Qualidade de Energia
Sobretensões Transitórias
Variações de tensão de longa duração
Humberto Jorge
Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores
MEEC - Qualidade de Energia
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Introdução
Sobretensões transitórias
•
•
•
•
Causas principais da sua ocorrência
Sobretensões com origem em manobras
Sobretensões de origem atmosférica
Princípios de protecção contra sobretensões
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Sobretensões
transitórias
• Sobretensão, oscilatória ou não, de curta
duração e em geral fortemente amortecida e
com uma duração máxima de alguns
milissegundos.
• Têm geralmente origem nas descargas atmosféricas,
nas manobras na rede e na fusão de fusíveis
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Transitório - comutação de um banco de
condensadores na rede de 34,5 kV
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Sobretensões transitórias
• Origem de sobretensões
– Comutação de baterias de condensadores
– Comutação de linhas e cargas
– Descargas atmosféricas
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Comutação de baterias de condensadores
L2
C1
L1
Consumidor
Existem condições de ressonância
que amplificam a tensão de
oscilação quando
C2
1
2
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LC
1
1

1
2
LC
2
2
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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
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Descargas atmosféricas
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Descargas atmosféricas
Protecção contra descargas atmosféricas
1 - Interligação das massas metálicas
2 - Ligação à terra com cabos curtos
3 - Colocação de dispositivos de protecção contra
sobretensões
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Fontes de Sobretensões Transitórias
• No Sistema Eléctrico (utility)
– Comutação de Condensadores (MF)
• muito comuns na compensação do factor de potência (mais
baratos e com custos de manutenção mais reduzidos que os
compensadores electrónicos ou as máquinas rotativas)
– Amplificação devido a fenómenos de ressonância no SE
– Descargas Atmosféricas (HF)
• Nas instalações do utilizador final
– Dispositivos de electrónica de potência
– Iluminação (HF)
– Fenómenos de comutação de cargas (HF)
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Comutação de Condensadores
– Ocorrem na mesma altura do dia
– A sua comutação induz aparecimento de transitórios (1.3 a 1.4pu)
•
•
•
•
•
Afectam cargas controladas electronicamente
Não são detectadas pelas cargas convencionais
Não danificam o isolamento
Passam para além dos transformadores do SE
Corrente sofre aumentos da ordem dos 4pu, pelo que o sistema de
terras é muito importante
– Comutação controlada por variáveis como:
• tempo, tensão, corrente, potência reactiva
• Em linhas de distribuição que alimentam cargas industriais, os condensadores
são geralmente comutados por “tempo”, antecipando a actividade laboral da
fábrica
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Comutação de Condensadores
Onda da tensão no local da carga
Onda da corrente no alimentador
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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
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Fenómenos Ressonantes de Amplificação
• Amplificação das sobretensões transitórias na linha do
utilizador final (f1f2)  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
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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
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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
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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
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Princípios Fundamentais de Protecção
•
•
•
•
•
•
Limitar a tensão em isolamentos sensíveis
Desviar a sobretensão para longe da carga
Impedir a chegada da sobretensão à carga
Ligar conjuntamente as terras nos aparelhos
Reduzir ou evitar que a sobretensão circule entre as massas
Criar filtros LP utilizando princípios de bloqueio e redução
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Dispositivos para protecção contra sobretensões
TVSS (Transient Voltage Surge Supressors)
• Dispositivo 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
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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
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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
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Protecção contra descargas atmosféricas
contornamento do transformador
• Medidas de protecção
– Colocar descarregadores de sobretensões no secundário dos transformadores
– melhorar a resistência de terra dos postes comparativamente à terra das cargas
– Proteger as instalações do consumidor
Nota: quer a descarga se dê no
sistema de transporte e
distribuição ou na
instalação do utilizador, os
fenómenos observados são
os mesmos
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Protecção 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
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N  número de impulsos
V  amplitude dos impulsos
c  c te empírica [10,15]
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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
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Problemas devido a Transitórios
• VEV - Circuito de controlo sensível a sobretensões de 1.17pu
– redução dos problemas isolando-os do sistema de potência
• Soluções
– aumentar o comprimento do cabo
– Alterar a frequência de comutação da PWM
– filtros que suprimam a sobretensão transitória
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Variações de tensão de longa duração
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Compensação série
Reactância liquida da linha = X - XC
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Compensação paralela (shunt)
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Compensação paralela (shunt)
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Compensação paralela
(SVC’s - Static Var Compensators)
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Compensação paralela
(SVC’s - Static Var Compensators)
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Transformadores com tomadas
(Load tap Changers)
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Transformadores com tomadas
(Load tap Changers)
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