Coordenação de isolamento é o estudo que visa determinar a suportabilidade dos equipamentos quanto às solicitações elétricas a que são submetidos em operação.
As solicitações elétricas de maior impacto quanto à integridade dos equipamentos são as sobretensões, devido às descargas atmosféricas e às sobretensões decorrentes de manobra, sendo as primeiras a de maior importância para a especificação econômica dos equipamentos.
No artigo anterior Proteção contra descargas atmosféricas, publicado neste site, foram tratados dos meios de proteção existentes utilizados em edificações, torres, chaminés etc.
Neste artigo, serão abordados os meios disponíveis para proteção dos equipamentos instalados nas subestações de potência, devido às tensões de surto geradas pelas descargas atmosféricas sobre as linhas de transmissão.
As descargas atmosféricas que incidem sobre os condutores de fase das linhas de transmissão produzem elevadas tensões e correntes de surto que, divididas, viajam em sentidos opostos até os terminais de geração e de carga, conforme pode ser observado na Figura 1.
Se a tensão de surto superar a tensão suportável de impulso dos isoladores mais próximos aos pontos de incidência dos raios, ocorrerá uma descarga para a terra nos próprios isoladores. Caso contrário, a tensão de surto irá trafegar até as subestações localizadas nas duas extremidades da linha de transmissão, onde estão instalados os para-raios de sobretensão, com capacidade adequada para conduzir à terra a corrente de descarga associada à descarga atmosférica.
Porém, durante a condução de corrente à terra, ocorrerá uma queda de tensão nos resistores não lineares dos para-raios, provocando uma tensão de surto entre os seus terminais limitada pela tensão disruptiva desse equipamento. Essa tensão de surto se desenvolve, de forma crescente, ao longo do barramento da subestação, no sentido dos transformadores de potência.
Todos os equipamentos instalados nesse percurso devem ser especificados com a tensão suportável de impulso igual ou inferior à tensão de surto, que ocorrerá em cada ponto de conexão desses equipamentos com o barramento.
Neste artigo, será desenvolvido o cálculo para a determinação das tensões de surto, em cada ponto de conexão dos equipamentos de uma subestação de 69 kV existente.
As características básicas dos equipamentos instalados entre os para-raios e o transformador de potência, e que são de interesse do desenvolvimento dos cálculos, aqui desenvolvidos, estão indicadas a seguir:
O estudo de coordenação de isolamento será realizado numa subestação já em operação, mostrado na Figura 2, que está devidamente protegida contra descargas atmosféricas diretas, por meio dos cabos guarda, representados na linha pontilhada.
Com a atuação do para-raios de sobretensão instalado na entrada da linha de transmissão, a tensão máxima esperada no ponto de conexão vale.
De acordo com o item 6.5 da NBR 8186/2011 – Guia de aplicação de coordenação de isolamento – deverá ser considerado uma margem de segurança de 1,2, ou seja, 20%, entre a tensão nominal suportável de impulso do equipamento e o nível de proteção a impulso do para-raios.
A tensão que será aplicada, entre fase e terra, em cada equipamento pode ser determinada pela tensão desenvolvida nos resistores não lineares dos para-raios (tensão residual) e nos cabos associados. O cálculo será realizado em cada ponto de conexão do equipamento ao barramento.
A tensão que se estabelece nos terminais dos transformadores de corrente tem o mesmo valor do ponto A, já que o comprimento B-A é igual ao comprimento B-C.
Nota: logo, foi necessário instalar um conjunto de para-raios nos terminais do transformador de força, para protegê-lo contra a penetração de uma onda de tensão de surto, capaz de danificá-lo severamente.
Todos os equipamentos do setor de 69 kV da subestação estão devidamente protegidos pelos para-raios de 72 kV de tensão nominal, e de 170 kV de tensão residual, para uma corrente de surto de até 10 kA, decorrente de uma descarga atmosférica que viajasse pelo cabo fase da linha de transmissão, até atingir o terminal do para-raios.
Apenas o transformador de potência não foi alcançado pela cobertura de proteção do conjunto de para-raios de entrada da subestação, necessitando, pois, inserir um conjunto de para-raios nos terminais do transformador.
Pode-se perceber que, no lay-out da subestação, existe um espaço entre o disjuntor e o transformador de potência, que poderia ser utilizado para a instalação do para-raios de proteção do transformador.