Qualidade de Energia Sobretensões Transitórias Variações de tensão de longa duração Humberto Jorge Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores MEEC - Qualidade de Energia 1 Introdução Sobretensões transitórias • • • • Causas principais da sua ocorrência Sobretensões com origem em manobras Sobretensões de origem atmosférica Princípios de protecção contra sobretensões MEEC - Qualidade de Energia 2 Sobretensões transitórias • Sobretensão, oscilatória ou não, de curta duração e em geral fortemente amortecida e com uma duração máxima de alguns milissegundos. • Têm geralmente origem nas descargas atmosféricas, nas manobras na rede e na fusão de fusíveis MEEC - Qualidade de Energia 3 Transitório - comutação de um banco de condensadores na rede de 34,5 kV MEEC - Qualidade de Energia 4 Sobretensões transitórias • Origem de sobretensões – Comutação de baterias de condensadores – Comutação de linhas e cargas – Descargas atmosféricas MEEC - Qualidade de Energia 5 Comutação de baterias de condensadores L2 C1 L1 Consumidor Existem condições de ressonância que amplificam a tensão de oscilação quando C2 1 2 MEEC - Qualidade de Energia LC 1 1 1 2 LC 2 2 6 Comutação de bateria de condensadores As soluções para evitar a amplificação da sobretensão em caso de manobra de condensadores, passa pela alteração da impedância L2 ou caso isso seja impossível pela inserção de resistências em série com a bateria de condensadores. Caso haja equipamento electrónico sensível é conveniente colocar dispositivos de protecção contra sobretensões L2 L1 Consumidor C2 MEEC - Qualidade de Energia 7 Descargas atmosféricas MEEC - Qualidade de Energia 8 Descargas atmosféricas Protecção contra descargas atmosféricas 1 - Interligação das massas metálicas 2 - Ligação à terra com cabos curtos 3 - Colocação de dispositivos de protecção contra sobretensões MEEC - Qualidade de Energia 9 Fontes de Sobretensões Transitórias • No Sistema Eléctrico (utility) – Comutação de Condensadores (MF) • muito comuns na compensação do factor de potência (mais baratos e com custos de manutenção mais reduzidos que os compensadores electrónicos ou as máquinas rotativas) – Amplificação devido a fenómenos de ressonância no SE – Descargas Atmosféricas (HF) • Nas instalações do utilizador final – Dispositivos de electrónica de potência – Iluminação (HF) – Fenómenos de comutação de cargas (HF) MEEC - Qualidade de Energia 10 Comutação de Condensadores – Ocorrem na mesma altura do dia – A sua comutação induz aparecimento de transitórios (1.3 a 1.4pu) • • • • • Afectam cargas controladas electronicamente Não são detectadas pelas cargas convencionais Não danificam o isolamento Passam para além dos transformadores do SE Corrente sofre aumentos da ordem dos 4pu, pelo que o sistema de terras é muito importante – Comutação controlada por variáveis como: • tempo, tensão, corrente, potência reactiva • Em linhas de distribuição que alimentam cargas industriais, os condensadores são geralmente comutados por “tempo”, antecipando a actividade laboral da fábrica MEEC - Qualidade de Energia 11 Comutação de Condensadores Onda da tensão no local da carga Onda da corrente no alimentador MEEC - Qualidade de Energia 12 Comutação de Condensadores • comutação em avanço (poucos minutos) com o início dum turno • pré-inserção duma resistência no circuito • pré-inserção de bobinas – limita as componentes de HF do transitório • fecho síncrono com a passagem por zero da tensão – controlado electronicamente, reduz Vtransitória para 1.1pu • escolha adequada da localização do condensador – em simultâneo com técnicas de comutação suave ou comutação em tempos não críticos MEEC - Qualidade de Energia 13 Fenómenos Ressonantes de Amplificação • Amplificação das sobretensões transitórias na linha do utilizador final (f1f2) 3.0 a 4.0pu • transitório vindo da rede depende da reactância do transformador • possível danificação dos equipamentos do utilizador f1 1 2 L1C1 f2 1 2 L 2C 2 MEEC - Qualidade de Energia 14 Fenómenos ressonantes de Amplificação • Condições que aumentam o impacto do transitório na instalação • Condensadores de baixa tensão na instalação • Alguns transformadores redutores • Opções para reduzir estes transitórios – Controlo da sobretensão transitória da rede • synchronous closing breakers ( na passagem por zero) • interruptores com pré-inserção de carga resistiva(V)/indutiva(I) • “descarregador de sobretensões” na instalação do utilizador reduz a amplitude do transitório até 1.8 pu – Converter as baterias de condensadores do utilizador em filtros de harmónicos MEEC - Qualidade de Energia 15 Descargas Atmosféricas – Fonte poderosa de transitórios impulsivos – Resultam em correntes de descarga pelo neutro do SE – Locais do SE sujeitos a descargas • A) condutores de terra (primária ou secundária) • B) directamente numa fase (primária ou secundária) • C) estrutura das instalações MEEC - Qualidade de Energia 16 Descargas Atmosféricas • Caminhos de fuga – Pelo condutor de terra mais próximo da descarga – Correntes de descarga em outros condutores de terra – Contornamento do transformador • cria impulso mais longo, por vezes oscilante • cria sobretensões nos cabos por onde passa até à “terra melhor” • sobreintensidade no secundário – falhas no transformador • Aumenta o potencial da terra local MEEC - Qualidade de Energia 17 Princípios Fundamentais de Protecção • • • • • • Limitar a tensão em isolamentos sensíveis Desviar a sobretensão para longe da carga Impedir a chegada da sobretensão à carga Ligar conjuntamente as terras nos aparelhos Reduzir ou evitar que a sobretensão circule entre as massas Criar filtros LP utilizando princípios de bloqueio e redução MEEC - Qualidade de Energia 18 Dispositivos para protecção contra sobretensões TVSS (Transient Voltage Surge Supressors) • Dispositivo utilizado no equipamento a proteger • para além de arresters tem outros elementos limitadores de sobretensões Arrester • Dispositivo de entrada da instalação – Blocos de MOV (Metaloxide-varistors) – ou díodos Zener MEEC - Qualidade de Energia 19 Protecção contra descargas atmosféricas Blindagem • Em linhas fortemente expostas a descargas atmosféricas – subestações – linhas aéreas de transmissão (os distribuição) custos geralmente não o justificam na • Realizar estudo de viabilidade – necessário aumentar os postes para introduzir a blindagem – os arresters são geralmente mais económicos e eficazes MEEC - Qualidade de Energia 20 Protecção contra descargas atmosféricas Line arresters • Inseridos ao longo da linha (de 2 em 2 ou 3 em 3 postes) – favorecem o escoamento das sobretensões – protegem os isoladores contra contornamentos – a sua eficácia depende da resistência da terra • situações de terra deficiente ou cargas sensíveis, obrigam a colocar line arresters em cada poste MEEC - Qualidade de Energia 21 Protecção contra descargas atmosféricas contornamento do transformador • Medidas de protecção – Colocar descarregadores de sobretensões no secundário dos transformadores – melhorar a resistência de terra dos postes comparativamente à terra das cargas – Proteger as instalações do consumidor Nota: quer a descarga se dê no sistema de transporte e distribuição ou na instalação do utilizador, os fenómenos observados são os mesmos MEEC - Qualidade de Energia 22 Protecção contra descargas atmosféricas Protecção de cabos • Problema: Envelhecimento dos cabos (UD) – isolamento enfraquece transitórios favorecem falha & rotura c – substituição muito cara D NV D Danos para o cabo • Solução: – introdução de arresters – injecção dum liquido restaurador no cabo – utilizar scout arrester scheme no primário MEEC - Qualidade de Energia N número de impulsos V amplitude dos impulsos c c te empírica [10,15] 23 Protecção contra descargas atmosféricas Scout Arrester Scheme - Mais dispendioso que o esquema de protecção normal, o que limita o seu uso, mas muito eficaz na protecção de cabos e de transformadores em situações de open-point • Princípio – colocar arresters nos postes de ambos os lados da baixada – grande parte da energia do transitório escoa-se nos “escudeiros” – melhorado c/ blindagem dos arcos próximos da baixada do cabo • vantagens – reduz a velocidade de subida das sobretensões no cabo – reduz a tensão de descarga no arrester do cabo MEEC - Qualidade de Energia 24 Problemas devido a Transitórios • VEV - Circuito de controlo sensível a sobretensões de 1.17pu – redução dos problemas isolando-os do sistema de potência • Soluções – aumentar o comprimento do cabo – Alterar a frequência de comutação da PWM – filtros que suprimam a sobretensão transitória MEEC - Qualidade de Energia 25 Variações de tensão de longa duração MEEC - Qualidade de Energia 26 Compensação série Reactância liquida da linha = X - XC MEEC - Qualidade de Energia 27 Compensação paralela (shunt) MEEC - Qualidade de Energia 28 Compensação paralela (shunt) MEEC - Qualidade de Energia 29 Compensação paralela (SVC’s - Static Var Compensators) MEEC - Qualidade de Energia 30 Compensação paralela (SVC’s - Static Var Compensators) MEEC - Qualidade de Energia 31 Transformadores com tomadas (Load tap Changers) MEEC - Qualidade de Energia 32 Transformadores com tomadas (Load tap Changers) MEEC - Qualidade de Energia 33
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