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Estudo de coordenação de isolamento

estudo de coordenação de isolamento em subestações

1 Introdução

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.

1.1 – Descargas atmosféricas

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.

Figura 1 – Direção das ondas de tensão e corrente.

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.

2 – Características dos equipamentos

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:

2.1 – Transformador de potência

  • Potência nominal ……………………………………………………………………………………………………………… 20/26 kV
  • Tensão máxima de operação ………………………………………………………………………………………………….. 72 kV
  • Tensão suportável de impulso …………………………………………………………………………………………….. 200 kV

2.2 – Para-raios de AT

  • Tensão nominal ……………………………………………………………………………………………………………………. 75 kV
  • Corrente nominal de descarga ………………………………………………………………………………………………… 10 kA
  • Tensão suportável de impulso atmosférico (1,2×50µs) …………………………………………………….    350 kVpico
  • Tensão residual máxima (8×20µs) (Vdr)………………………………………………………………………….. 170 kVpico

2.3 – Chave seccionadora AT

  • Tensão suportável de impulso atmosférico ………………………………………………………………………….. 350 kV

2.4 – Transformador de corrente AT

  • Tensão máxima …………………………………………………………………………………………………………………. 72,5 kV
  • Tensão suportável de impulso atmosférico …………………………………………………………………………… 350 kV

2.5 – Transformador de potencial AT

  • Tensão máxima …………………………………………………………………………………………………………………  72,5 kV
  • Tensão suportável de impulso (1,2×50 µs) ………………………………………………………………………………350 kV

3 – Estudo de coordenação de isolamento

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.

3.1 – Tensão máxima esperada no ponto de conexão do para-raios de AT

Com a atuação do para-raios de sobretensão instalado na entrada da linha de transmissão, a tensão máxima esperada no ponto de conexão vale.

3.2 – Tensão máxima esperada no ponto de conexão dos equipamentos

De acordo com o item 6.5 da NBR 8186/2011Guia 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.

3.3 – Transformador de potencial – TP (Ponto A)

3.3.1 – Nível de proteção do TP

3.4 – Transformador de corrente – TC (Ponto C)

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.

3.5 – Chave seccionadora horizontal (Ponto D)

3.5.1 – Nível de proteção da chave seccionadora

Figura 2 – Corte lateral da subestação.

3.6 – Disjuntor (Ponto E)

3.6.1 – Nível de proteção do disjuntor

3.7 – Transformador de potência (Ponto F)

3.7.1 – Nível de proteção do TR

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.

Conclusões

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.

João Mamede Filho
João Mamede Filho
É engenheiro eletricista formado pela Universidade Católica de Petrópolis (UCP), no Rio de Janeiro. Foi diretor de Planejamento e Engenharia da Companhia Energética do Ceará (COELCE) por duas vezes, e também diretor de Operações da entidade. Foi presidente do Comitê Coordenador de Operações do Norte-Nordeste (CCON) e da Nordeste Energia S.A. (NERGISA). Ex-presidente e atual engenheiro de projeto da CPE – Estudos e Projetos Elétricos. Por mais de 30 anos, ministrou a disciplina de Eletrotécnica Industrial na Universidade de Fortaleza (UNIFOR), no Ceará.

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