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 774.20 Distncias adotadas pelo Guia de Coordenao de Isolamento vs IEC, gama II
fase-fase [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.1 Nveis de isolamento nominal para transformadores de medio . . . . . . . . . 885.2 Nveis de isolamento nominal para aparelhagem de corte e manobra para 60 kV e
150 kV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 895.3 Nveis de isolamento nominal para aparelhagem de corte e manobra para 400 kV 895.4 Nveis de isolamento nominal para transformadores, autotransformadores de po-
tncia e reactncia shunt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 905.5 Distncias mnimas de isolamento e proteo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 915.6 Caractersticas das cadeias isolantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 915.7 Propostas de reduo das distncias de isolamento fase-fase . . . . . . . . . . . 93
Abreviaturas e Smbolos
Lista de abreviaturas
AC Alternate currentAT Alta tensoBT Baixa tensoDC Direct currentDST Descarregador de sobretensesEDP Energias de PortugalFEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do PortoFFO Fast tront overvoltageGCI Guia de Coordenao de IsolamentoGIS Gas Insulated SwitchgearIEC International Electrotechnical CommissionMAT Muito alta tensoMT Mdia tensop.u. Por unidadeREE Red Elctrica de EspaaREN Rede Energtica NacionalSFO Slow front overvoltageTOV Temporary overvoltageVFFO Very fast tront overvoltage
Lista de smbolos
a1 (m) Comprimento da ligao do DST linhaa2 (m) Comprimento da ligao do DST rede de terraa3 (m) Comprimento do condutor de fase entre o DST e o equipamento a protegera4 (m) Comprimento da parte ativa do DSTc (m/s) Velocidade da luzf (Hz) FrequnciaK (-) Fator de defeito terraK1 (-) Fator de correo de densidade do arK1 (-) Fator de correo de humidadeKa (-) Fator de correo de altitudeKc (-) Fator de coordenaoKcd (-) Fator de coordenao determinsticoKco (/kV m) Constante de amortecimento do efeito de coroaKcs (-) Fator de coordenao estatsticoKS (-) Fator de segurana
xv
xvi ABREVIATURAS E SMBOLOS
Kt (-) Fator de correo atmosfricaKtc (-) Fator de converso de ensaioL (m) Distncia entre o DST e o equipamento a protegerm (-) Expoente da expresso de correo atmosfrica para isolamento externon (-) Nmero de linhas areas conetadas a uma subestao na avaliao da ampli-
tude da sobretenso entrada destasP (%) Probabilidade de disrupo de isolamento auto regenerativoPW (%) Probabilidade de no contornamento/suportabilidadeR (-) Risco de falhaS (kV/s) Declive de uma sobretenso de origem atmosfrica entrada de uma subesta-
oU (kV) Amplitude de uma tenso ou sobretensoU0 (kV) Tenso abaixo da qual no existe possibilidade de disrupo do dieltricoU10 (kV) Tenso para a qual o dieltrico apresenta 10 % de probabilidade de disrupoU16 (kV) Tenso para a qual o dieltrico apresenta 16 % de probabilidade de disrupoU50 (kV) Tenso para a qual o dieltrico apresenta 50 % de probabilidade de disrupoU10 (kV) Tenso para a qual o dieltrico apresenta 10 % de probabilidade de disrupoUaw (kV) Tenso suportvel de um equipamento ou configurao de isolamentoUcw (kV) Tenso suportvel de coordenaoUe (kV) Amplitude da sobretenso fase-terraUe2 (kV) Tenso fase-terra cuja probabilidade de ser excedida de 2 %Ue50 (kV) Valor de 50 % da distribuio acumulada de sobretenses fase-terraUet (kV) Valor de truncatura da distribuio acumulada de sobretenses fase-terraUm (kV) Tenso mais elevada para equipamentoUN (kV) Tenso nominal do sistemaUpl (kV) Nvel de proteo ao choque atmosfrico de um DSTUps (kV) Nvel de proteo ao choque de manobra de um DSTUpt (kV) Valor de truncatura da distribuio acumulada de sobretenses fase-faseUrp (kV) Tenso/sobretenso representativaUrw (kV) Tenso suportvel requeridaUS (kV) Tenso mais elevada de um sistemaUw (kV) Tenso suportvel estipulada normalizadaT (s) Tempo de viagem do impulso de descarga atmosfricaT1 (s) Tempo de frenteT2 (s) Tempo de meio valor de uma tenso decrescenteTp (s) Tempo at ao picoZ (kV) Desvio convencional que representa a variabilidade da tenso de contorna-
mentoZg () Impedncia de terra
Captulo 1
Introduo
A fiabilidade do sistema eltrico, e, por sua vez, a qualidade de servio prestada aos clientes,
depende diretamente das interrupes. Estas sero tanto piores, no que diz respeito qualidade
de servio, quanto maior a durao e a frequncia. Entre muitas das causas das interrupes
est o escorvamento dos isolamentos, que mais no do que a sua rutura. Deste modo torna-se
essencial uma rigorosa seleo dos equipamentos de proteo e de isolamento com vista ao bom
funcionamento do sistema eltrico. Assim, com a coordenao de isolamentos procura-se obter
a melhor relao tcnico-econmica com vista garantia de proteo do equipamento contra as
solicitaes dieltricas existentes no sistema.
Se o isolamento fosse apenas sujeito s solicitaes causado pelas tenses sobre condies nor-
mais de operao, este problema seria facilmente resolvido, bastando para esse efeito que fosse
selecionado um nvel de isolamento que suportasse tais solicitaes. Contudo o isolamento
sujeito a inmeros surtos (sobretenses), com vrias formas, magnitudes e duraes, que colo-
cam em causa a capacidade de o equipamento os suportar. Como as circunstncias de ocorrncia
destes surtos no conhecida, torna-se economicamente invivel o dimensionamento de todo o
equipamento por forma a garantir que no h disrupo. Portanto, aceite uma determinada pro-
babilidade de falha no dimensionamento do sistema. Por outro lado, visto que impossvel evitar
todos os contornamentos, estes devem ser confinados a locais onde os danos causados tenham
menor impacto na operao do sistema.
Para uma correta coordenao de isolamentos necessrio conhecer as sobretenses possveis
de surgir no sistema, usar equipamento de proteo contra sobretenses quando necessrio, esco-
lher as corretas tenses suportveis para os diferentes componentes do sistema a par das tenses
de isolamento de acordo com as restries particulares.
Posto o j referido, a coordenao de isolamentos pode definir-se, de acordo com IEC 60071-
1, como a seleo da rigidez dieltrica do equipamento de acordo com a tenso de operao e
sobretenses que podem surgir no sistema, no qual o equipamento se insere, e tendo em conta o
ambiente de servio e as caractersticas disponveis do equipamento de proteo.
1
2 Introduo
1.1 Motivao
O sistema eltrico de energia um sistema vasto e complexo essencial ao abastecimento de
eletricidade aos diferentes consumidores da sociedade, desde particulares a empresas/indstria.
Pela sua natureza est sujeito a diversos fenmenos transitrios (sobretenses), de origem interna
como externa, e que podem levar sada de servio de equipamento crucial continuidade de
abastecimento dos consumidores, como por exemplo transformadores de potncia localizados em
subestaes. As subestaes de potncia, que so um subsistema de importncia capital dentro do
sistema eltrico, so particularmente afetadas por estes fenmenos, e como tal requerem uma aten-
o especial na sua conceo, com vista a uma fiabilidade elevada. Um dos aspetos da conceo
que garante fiabilidade ao sistema o isolamento.
O sistema de isolamento compreende diversos meios e equipamentos, e, como tal, necessrio
uma coordenao destes de forma a cooperarem para o objetivo comum, a proteo do sistema,
relativamente s diferentes solicitaes. Contudo, pretende-se simultaneamente garantir um bom
isolamento com o menor custo possvel. No entanto, os guias de coordenao de isolamento se-
guidos pelas empresas responsveis pelo sistema eltrico podem revelar-se antiquados e de certa
forma conservadores relativamente s normas internacionais atuais, e portanto existe a possibili-
dade de melhoria desses mesmos guias.
Pretende-se desta forma efetuar um estudo sobre a coordenao de isolamentos em geral, assim
como efetuar uma anlise do guia seguido em Portugal em comparao com as normas interna-
cionais do IEC (Internetional Electrotechnical Commission) com vista a eventuais propostas de
melhoria do mesmo, tendo por objetivo a reduo de custos com instalaes ou at melhoria da
qualidade de servio.
1.2 Objetivos
A presente dissertao tem como principal objetivo efetuar uma anlise comparativa entre o
Guia de Coordenao de Isolamento para a rede PTI-EDP 1 e o documento normativo IEC 60071
para a coordenao de isolamento. A partir desta anlise pretende-se efetuar propostas de alterao
com vista a uma melhoria da qualidade de servio e reduo de custos em instalaes projetadas
com base no guia referido.
Pretende-se ainda dar uma viso geral sobre coordenao de isolamentos, desde solicitaes
dieltricas, equipamentos a proteger e equipamentos de proteo, bem como mtodos de coorde-
nao de isolamento e processo para a sua realizao.
1Este documento remete para o perodo em que a empresa concessionria da rede de transporte era a EDP. O termoPTI refere-se a uma rede com neutro terra. Atualmente a empresa concessionria a REN sendo que o termo PTI no mais utilizado, e a rede atualmente descrita como RNT. Contudo, o documento em causa ainda a referncia paraa coordenao de isolamento. No decorrer da presente dissertao a referncia ao documento em causa ser realizadaapenas como Guia de Coordenao de Isolamento ou atravs da sigla respetiva. Note-se ainda que a REN se encontraa rever este guia.
1.3 Estrutura da Dissertao 3
Constitui ainda um objetivo aplicar as propostas de alterao a um caso prtico. Este caso
prtico ser uma subestao de transmisso com trs nveis de tenso, 400, 150 e 60 kV.
1.3 Estrutura da Dissertao
O presente documento composto por seis captulos, incluindo introduo e concluses. No
captulo 2 apresenta-se uma reviso bibliogrfica sobre o tema, onde se d a conhecer uma viso
geral sobre a coordenao de isolamento em subestaes. No captulo 3 expe-se uma sntese do
documento normativo da International Electrotechnical Commission. No captulo 4 apresenta-se
de forma resumida o Guia de Coordenao de Isolamento assim como uma anlise comparativa
entre este e norma internacional. No captulo 5 expem-se propostas de alterao sugeridas ao
Guia de Coordenao de Isolamento assim como a um caso de estudo. Por ltimo, no captulo 6,
so apresentadas as concluses e possveis trabalhos futuros.
4 Introduo
Captulo 2
Reviso Bibliogrfica
Neste captulo faz-se uma abordagem geral ao tema, apresentando o papel das subestaes
no sistema eltrico de energia e seus equipamentos integrantes, o conceito de coordenao de
isolamento e factores que levam sua realizao, assim como os fenmenos que afectam os equi-
pamentos das subestaes, o comportamento dos isolamento sujeitos a estes fenmenos e meios
de proteo. Por ltimo apresentam-se mtodos de coordenao de isolamento.
2.1 Subestaes
2.1.1 Propsito
A energia eltrica , ainda nos dias de hoje, produzida essencialmente de forma centralizada,
em locais que podem distar centenas ou milhares de quilmetros dos centros de consumo. Assim
existe a necessidade de transportar grandes quantidades desta forma de energia, atravs de gran-
des distncias. Posto isto, as empresas responsveis pelo transporte vem-se obrigadas a cumprir
determinados critrios de qualidade ao menor custo possvel. Podem definir-se assim os trs prin-
cipais objetivos destas empresas [1]
Alta fiabilidade do sistema eltrico;
Baixo custo de energia;
Elevados nveis de qualidade de energia;
O sistema eltrico reparte-se em trs grupos essenciais: produo; transporte/distribuio;
consumo. No diagrama da figura 2.1 apresenta-se a forma como o sistema em Portugal se en-
contra estruturado. Embora o diagrama estabelea uma estrutura vertical do sistema, atualmente
enquadra-se tambm, ao nvel de distribuio e consumo, a mini e micro produo de eletricidade
por parte de consumidores. Na figura 2.1, a seta indica o sentido do fluxo de energia de um sistema
clssico verticalizado.
As principais funes das subestaes no sistema eltrico de energia so:
5
6 Reviso Bibliogrfica
Figura 2.1: Constituio do sistema eltrico.
aumentar ou reduzir o nvel de tenso, conforme a sua localizao no sistema;
estabelecer as conexes produo-transporte e transporte-distribuio, aumentando a efici-ncia do sistema.
2.1.2 Transformao do nvel de tenso
O transporte tem custos associados, sendo o mais relevante as perdas energticas, das quais
se salientam as perdas calorficas, tambm chamas perdas de Joule. As perdas so diretamente
proporcionais potncia transmitida. Contudo podem ser reduzidas atravs da alterao das suas
caractersticas. A potncia transmitida numa linha de transporte dada pela expresso 2.1 [1].
S =V I (2.1)
Onde:
S a potncia complexa transmitida, expressa em Volt-Ampre (VA);
V a tenso aos terminais da linha, expressa em Volt (V);
I a intensidade de corrente que percorre a linha, expressa em Ampre (A).
Matematicamente percetvel a possibilidade de transmitir a mesma potncia variando pro-
porcionalmente, de forma inversa, os parmetros V e I. Uma vez que as perdas com maior peso,
2.1 Subestaes 7
isto , as perdas de Joule, so diretamente proporcionais ao quadrado da intensidade de corrente,
conforme se verifica pela expresso 2.2, uma forma de reduzir as perdas ser diminuir a corrente
elevando na mesma proporo a tenso [1].
pJ = Rl I2 (2.2)
Onde:
pJ a potncia perdas de Joule, expressa em Watt (W);
Rl a resistncia eltrica total da linha, empressa em Ohm ();
I o mdulo da intensidade de corrente que percorre a linha, exressa em Ampre (A).
O equipamento que permite esta transformao so os transformadores de potncia instalados
precisamente nas subestaes, que por sua vez se localizam no incio e fim das linhas de transporte.
Outra vantagem relacionada com a transformao mencionada detm-se com a garantia de
qualidade da energia, mais precisamente com o nvel de tenso que deve ser garantido ao con-
sumidor final. Como ao longo das linhas se verifica uma queda de tenso, a qualidade da onda,
relativamente sua amplitude, pode no satisfazer os requisitos pr-estabelecidos no ponto de
entrega ao consumidor. Esta queda de tenso tambm proporcional intensidade de corrente,
conforme descreve a expresso 2.3.
V = Rl I (2.3)
Onde:
V a queda de tenso, expressa em Volt (V);
Rl a resistncia eltrica total da linha, expressa em Ohm ();
I o mdulo da intensidade de corrente que percorre a linha, expressa em Ampre (A).
2.1.3 Constituio
Uma subestao incorpora inumeros equipamentos, desde o equipamento de potncia, ao de
proteo, controlo e monotorizao. Seguidamente listam-se os componentes tpicos de uma su-
bestao [1].
Transformador de potncia;
Disjuntor;
Seccionador;
Comutadores;
8 Reviso Bibliogrfica
Transformadores instrumentais;
Barramentos;
Rels;
Circuitos auxiliares AC e DC;
Proteo contra sobretenses e descargas atmosfricas;
Sistema de terras;
Controlo remoto e sistemas de operao.
2.1.4 Concluso
As subestaes ocupam assim um papel crucial no sitema eltrico, promovendo viabilidade
tcnica e ecnomia no transporte de energia eltrica. Conforme descrito previamente em 2.1.2,
estas localizam-se nos extremos das linhas de transporte. Logo, estes locais revelam-se crticos
devido existncia de diversos equipamentos, nomeadamente os transformadores (equipamento
que promove a transformao de tenso), dispositivos de aquisio de informao, entre outros,
que so susceptveis de sofrer danos devido a um fenmeno inerente s redes, as sobretenses.
Torna-se assim necessrio a aplicao de dispositivos de proteo contra sobretenses por forma a
proteger os demais equipamentos. Alm disso, devem tambm ser garantidos nveis de isolamento,
quer de equipamentos , quer de distncias no ar conforme o nvel de tenso em causa e conforme
a probabilidade de as mesmas sobretenses surgirem. Aqui surge o conceito de coordenao de
isolamentos.
2.2 Coordenao de isolamentos
2.2.1 Introduo
A coordenao de isolamento constitui uma fase de projeto de importncia capital em insta-
laes de transporte e distribuio de energia eltrica. Durante o perodo de funcionamento os
equipamentos do sistema so sujeitos a diversos tipos de sobretenses, com origem interna ou
externa ao sistema. Estas provocam solicitaes dieltricas nos equipamentos de tal forma que
podem levar disrupo dos mesmos ou at mesmo sua destruio, o que coloca em causa a
fiabilidade e a continuidade de servio do sistema. Assim sendo importante conhecer o tipo de
solicitaes dieltricas existentes no sistema, assim como as suas amplitudes expectveis, com
vista seleo dos nveis de isolamento que garantam a melhor relao tcnico-econmica. Espe-
cificar um nvel de isolamento consiste em definir quais os tipos e amplitudes de sobretenses que
um equipamento deve suportar.
2.2 Coordenao de isolamentos 9
2.2.2 Solicitaes dieltricas
A base na qual efectuada a seleo do isolamento so as solicitaes dieltricas s quais os
equipamentos esto ou podem eventualmente estar sujeitos. Consideram-se solicitaes dieltri-
cas os esforos aos quais os equipamentos do sistema eltrico esto sujeitos, resultantes do campo
eltrico aplicado. Este por sua vez depende da amplitude da tenso aplicada aos terminais. Desta
forma, importante conhecer quais os tipos de solicitaes dieltricas existentes e a qual a sua
origem, que vo desde aquelas causadas pelo regime permanente at vrios tipos de sobretenses.
As sobretenses podem classificar-se em dois grupos: um cuja origem externa ao sistema, re-
sultante de descargas atmosfricas e que se pode manifestar de duas formas, ou pela incidncia
directa sobre as linhas/subestaes, ou pela incidncia nas torres e/ou cabos de guarda que pode
provocar contornamento destes para as linhas; O segundo grupo diz respeito s sobretenses com
origem interna ao sistema, refiram-se as sobretenses de manobra e temporrias, como as suas
origens so comuns, estas ocorrem em simultneo e a sua combinao relevante para a seleo
do isolamento [2].
2.2.2.1 Regime permanente
A solicitao dieltrica em regime permanente (frequncia industrial 50Hz) aquela qual
qualquer equipamento est sujeito sobre condies normais de funcionamento. Por vezes cons-
titui um entrave reduo do nvel de isolamento, especialmente em redes de muito alta tenso,
onde a aplicao de dispositivos limitadores de sobretenso diminui o nvel de isolamento neces-
srio. O nvel mnimo de isolamento especificado segundo esta solicitao e a sua seleo, com
base na tenso mxima da rede, deve ter em considerao a degradao devido aos agentes at-
mosfricos chuva, nevoeiro e poluio (este aspecto est relacionado com o isolamento externos),
envelhecimento (este aspecto est relacionado com o isolamento interno) e reduo das distncias
devido ao vento que pode provocar dilataes trmicas e curto-circuitos (aspecto relacionado com
as distncias no ar) [3].
2.2.2.2 Sobretenses temporrias
As sobretenses temporrias provocam solicitaes dieltricas semelhantes ao regime perma-
nente, sendo que a sua frequncia a mesma ou muito prxima desta. Provocam as mesmas
limitaes e as consideraes a tomar so equivalentes. A sua importncia, no que diz respeito
coordenao de isolamentos, fixa-se no facto de os limitadores de sobretenses deverem suportar
estas solicitaes sobre o risco de destruio. O valor nominal de um descarregador de sobre-
tenses depender da capacidade de resistir a sobretenses temporrias. Logo, estas influenciam
o nvel de proteo e custo do equipamento [2], sendo assim relevantes para a coordenao de
isolamentos.
Este tipo de sobretenso pode surgir na sequncia de diferentes acontecimentos, como por
exemplo:
10 Reviso Bibliogrfica
Deslastre de carga. Esta afecta os parmetros da tenso da rede, uma vez que sofre umacrscimo da amplitude e a frequncia pode tambm sofrer um aumento. O impacto da
sobretenso ser tanto maior quanto mais saturados estiverem os transformadores, sendo
que o equipamento no final da linha ser mais afectado devido ao efeito de Ferranti [3]. O
deslastre de carga pode provocar sobretenses temporrias na ordem de 1.2 vezes o valor
de tenso nominal, no final da linha desconectada junto subestao, graas ao efeito de
Ferranti [4].
Defeito terra. Na sequncia de um defeito terra verifica-se uma elevao do potencialdas fases nas quais no se verificou o defeito. A sobretenso depende da razo entre a
impedncia homopolar e directa vista do ponto de defeito. A sobretenso caracteriza-se
pelo fator de defeito terra, que resulta da razo entre o valor eficaz da tenso fase-terra
durante o defeito e o valor eficaz da tenso antes do defeito [3]. Em sistemas de 400 kV
as sobretenses resultantes de defeitos terra podem atingir valores na ordem de 1,5 vezes
o valor de tenso nominal do sistema durante 1s, perodo no qual um defeito deste tipo
permanece [4].
Condio de ressonncia. As condies de ressonncia so provocadas por elementos nolineares que se encontram em redes de alta tenso e normalmente s ocorrem em sistema
de neutro isolado. Sobretenses temporrias surgem quando elementos com elevada capaci-
tncia, por exemplo linhas de transmisso, e indutncia, por exemplo transformadores, com
caractersticas magnticas no lineares so alimentados. Ressonncia em linhas paralelas,
com compensao de energia reactiva, pode surgir na alimentao de uma delas ou de am-
bas. Valores na ordem de 1.5 vezes da tenso nominal podem ser atingidos em sistemas de
400 kV [4].
2.2.2.3 Sobretenses de origem atmosfricas
Uma sobretenso pode ser induzida numa linha de transmisso aps a incidncia direta de
uma descarga atmosfrica sobre os condutores de fase, ou indirecta, sobre as torres e cabos de
guarda. A incidncia directa s acontecer se linha no estiver devidamente protegida por cabo de
guarda. Para melhor se entender, o sinal introduzido pela descarga equivalente ao de uma fonte
de corrente que origina uma forma de tenso como se apresenta na figura 2.2. Esta caracteriza-
se por ter uma frente rpida (T1 na ordem de 1 s) e um tempo de cauda (T2), para 50% dovalor de pico, na ordem de algumas dezenas de micro segundos. A curva 1,2/50 (em que T1=1,2
s e T2=50 s) a curva normalizada para efeito de ensaios no que diz respeito a descargasatmosfricas.
Esta sobretenso normalmente originada pela incidncia de uma descarga num cabo de
guarda ou torre, que induz uma tenso nos condutores de fase, ou atravs do contornamento de
retorno da distncia de isolamento no ar, que injecta um corrente num condutor de fase. Contudo,
estes transitrios podem ser altamente atenuadas pela linha de transmisso, de tal forma que che-
gada da subestao esta se possa assemelhar a uma sobretenso de manobra rpida [4]. Segundo
2.2 Coordenao de isolamentos 11
Figura 2.2: Forma de onda normalizada para sobretenses de frente rpida.
o documento [3], a sua incidncia em linhas e subestaes pode ser estimado, de forma grosseira,
a partir do ndice cerunico (nmero mdio de dias em que a trovoada foi ouvida). Actualmente
existe em Portugal um sistema implementado permitindo quantificar a corrente, localizao e po-
laridade da descarga.
No obstante, as sobretenses de origem atmosfrica apresentam-se mais relevantes para sis-
temas com nveis de tenso abaixo dos 300 kV, uma vez que o seu impacto na rede ser tanto
menor quanto maior for o nvel de tenso. Acima deste nvel, as sobretenses de manobra passam
a revelar-se mais invasivas pois a sua amplitude proporcional ao nvel de tenso [2].
2.2.2.4 Sobretenses de manobra
Sobretenses de manobra surgem na sequncia de manobras efectuadas na rede. Uma ma-
nobra no mais que a alterao da topologia da rede, ou seja, alterao da sua configurao.
So normalmente transitrios eletromagnticos associados ao fecho ou abertura de disjuntores,
na sequncia do aparecimento de defeitos na rede e sua eliminao. Podem citar-se os seguintes
exemplos:
Ligao e religao de linhas em vazio;
Rejeio de carga;
Aparecimento de um defeito;
Eliminao de um defeito;
Corte de correntes indutivas e capacitivas.
12 Reviso Bibliogrfica
Uma das mais importantes sobretenses de manobra resulta da religao de uma linha em
vazio [4].
A amplitude deste tipo de sobretenses depende essencialmente do rgo de manobra (disjun-
tor) e do equipamento a ser manobrado, revelando-se independente do nvel de tenso do sistema.
Em sistemas cuja tenso mais elevada para o equipamento inferior a 300 kV, as sobretenses de
manobra no se revelam de grande importncia uma vez que as solicitao dieltricas causadas no
equipamento no so determinantes, e tambm porque as margens utilizadas para as sobretenses
de origem atmosfrica cobrem, normalmente, as necessidades relativas s sobretenses deste tipo
[3].
2.2.3 Isolamento e proteo contra sobretenses
2.2.3.1 Introduo
Na seco 2.2.2 foram expostas as diferentes solicitaes dieltricas originadas pelo funciona-
mento do sistema. No entanto convm perceber em que consiste o isolamento, quais os dispositi-
vos utilizados para esse fim e quais os dispositivos de proteo contra sobretenses. O isolamento
eltrico consiste em proteger as instalaes eltricas, numa perspectiva de segurana de pessoas
e animais, contra contactos directos e indirectos. Numa perspectiva tcnica consiste em evitar as
fugas de corrente eltrica para a terra. Numa rede de transporte, o isolamento e os dispositivos de
protees so de crucial importncia pois so dos principais fatores na garantia de fiabilidade do
sistema. No que diz respeito proteo contra sobretenses, estes podem agrupar-se em disposi-
tivos de proteo activa e passiva. Em termos de proteo activa temos os explosores, ou hastes
de guarda, e descarregadores de sobretenses. No que diz respeito proteo passiva temos os
isoladores e os cabos de guarda [5].
2.2.3.2 Isoladores
Os isoladores utilizados em redes de transporte e distribuio, figura 2.3, tm no s a funo
de isolar as linhas de transmisso, como tambm a de fixar estas mesmas linhas aos seus apoios.
Desta forma, devem apresentar boas caractersticas dieltricas, assim como boas caractersticas
mecnicas. Existem diversos tipos de matrias utilizados, desde cermicas, vidro, e mais recente-
mente (ltimas quatro dcadas) os de materiais compsitos. Conforme o tipo de material utilizado,
os isoladores apresentam diferentes caractersticas mecnicas e dieltricas. Os dois primeiros tm
a vantagem de apresentar uma grande fiabilidade, demonstrada com a experincia da sua utilizao
ao longo dos anos. Contudo, apresentam tambm uma desvantagem comum que o peso, podendo
levar seleo de apoios mais resistentes aumentando o custo de implementao. Os compsitos
tm-se apresentado como uma excelente alternativa, apresentando um custo baixo e peso reduzido,
bem como um desempenho avanado face poluio relativamente aos demais materiais. No en-
tanto, considera-se que ainda no possvel avaliar o seu tempo de vida til comparativamente aos
de porcelana e vidro [6].
2.2 Coordenao de isolamentos 13
Figura 2.3: Exemplo de isoladores utilizados em redes eltricas.
Ao conjunto de isoladores utilizados na fixao dos diferentes cabos constituintes de uma
linha chama-se cadeia de isoladores. Estas podem ser de amarrao, figura 2.4 b), ou suspenso,
figura 2.4 a). As primeiras utilizam-se em apoios de ngulo, em apoios fim de linha e, em linha
com traado rectilneo, em determinados apoios com o objetivo de esticar a linha, impedindo que
o arco entre os apoios seja demasiado grande. Nas restantes situaes utilizam-se as cadeias de
suspenso.
Figura 2.4: a) Cadeia de isoladores de suspenso; b) Cadeia de isoladores de amarrao.
2.2.3.3 Cabos de guarda
Os cabos de guarda constituem uma forma de proteo passiva relativamente a sobretenses,
uma vez que no constituem uma forma de eliminao destas, mas evita que uma descarga atmos-
14 Reviso Bibliogrfica
frica incida directamente sobre a linha provocando a sobretenso. O cabo de guarda instalado
no extremo do apoio, acima dos condutores de fase. Desta forma a descarga incidir no cabo de
guarda em vez dos cabos de linha. O cabo de guarda encontra-se eletricamente ligado aos apoios,
pelo que a resistncia de terra destes de elevada importncia para o escoamento da descarga.
A resistncia de terra deve ser o mais baixa possvel, pois quanto maior esta for, maior ser a
possibilidade de se estabelecer um arco de retorno do apoio para a linha. Apesar de a utilizao
de cabos de guarda se manifestar como uma mais-valia para a reduo de sobretenses de origem
atmosfrica, estas no deixam de existir pelo facto de a incidncia de uma descarga atmosfrica no
cabo de guarda induzir uma sobretenso na linha, contudo esta ser menor do que se a incidncia
fosse directa.
2.2.3.4 Explosores
Os explosores, figura 2.5, so equipamentos de proteo activa contra sobretenses, efectu-
ando uma descarga para a terra quando uma sobretenso, superior ao seu nvel de proteo, se
estabelece aos seus terminais. So equipamentos extremamente simples, sendo compostos por
dois eltrodos espaados no ar, sendo que um deles ligado eletricamente linha e o outro di-
rectamente terra. Trata-se de um dispositivo facilmente regulvel conforme o nvel de proteo
pretendido. Os explosores podem tomar diversas configuraes, no que diz respeito aos eltrodos,
destacando-se os seguintes [7]:
Duas simples varas colocadas uma em frente outra. Estes constituem uma proteo de re-serva de forma que o seu funcionamento s previsto no caso de os dispositivos de proteo
mais elaborados no atuarem;
explosores de antenas. So constitudos por duas antenas destinadas a provocar o alonga-mento do arco eltrico;
dispositivos mais complexos incorporando, alm dos eltrodos de descarga, anis destinadosa eliminar os eflvios de efeito de coroa 1.
Os explosores, pelo seu baixo custo e facilidade de ajuste, de acordo com a altura a que se en-
contram instalados ou com a funo que lhes atribuda, foram largamente utilizados. Contudo,
estes equipamentos apresentam inmeras desvantagens que impedem a sua utilizao como prin-
cipais dispositivos de proteo. Tambm derivado da sua simplicidade, os explosores apresentam
as seguintes desvantagens: dificuldade de extino autnoma da descarga; o seu funcionamento
provoca um elevado gradiente de frente que pode causar problemas a equipamentos bobinados,
e.g. transformadores; atraso na resposta, podendo a tenso ultrapassar o nvel de proteo do ex-
plosor, o que pode por em causa o isolador; o nvel de tenso a que se efectua a descarga varia
com as condies atmosfricas.
1O efeito de coroa consiste na ionizao de um fluido, ar no caso das linhas de transporte, quando sujeito a umcampo eltrico intenso, sendo que a intensidade visual (arco) e sonoro (zumbido) depende da intensidade desse campo[8].
2.2 Coordenao de isolamentos 15
Figura 2.5: Exemplo de descarga entre hastes de um explosor na extremidade de uma cadeia deisoladores
2.2.3.5 Descarregadores de sobretenses
Os descarregadores de sobretenses (DST), por vezes chamados de pra-raios, so tambm,
semelhana dos explosores, dispositivos de proteo activa contra sobretenses e so os principais
equipamentos na dissipao destas. Os DST destinam-se essencialmente a proteger os equipa-
mentos das subestaes de potncia, ou apenas transformadores areos, instalados em apoios de
distribuio [9]. Estes equipamentos surgiram posteriormente aos explosores com o objetivo de
evitar os inconvenientes dos destes ltimos. Os DST funcionam de forma semelhante aos explo-
sores, escoando uma corrente para a terra quando aos seus terminais surge uma sobretenso de
determinado valor, superior quele que o DST deve suportar. Contudo, estes limitam a amplitude
e durao da corrente, escoada para a terra, evitando, em grande parte, que a intensidade seja de tal
forma elevada que provoque o disparo das protees (disjuntores) [7]. As caractersticas de pro-
teo devem-se essencialmente utilizao de resistncia no lineares, que permitem a conduo
de eletricidade a partir de um determinado nvel de tenso mantendo um fluxo controlado (ver ca-
racterstica de tenso versus corrente na figura 2.6) de corrente e ainda a extino deste fluxo aps
a dissipao da sobretenso. As resistncias no lineares, actualmente utilizadas na construo de
DST, so constitudas por dois tipos de elementos: carboneto de silcio e xido de zinco [9].
A construo tradicional dos DST baseia-se na colocao de resistncias no lineares em srie
com um centelhador formado por vrios gaps (explosores), conforme se observa na figura 2.7 [9].
Actualmente existem DST de xido de zinco (ZnO), figura 2.8, cuja construo no inclui o
chamado centelhador. Este tipo de aparelho apresenta melhor caracterstica tenso/corrente no que
diz respeito dissipao de sobretenses, comparativamente com os tradicionais de carboneto de
silcio. Conforme se comprova pela figura 2.6, os equipamentos de xido de zinco apresentam
uma corrente residual, sob a tenso nominal, bastante reduzida, na ordem dos microampre (A).Esta caraterstica dos elementos no lineares de xido de zinco permitem a no introduo de ex-
plosores tornando a construo mais simples. Contudo, os elementos no lineares ficam expostos
a todas as solicitaes do sistema, podendo causar envelhecimento precoce [10].
16 Reviso Bibliogrfica
Figura 2.6: Caracterstica de tenso versus corrente de DST de xido de zinco e Carboneto deslicio [9]
Figura 2.7: Detalhes construtivos de DST de carboneto de slicio [9]
2.2 Coordenao de isolamentos 17
Figura 2.8: Detalhes construtivos de DST de xido de zinco [6]
2.2.4 Caractersticas de rigidez dieltrica do isolamento
Relativamente capacidade de conduo de corrente eltrica, os materiais podem definir-se
como condutores e no condutores, sendo que os ltimos apresentam resistncias eltricas ele-
vadas, ao contrrio dos primeiros. Sob condies normais de funcionamento o que acontece,
contudo sob condies inesperadas, como na sequncia das sobretenses definidas anteriormente,
onde as solicitaes dieltricas so elevadas, os no condutores podem de facto tornar-se condu-
tores. Veja-se por exemplo a disrupo do isolamento na sequncia de uma descarga atmosfrica
sobre uma linha de transmisso. Isto acontece quando as solicitaes dieltricas sobre um iso-
lante, isto , a intensidade do campo eltrico, aumenta at um ponto suficientemente elevado, de
tal forma que a resistncia de um caminho atravs do isolante diminui at um ponto comparvel
resistncia de um condutor. A este fenmeno d-se o nome de disrupo [11].
A rigidez dieltrica afetada por diversos factores, como por exemplo [11]
A amplitude, forma, durao e polaridade da tenso aplicada;
A distribuio do campo eltrico no isolador;
O tipo de isolamento: liquido, slido, gasoso ou combinao destes. A impureza contidaafecta particularmente a rigidez dieltrica;
O estado fsico do isolamento: temperatura, presso e outras condies ambientais, esforosmecnicos, entre outros;
A deformao do isolamento devido a solicitaes dieltricas, efeitos qumicos, etc.A disrupo pelo ar extremamente afetada pela configurao dos espaamentos e pela pola-
ridade e forma de onda de tenso aplicada. Em isolamento no exterior, aspectos ambientais como
humidade, chuva e poluio das superfcies so factores de importncia crucial. Para componentes
GIS (Gas Insulated Switchgear), aspectos como presso interna e temperatura, assim como falta
de homogeneidade do gs e impurezas tomam um papel importante. Em isolamento lquido, im-
purezas, bolhas de ar causadas por efeitos qumicos e fsicos ou por descargas locais (interior do
18 Reviso Bibliogrfica
transformador por exemplo) podem reduzir drasticamente a rigidez dieltrica. Outro aspecto rele-
vante a degradao das caractersticas isolantes ao longo do tempo de vida. Esta caracterstica
tambm aplicvel aos isolantes slidos [11].
Uma propriedade relevante relativamente disrupo de um isolante o seu carcter esta-
tstico, e, portanto, deve ser tomado em considerao. Graas caracterstica auto regenerativa
de determinados isolantes, por exemplo o ar, possvel obter a resposta estatstica aos esforos
dieltricos com recurso a testes especficos. Assim, o isolamento auto regenerativo usualmente
descrito pela tenso suportvel estatstica, que corresponde a uma probabilidade de suportar uma
solicitao dieltrica igual a 90%. Quanto ao isolamento no auto regenerativo, como a sua natu-
reza estatstica no pode ser encontrada atravs da realizao de testes, a tenso suportvel assu-
mida corresponde a 100% de probabilidade de suportar o stress [11].
2.2.4.1 Influncia da polaridade e forma de sobretenses
Nas aplicaes em alta tenso, para a maioria dos casos, o condutor energizado (carregado ele-
tricamente) normalmente sujeito a maior stress do que o condutor ligado terra. Desta forma, no
que diz respeito a isolamento a ar, a rigidez dieltrica afetada pela polaridade das sobretenses,
isto , um condutor estar sujeito a um maior esforo dieltrico se estiver carregado positivamente
do que se estiver carregado negativamente. Dessa forma, a tenso que d origem disrupo atra-
vs do espao no ar ser menor para um condutor com carga positiva do que para um com carga
negativa [11].
No caso em que ambos os eltrodos esto aproximadamente sujeitos ao mesmo stress, dois
processos de descarga estaro envolvidos, com caractersticas positiva e negativa. Portanto, se for
claro qual a polaridade mais severa, a configurao dos espaos deve ser baseada nessa polaridade,
seno devem ser consideradas ambas as possibilidades [11].
A rigidez dieltrica tambm afetada pela forma de onda da sobretenso. Para impulsos de
frente lenta, o isolamento externo depende mais do impulso de frente do que da cauda. Esta torna-
se mais significativa no caso de poluio da superfcie do isolamento externo. A rigidez dieltrica
do isolamento interno depende essencialmente do valor de pico [11].
Para isolamento externo, normalmente existe para cada espaamento no ar, um impulso cujo
tempo at ao pico (impulse time-to-peak) conduz a uma tenso de ruptura (disrupo) menor.
Este considerado o tempo at ao pico crtico (critical time to peak). Normalmente, o mnimo
encontra-se na gama de valores de tempo at ao pico para sobretenses de frente lenta, e quanto
maior o espaamento, mais pronunciado ser este mnimo. Para distncias na gama de valores I
encontrados na tabela 3.4 presente em IEC 60071-1, que se referem a distncias de isolamento
considerando sobretenses de origem atmosfrica, logo de frente rpida, o seu efeito pode ser
ignorado [11]. Para espaamentos usados na gama de valores II, que se refere a sobretenses
de manobra, logo frentes mais lentas, a mnima tenso de disrupo corresponde ao tempo at ao
pico normalizado de 250 s. Esta considerao pode representar distncias mnimas conservativas[11].
2.2 Coordenao de isolamentos 19
A tenso de disrupo para isolamento externo sobre esforos causados por uma sobretenso
de origem atmosfrica diminui com o aumento da durao da cauda da onda. No entanto, para
tenses suportveis esta diminuio no considerada e a tenso de disrupo assume-se ser igual
de impulso normalizado 1,2/50 s. Ainda assim, existe a possibilidade de reduo da dimensodas estruturas, por exemplo subestaes isoladas a ar, quando protegidas por descarregadores de
sobretenses [11].
2.2.4.2 Influncia das condies climatricas no isolamento
Condies climatricas como a densidade e composio do ar influenciam as tenses de dis-
rupo no isolamento externo. A rigidez dieltrica do isolamento aumenta com a a humidade
absoluta. No entanto, isto s acontece at ao ponto em que a superfcie do isolador se torne mo-
lhada devido condensao. A rigidez dieltrica do isolamento diminuida com a reduo da
densidade do ar. Contudo, deve ser tido em considerao que determinadas condies adversas
no ocorrem simultaneamente, isto , baixa presso, baixa humidade absoluta e alta temperatura
[11].
2.2.4.3 Probabilidade de descarga disruptiva do isolamento
Para isolamento do tipo no auto-regenerativo no existe um mtodo para a determinao do
seu risco de cedncia perante uma sobretenso. No entanto, no que diz respeito a isolamento do
tipo auto-regenerativo considera-se que a probabilidade de suportar uma sobretenso varia entre
0% e 100%.
Antes de mais necessrio perceber a possibilidade de ocorrncia de uma sobretenso, ou
da ocorrncia de um nvel de tenso superior a um determinado valor ou interior a um intervalo.
Assim, pode dizer-se que a possibilidade de ocorrncia de uma sobretenso aos terminais de um
equipamento pode ser expressa por uma funo que indica a sua densidade de probabilidade p, ou
pela funo de probabilidade acumulada P.
Portanto, dada uma distribuio de valores de tenso U , defina-se funo densidade de proba-
bilidade po(U ), como a probabilidade de ocorrncia de U , conforme se apresenta na figura 2.9,sendo assim possvel a determinao da probabilidade de ocorrncia de uma sobretenso contida
num intervalo de valores, por exemplo [U ;U +U ].Uma vez descrita a probabilidade de ocorrncia de uma sobretenso, necessrio definir-
se o comportamento dieltrico de um isolamento, isto , a probabilidade de cedncia perante
uma sobretenso. Tal comportamento traduz-se pela funo de probabilidade acumulada PT (U),
quando sujeito a uma sobretenso de valor U , conforme se apresenta na figura 2.10.
Tendo definida a probabilidade de ocorrncia de uma sobretenso e a probabilidade de ce-
dncia de um isolamento quando sujeito a uma determinada sobretenso, pode agora definir-se o
risco de cedncia de um isolamento. Este resulta do produto da funo densidade de probabilidade
de ocorrncia da sobretenso, pela probabilidade de cedncia do isolamento perante essa mesma
sobretenso.
20 Reviso Bibliogrfica
Figura 2.9: Funo densidade de probabilidade de ocorrncia de U [5]
Figura 2.10: Probabilidade acumulada de descarga disruptiva do isolamento [5]
2.2 Coordenao de isolamentos 21
E portanto, para qualquer valor de sobretenso, U , o risco de cedncia de um isolamento, R,
dado pela expresso 2.4:
R =
0p0(U) PT (U)U (2.4)
Graficamente o risco de cedncia de um isolamento apresentado na figura 2.11.
Figura 2.11: Risco de cedncia de um isolamento [5]
O conhecimento do risco de cedncia dos isolamentos de elevada importncia para a co-
ordenao de isolamentos em sistema de alta e muito alta tenso, pois este constitui uma base
para a seleo dos nveis de isolamento dos equipamentos, permitindo ainda realizar anlises de
sensibilidade, isto , avaliar o comportamento do isolamento perante a variao da severidade das
sobretenses. O conhecimento do risco de cedncia constitui uma base para a seleo dos nveis
de isolamento uma vez que, no sendo possvel a seleo do isolamento de forma a suportar todos
os esforos que possam surgir, possvel a seleo do isolamento que garanta um risco de falha
aceitvel, isto , superior a 0%, mas certamente baixo.
2.2.5 Critrio de desempenho
De acordo com a norma IEC 71-1, o critrio de desempenho de um isolamento em servio o
seu risco de falha aceitvel. Ou seja, conforme descrito em 2.2.4.3, como no possvel garantir
100% de eficcia, no que diz respeito suportabilidade de sobretenses, o desempenho de um
isolamento ter de ter em conta o seu nmero de falhas em funcionamento. Portanto, quanto mais
exigente o critrio de desempenho, menor o nmero de falhas aceitveis num perodo de tempo.
22 Reviso Bibliogrfica
No entanto, a severidade de um defeito na sequncia de uma falha do isolamento devido a uma
sobretenso varia de ponto para ponto da rede. Desta forma, diferentes nveis aceitveis de falhas
podem ser considerados para diferentes pontos da rede [11].
2.2.6 Procedimento de coordenao de isolamento
A coordenao de isolamento visa a seleo da rigidez dieltrica do equipamento relativa-
mente s diferentes solicitaes. Esta seleo consiste na determinao das mais baixas tenses
suportveis que respeitam o critrio de desempenho, considerando as sobretenses representativas
sobre condies de servio.
Relativamente a solicitaes transitrias, existem dois mtodos para a coordenao de isola-
mentos. O primeiro consiste numa abordagem determinstica, o segundo numa abordagem esta-
tstica. Contudo, uma conjugao de ambos os mtodos pode ser aplicada [11].
2.2.6.1 Mtodo determinstico
Este mtodo aplicado quando resultados estatsticos, obtidos atravs de ensaios, relativa-
mente possibilidade de falha em servio no so conhecidos. E portanto, o mtodo utilizado
quando o isolamento caracterizado pela sua tenso suportvel convencional assumida, isto , a
probabilidade de suportar uma solicitao de 100%. A tenso suportvel de coordenao obtida
multiplicando o mximo assumido da sobretenso representativa por uma fator Kc (ver 3.1.1.25).
Este fator pressupe compensar as incertezas das tenses representativas e tenso suportvel assu-
mida. O mtodo tambm se aplica quando, para isolamento externo, o isolamento caracterizado
pela tenso suportvel estatstica, onde a probabilidade de no cedncia igual a 90%. Neste
caso Kc deve ter em conta a diferena entre a tenso suportvel estatstica e a tenso suportvel
assumida [11].
2.2.6.2 Mtodo estatstico
O mtodo estatstico baseado na frequncia de ocorrncia de fenmenos de uma determi-
nada origem (sobretenses de origem atmosfrica, sobretenses de manobra, etc.), na densidade
de ocorrncia de sobretenses relativa a essa origem e na probabilidade de disrupo do isola-
mento. O risco de falha pode ser determinado combinando a probabilidade de sobretenses com a
probabilidade de disrupo do isolamento (ver seco 2.2.4.3).
Aplicando repetidamente clculos para diferentes tipos de isolamento a para estados da rede,
a taxa de falha do sistema devido a falha de isolamento pode ser obtida [11].
Desta forma, a utilizao do mtodo estatstico possibilita a estimao da frequncia de falhas
do sistema como funo do design do sistema. Teoricamente a optimizao do isolamento seria
possvel se os custos da sada de servio do sistema pudessem ser relacionados com os diferentes
tipos de defeitos. No entanto isto na verdade difcil o que leva a que, usualmente, seja melhor
um ligeiro sobredimensionamento do que uma optimizao, e portanto, o sistema de isolamento
seleccionado com base na comparao dos riscos das diferentes alternativas (de design).
Captulo 3
Documento normativo IEC 60071
Neste captulo apresenta-se a documentao normativa da Comisso Electrotcnica internaci-
onal (IEC-International Electrotechnical Commission) relativa coordenao de isolamento. Este
documento normativo actualmente composto por duas partes. A primeira, IEC 60071-1, esta-
belece definies, princpios e regras de coordenao de isolamento, enquanto a segunda, IEC
60071-2, constitui um guia de aplicao. Veja-se que, a informao presente no captulo reporta
ao documento IEC 60071, partes 1 e 2.
3.1 IEC 60071-1: Coordenao de isolamento - Parte 1
3.1.1 Termos e definies
3.1.1.1 Coordenao de isolamento
Seleo da rigidez dieltrica do equipamento relativamente tenso de operao e sobreten-
ses a que os equipamentos podem ser expostos tendo em conta o ambiente de servio e caracte-
rsticas dos dispositivos de proteo;
3.1.1.2 Isolamento externo
Distncia no ar, e da superfcie do equipamento slido em contacto com o ar que est sujeita a
solicitaes dieltricas e condies ambientais do local, como poluio, humidade, etc.
3.1.1.3 Isolamento interno
Distncia do isolamento slido, lquido ou gasoso do equipamento que est protegido dos
efeitos atmosfricos;
3.1.1.4 Isolamento auto-regenerativo
Isolamento que, aps um curto perodo de tempo, recupera totalmente as propriedades diel-
tricas no seguimento de um contornamento durante um ensaio;
23
24 Documento normativo IEC 60071
3.1.1.5 Isolamento no auto-regenerativo
Isolamento que, aps um contornamento, num ensaio, no recupera total ou parcialmente as
caractersticas dieltricas;
NOTA: as definies consideram contornamento causado por tenso de ensaio durante um
ensaio dieltrico. Contudo, contornamentos em servio podem causar perdas de propriedades
dieltricas em isolamento auto-regenerativo.
3.1.1.6 Configurao dos terminais (de isolamento)
Todos os terminais que, entre cada par, pode surgir uma solicitao dieltrica:
Terminal de fase, onde, entre este e o terminal neutro aplicada a tenso simples de serviodo sistema;
Terminal de neutro;
Terminal de terra, ligado diretamente terra (cuba dos transformadores, estrutura torres);
3.1.1.7 Configurao de isolamento
Configurao geomtrica do isolamento em servio, consistindo no isolamento e todos os
terminais. Inclui todos os elementos (isolantes e condutores) que influenciam o comportamento
dieltrico. As configuraes so as seguintes:
Trifsica: 3 terminais de fase, um de neutro e um de terra;
Fase-terra: configurao trifsica em que 2 terminais de fase no so considerados e, excetocasos particulares, o neutro ligado a terra;
Fase-fase: configurao trifsica em que um terminal de fase no considerado. Em casosparticulares, o neutro e terra tambm no so considerados;
Longitudinal (Entrada-sada): configurao considerando 2 terminais de fase e um ter-minal de terra. Os 2 terminais pertencem mesma fase, de um sistema trifsico, tempo-
rariamente separada em 2 terminais energizados independentemente (switch aberto). Os 4
terminais pertencentes s restantes fase no so considerados. Em casos particulares um dos
terminais considerados ligado a terra.
3.1.1.8 Tenso nominal do sistema UN
Valor aproximado da tenso utilizada para designar ou identificar o sistema;
3.1.1.9 Tenso mais elevada de um sistema US
Valor de tenso mais elevado de operao entre fases (valor eficaz) que ocorrer sobre condies
normais de operao, em qualquer instante ou ponto do sistema.
3.1 IEC 60071-1: Coordenao de isolamento - Parte 1 25
3.1.1.10 Tenso mais elevada para equipamento Um
Valor de tenso mais elevado entre fases (valor eficaz) para o qual um equipamento projetado
com respeito ao seu nvel de isolamento. Sobre condies de servio especificadas pelo fabricante,
esta tenso pode ser aplicada continuamente ao equipamento.
3.1.1.11 Sistema com neutro isolado
Sistema no qual o ponto neutro no intencionalmente ligado terra, exceto para ligaes de
alta impedncia para proteo ou medidas;
3.1.1.12 Sistema com neutro ligado terra
Sistema cujos pontos neutros so ligados diretamente terra;
3.1.1.13 Sistema com neutro impedante
Sistema em que um ou mais pontos neutros so ligados terra atravs de impedncias para
limitar as correntes de curto-circuito terra;
3.1.1.14 Sistema com neutro ressonante
Sistema no qual um ou mais pontos neutros so ligados terra atravs de reactncias para
compensar a componente capacitiva de um curto-circuito fase-terra;
3.1.1.15 Fator de defeito terra K
o rcio entre o valor mais elevado (valor eficaz) fase-terra encontrado na fase s durante um
defeito terra afetando uma ou mais fases, e o valor eficaz fase-terra frequncia industrial que
seria obtido nesse local na ausncia de qualquer defeito;
3.1.1.16 Sobretenso
Qualquer tenso entre fase e terra ou aplicada a isolamento longitudinal (entrada-sada) cujo
valor de pico exceda o valor mximo de tenso do sistema dividido por
3, ou entre condutores
de fase cujo pico exceda o valor mais elevado da tenso do sistema.
3.1.1.17 Classificao de sobretenses
De acordo com a sua forma e durao, tenses e sobretenses podem classificar-se como:
Tenso frequncia industrialTenso que se considera apresentar um valor eficaz constante, e que continuamente aplicada
a qualquer par de terminais de uma configurao de isolamento.
26 Documento normativo IEC 60071
Sobretenso temporria TOVSobretenso frequncia industrial de relativa longa durao.
Sobretenso transitriaSobretenso de curta durao, normalmente de alguns milissegundos, oscilatria ou no, usu-
almente bastante amortecida.
Sobretenso de frente lenta SFOSobretenso transitria, normalmente unidirecional, com um tempo at ao pico (time to peak)
de 20s < Tp < 5000s, e uma durao de cauda de T2 < 20ms.
Sobretenso de frente rpida FFOSobretenso transitria, normalmente unidirecional, com um tempo at ao pico (time to peak)
de 0,1s < Tp < 20s, e uma durao de cauda de T2 < 300s.
Sobretenso de frente muito rpida VFFOSobretenso transitria, normalmente unidirecional, com um tempo at ao pico (time to peak)
de Tp < 0,1s, e com ou sem uma oscilao sobreposta de frequncia 30kHz < f < 100MHz.
Sobretenses combinadasConsiste em duas componentes de tenso aplicadas simultaneamente entre cada par de ter-
minais de um isolamento fase-fase, ou longitudinal (entrada-sada), e a terra. classificada pela
componente de maior valor de pico (temporria, frente lenta, frente rpida ou frente muito rpida).
3.1.1.18 Tenses de ensaio normalizadas
Tenso frequncia industrial de curta durao normalizada
Tenso sinusoidal com frequncia entre 48 Hz e 62 Hz, e durao de 60 s;
Impulso de manobra normalizado;
Impulso de tenso com um tempo de frente de 250 s e um tempo de meio-valor (quando acauda atinge 50% do valor de pico) de 2500 s.
Impulso de descarga atmosfrica normalizadoImpulso de tenso com um tempo de frente de 1,2 s e um tempo de meio-valor de 50 s.
Impulso de manobra combinado normalizadoPara isolamento fase-fase, um impulso de tenso combinado contendo duas componentes de
igual valor de pico e polaridade oposta. A componente positiva o Impulso de manobra nor-
malizado, e a negativa um impulso de manobra cujos tempos at ao pico e de meio-valor no
so inferiores aos da componente positiva. Ambos os impulsos devem atingir o pico no mesmo
3.1 IEC 60071-1: Coordenao de isolamento - Parte 1 27
instante. Assim, o valor de pico da tenso combinada a soma dos valores de pico das duas
componentes.
Tenso combinada normalizadaPara isolamento longitudinal (entrada-sada), uma tenso combinada em que num dos termi-
nais aplicado um impulso normalizado e no outro a tenso frequncia industrial. O impulso
aplicado no instante de pico da tenso frequncia industrial de polaridade oposta.
3.1.1.19 Sobretenses representativas Urp
Sobretenso que se assume ter o mesmo efeito dieltrico no isolamento que uma sobretenso
de uma dada classe que ocorre em servio de diversas origens; Consistem em tenses com forma
padro de uma classe, e pode ser definida por um valor ou conjunto deles, ou distribuio de
ocorrncia de valores que caracteriza as condies de servio.
3.1.1.20 Limitador de sobretenses
Equipamento que limita o valor de pico das sobretenses e/ou a sua durao. So classificados
como dispositivos preventivos (resistncias de pr-insero), ou como dispositivos de proteo
(DST);
3.1.1.21 Nvel de proteo contra impulsos
Valor mximo de pico de tenso permitido aos terminais de um dispositivo de proteo sujeito
a impulso de manobra ou descarga atmosfrica sobre determinadas condies.
3.1.1.22 Critrio de desempenho (performance)
Base sobre a qual o isolamento selecionado de modo a reduzir, econmica e operacional-
mente, a nveis aceitveis a probabilidade de a solicitao causado pela tenso resultar em danos
no equipamento ou afetar a continuidade de servio. Este critrio expresso por um rcio aceitvel
de falhas (por ano, anos entre falhas, etc.) da configurao do isolamento.
3.1.1.23 Tenso suportvel
Valor de tenso aplicada sobre determinadas condies num ensaio de tenso suportvel, du-
rante o qual um determinado nmero de contornamentos (disruptive discharge) tolerado. A
tenso suportvel (withstand voltage) designada como:
Convencional, quando o nmero de contornamentos tolerado zero. Considera-se umaprobabilidade de no contornamento de PW = 100%;
Estatstica, quando o nmero de contornamentos est associado a uma probabilidade de nocontornamento de PW = 90%;
28 Documento normativo IEC 60071
3.1.1.24 Tenso suportvel de coordenao Ucw
Para cada classe de tenso, valor suportvel da configurao de isolamento que, em servio,
garante o critrio de desempenho.
3.1.1.25 Fator de coordenao Kc
Valor pelo qual a sobretenso representativa multiplicada para obter a tenso suportvel de
coordenao;
3.1.1.26 Condies atmosfricas de referncia
Condies atmosfricas, nas quais as tenses suportveis normalizadas so aplicadas.
3.1.1.27 Tenso suportvel requerida Urw
Tenso de ensaio que o isolamento deve suportar num ensaio de tenso suportvel para as-
segurar que o isolamento garante o critrio de desempenho quando sujeito a uma dada classe de
sobretenses em condies de servio e durante todo o perodo de servio. A tenso suportvel re-
querida tem a mesma forma da tenso suportvel de coordenao, e especificada com referncia
a todas as condies do teste de tenso suportvel selecionadas para a verificar.
3.1.1.28 Fator de correo atmosfrica Kt
Fator a ser aplicado tenso suportvel de coordenamento para compensar a diferena na
rigidez dieltrica entre as condies atmosfricas mdias em servio e as condies atmosfricas
de referncia padro. Aplica-se apenas para isolamento externo.
3.1.1.29 Fator de correo de altitude Ka
Fator a ser aplicado tenso suportvel de coordenao para compensar a diferena na rigidez
dieltrica entre a presso mdia correspondente altitude em servio e a presso de referncia
padro.
3.1.1.30 Fator de segurana Ks
Fator a ser aplicado tenso suportvel de coordenamento, aps a aplicao do fator de cor-
reo atmosfrico (se necessrio), para obter a tenso suportvel requerida, compensando todas
as diferenas na rigidez dieltrica entre condies de servio durante o perodo de vida e aquelas
encontradas no ensaio de tenso suportvel normalizado.
3.1.1.31 Tenso suportvel de um equipamento ou configurao de isolamento Uaw
Valor mais elevado da tenso de ensaio aplicvel a um equipamento ou configurao de isola-
mento num ensaio de tenso suportvel comum.
3.1 IEC 60071-1: Coordenao de isolamento - Parte 1 29
3.1.1.32 Fator de converso de ensaio Ktc
Para um determinado equipamento ou configurao de isolamento, o fator a ser aplicado
tenso suportvel requerida de uma determinada classe, no caso de a forma suportvel normalizada
da tenso suportvel selecionada para o ensaio ser de uma classe diferente.
3.1.1.33 Tenso suportvel estipulada
Valor da tenso de ensaio, aplicado num ensaio de tenso suportvel que prova que o isola-
mento cumpre com uma ou mais tenses suportveis requeridas. o valor estipulado de isola-
mento de um equipamento.
3.1.1.34 Tenso suportvel estipulada normalizada Uw
Valor normalizado da tenso suportvel estipulada (3.1.2.6 e 3.1.2.7).
3.1.1.35 Nvel de isolamento estipulado
Conjunto de tenses suportveis que caracterizam a rigidez dieltrica do isolamento.
3.1.1.36 Nvel de isolamento normalizado
Conjunto de tenses suportveis estipuladas normalizadas que esto associadas a Um.
3.1.1.37 Ensaio de Tenso suportvel normalizada
Ensaio dieltrico realizado em condies especficas para provar que o isolamento cumpre
com a tenso suportvel estipulada normalizada.
3.1.2 Procedimento para coordenao de isolamento
3.1.2.1 Viso geral e procedimento
O procedimento para a coordenao de isolamentos consiste na seleo da tenso mais ele-
vada para o equipamento juntamente com a um correspondente conjunto de tenses suportveis
estipuladas normalizadas que caracterizam o isolamento do equipamento necessrio aplicao.
A figura 3.1 apresenta o procedimento para a coordenao de isolamento. As tenses suport-
veis estipuladas devem ser selecionadas do conjunto apresentado nos pontos 3.1.2.6 e 3.1.2.7. O
conjunto de tenses normalizadas selecionadas constitui o nvel de isolamento estipulado.
3.1.2.2 Determinao das tenses e sobretenses representativas Urp
As tenses e sobretenses que provocam solicitaes dieltricas no isolamento devem ser de-
terminadas em amplitude, forma e durao por meio de anlise do sistema, que inclui a seleo e
30 Documento normativo IEC 60071
Figura 3.1: Procedimento para coordenao de isolamento [12]
3.1 IEC 60071-1: Coordenao de isolamento - Parte 1 31
localizao dos dispositivos de proteo de sobretenses. Para cada classe de tenses e sobreten-
ses, a anlise deve determinar a tenso e sobretenso representativa, considerando as caracters-
ticas do isolamento, atendendo aos diferentes comportamentos relativamente s formas de tenso
e sobretenso do sistema assim como s formas de tenso normalizadas aplicadas nos ensaios de
tenso suportvel, conforme apresentado na figura 3.2.
Figura 3.2: Tenses e sobretenses representativas [12]
3.1.2.3 Determinao de tenso suportvel de coordenao Ucw
A sua determinao consiste na seleo do mais baixo valor de tenso suportvel do isolamento
que garante o critrio de desempenho, quando sujeito sobretenso representativa sobre condies
de servio.
Tem a mesma forma da sobretenso representativa, e obtido multiplicando a ltima pelo
fator de coordenao. Este depende da preciso da avaliao das sobretenses representativas e na
avaliao da distribuio das mesmas.
32 Documento normativo IEC 60071
A tenso suportvel de coordenao pode ser considerada convencional ou estatstica, depen-
dendo do tipo de mtodo utilizado (ver seco 3.2.2.3).
3.1.2.4 Determinao da tenso suportvel requerida Urw
Consiste na converso da tenso suportvel de coordenao para as condies de ensaio nor-
malizadas apropriadas. Isto cumprido multiplicando a tenso suportvel de coordenao por
fatores que compensam as diferenas entre condies de servio do isolamento e as dos ensaios
de tenso suportvel normalizados.
Os fatores a aplicar devem compensar condies atmosfricas, Kt , e mais uma srie de efeitos
unidos num fator de segurana, Ks. Os efeitos considerados pelo fator de segurana Ks so:
Diferenas na assemblagem do equipamento;
Disperso na qualidade dos produtos;
Qualidade da instalao;
Envelhecimento do isolamento durante o seu perodo de vida expectvel;
Outras influncias.
Se estes efeitos no puderem ser avaliados individualmente, um fator de segurana global,
derivado da experincia deve ser utilizado (ver seco 3.2.3.3).
O fator de correo atmosfrica Kt aplicado apenas para isolamento exterior, e o fator de
correo de altitude, Ka que considera apenas a presso mdia do ar relativamente altitude, deve
ser aplicado qualquer que seja a altitude.
3.1.2.5 Seleo do nvel de isolamento estipulado
Consiste na seleo do conjunto mais econmico de tenses suportveis estipuladas normali-
zadas (Uw) do isolamento, suficiente para provar que todas as tenses suportveis requeridas so
satisfeitas.
A seleo da tenso mais elevada para o equipamento o prximo valor normalizado de Ume deve ser igual ou maior que a tenso mais elevada para o sistema na qual o equipamento se
enquadra. Para equipamento a ser instalado sobre condies ambientais normais relevantes a este,
Um deve ser pelo menos igual a Us. Para equipamento a ser instalado fora das condies ambientais
normais relevantes a este, Um deve ser maior do que o prximo valor normalizado de Um igual ou
maior do que Us de acordo com as necessidades especiais envolvidas.
O valor da tenso suportvel requerida selecionado a partir da lista de tenses suportveis
especificadas normalizadas apresentadas em 3.1.2.6 e 3.1.2.7, como o prximo valor igual ou
maior que: a tenso suportvel requerida no caso de ter a mesma forma; a tenso suportvel
requerida multiplicada por um fator de converso.
3.1 IEC 60071-1: Coordenao de isolamento - Parte 1 33
Para equipamento a ser usado em condies ambientais normais, o nvel de isolamento estipu-
lado deve, preferencialmente, ser selecionado a partir da tabela 3.1 e tabela 3.2, correspondendo
s tenses mais elevadas aplicadas aos equipamentos.
3.1.2.6 Lista de tenses suportveis de curta durao frequncia industrial estipuladasnormalizadas
Os valores eficazes listados, expressos em kV, so valores normalizados de tenses suport-
veis: 10, 20, 28, 38, 50, 70, 95, 115, 140, 185, 230, 275, 325, 360, 395, 460. Os valores eficazes
listados, expressos em kV, so valores recomendados de tenses suportveis: 510, 570, 630,680.
3.1.2.7 Lista de tenses de impulso suportveis estipuladas normalizadas
Os valores listados representam valores de pico, expressos em kV: 20, 40, 60, 75, 95, 125,
145, 170, 200, 250, 325, 380, 450, 550, 650, 750, 850, 950, 1050, 1175, 1300, 1425, 1550, 1675,
1800, 1950, 2100, 2250, 2400.
3.1.2.8 Gama de tenses mais elevadas para o equipamento
As tenses mais elevadas para o equipamento so divididas em duas gamas de valores: Gama
I: Entre 1kV e 245kV inclusive (figura 3.1). Esta gama cobre tanto sistemas de distribuio como
de transmisso. Os diferentes aspetos de operao devem ser tidos em considerao na seleo do
nvel de isolamento estipulado para o equipamento.
Gama II: Acima de 245kV (figura 3.2). Esta gama cobre, essencialmente, sistemas de trans-
misso.
3.1.2.9 Condies ambientais
As condies atmosfricas normais, com base nas quais as tenses suportveis podem ser
seleccionadas a partir das tabelas 3.1 e 3.2 da presente norma so as seguintes:
A temperatura do ar no excede os 40C, e o seu valor mdio num perodo de 24h no excedaos 35C. As temperaturas mnimas no devem ser menores que: -10C, -25C e -40Cconforme as classes -10C exterior, -25C exterior,-40C exterior respectivamente;
A altitude no exceda os 1000 m acima do nvel do mar;
A poluio no exceda o nvel de poluio mdio, de acordo com a tabela 3.3;
A presena de chuva ou condensao comum.
As condies atmosfricas de referncia para as quais as tenses suportveis normalizadas se
aplicam so:
Temperatura: to = 20C
34 Documento normativo IEC 60071
Tabela 3.1: Nveis de isolamento normalizado para gama I [12].
3.1 IEC 60071-1: Coordenao de isolamento - Parte 1 35
Tabela 3.2: Nveis de isolamento normalizado para gama II [12].
36 Documento normativo IEC 60071
Tabela 3.3: Distncias de linha de fuga recomendadas de acordo com o nvel de poluio do local[11]
3.1 IEC 60071-1: Coordenao de isolamento - Parte 1 37
Presso: bo = 101,3 kPa (1013 mbar)
Humidade absoluta: ho = 11 g/m3
3.1.2.10 Seleo do nvel de isolamento normalizado
As tenses suportveis estipuladas normalizadas esto associadas com as tenses mais eleva-
das para o equipamento de acordo com a tabela 3.1 para a gama I e tabela 3.2 para a gama II.
Estas tenses suportveis so vlidas para condies ambientais normais e so ajustadas para as
condies atmosfricas de referncia normalizadas.
As associaes obtidas entre as tenses suportveis de todas as colunas, sem cruzar as linhas
horizontais, so definidas como nveis de isolamento normalizado.
Para isolamento fase-fase e longitudinal, as seguintes associaes so normalizadas:
Para isolamento fase-fase, na gama I, as tenses suportveis frequncia industrial de curtadurao e de impulso por descarga atmosfrica so iguais s tenses suportveis fase-terra.
Para isolamento fase-fase, na gama II, as tenses suportveis a impulso de descargas atmos-fricas so iguais a tenses suportveis fase-terra.
Para isolamento longitudinal, na gama I, as tenses suportveis de curta durao frequn-cia industrial e a impulsos de descarga atmosfrica so iguais s fase-terra relativas.
Para isolamento longitudinal, na gama II, a componente de impulso de manobra da tensosuportvel combinada dado na tabela 3.2, enquanto o valor de pico da componente
frequncia industrial de polaridade oposta Um
2/
3.
Para isolamento longitudinal na gama II, a componente de impulso a descargas atmosfricasda tenso suportvel combinada igual tenso suportvel fase-terra relativa, enquanto o
valor de pico da componente frequncia industrial de polaridade oposta 0,7Um2/
3.
Para a maioria das tenses mais elevadas para o equipamento esto previstas mais do que
uma combinao, permitindo desta forma a aplicao a diferentes critrios de desempenho. So
necessrias apenas combinaes de duas tenses suportveis para definir o nvel de isolamento do
equipamento.
Para equipamento na gama I: a tenso suportvel a impulso de origem atmosfrica; a ten-
so suportvel de curta-durao frequncia industrial. Para equipamento na gama II: a tenso
suportvel a impulso de origem atmosfrica; a tenso suportvel a impulso de manobra.
Se tcnica e economicamente se justificar, outras associaes podem ser adotadas. Em todo
o caso, as recomendaes sugeridas de 3.1.2.1 a 3.1.2.8 devem ser seguidas. O conjunto de ten-
ses suportveis estipuladas normalizadas resultante deve ser denominado por nvel de isolamento
estipulado.
38 Documento normativo IEC 60071
Por exemplo, para isolamento exterior, para nveis elevados de Um na gama I, pode tornar-se
mais econmico especificar uma tenso suportvel a impulso de manobra em vez de uma de curta
durao frequncia industrial.
3.1.2.11 Nveis de isolamento
A seleo do nvel de isolamento normalizado deve basear-se no procedimento descrito pela
publicao IEC 60071-2 e deve considerar as caractersticas de isolamento de determinado equi-
pamento.
Na gama I, a tenso suportvel de curtas durao frequncia industrial ou a impulsos de des-
cargas atmosfricas deve cobrir as tenses suportveis requeridas fase-terra e fase-fase a impulsos
de manobra, assim como a tenso suportvel requerida longitudinal.
Na gama II, a tenso suportvel a impulso de manobra deve cobrir a tenso suportvel de curta
durao frequncia industrial requerida se nenhum valor for especificado pelo fabricante. Uma
vez que os ensaios reproduzidos em laboratrio no permitem simular exatamente as solicitaes
dieltricas em servio, as tenses suportveis requeridas devem ser convertidas, por meio de um
fator, para as formas de onda cujas tenses suportveis estipuladas normalizadas so especificadas.
3.1.3 Distncias no ar para assegurar uma determinada tenso suportvel a impul-sos de uma instalao
3.1.3.1 Generalidades
Em instalaes completas, como por exemplo, uma subestao, que no pode ser testada como
um todo, necessrio assegurar que a rigidez dieltrica suficie