Qualidade de Energia Sobretensões Transitórias Variações de tensão de longa duração

1. Qualidade de EnergiaSobretensões TransitóriasVariações de tensão de longa duração Humberto Jorge Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores MEEC - Qualidade de Energia

2. 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

3. 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

4. Transitório - comutação de um banco de condensadores na rede de 34,5 kV MEEC - Qualidade de Energia

5. Sobretensões transitórias • Origem de sobretensões • Comutação de baterias de condensadores • Comutação de linhas e cargas • Descargas atmosféricas MEEC - Qualidade de Energia

6. Comutação de baterias de condensadores Consumidor L2 Existem condições de ressonância que amplificam a tensão de oscilação quando C1 L1 C2 MEEC - Qualidade de Energia

7. 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 Consumidor L2 L1 C2 MEEC - Qualidade de Energia

8. Descargas atmosféricas MEEC - Qualidade de Energia

9. 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

10. 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

11. 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

12. Comutação de Condensadores Onda da tensão no local da carga Onda da corrente no alimentador MEEC - Qualidade de Energia

13. 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

14. 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 MEEC - Qualidade de Energia

15. 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

16. 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

17. 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

18. 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

19. 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 (Metal-oxide-varistors) • ou díodos Zener MEEC - Qualidade de Energia

20. Protecção contra descargas atmosféricas Blindagem • Em linhas fortemente expostas a descargas atmosféricas • subestações • linhas aéreas de transmissão (os custos geralmente não o justificam na distribuição) • Realizar estudo de viabilidade • necessário aumentar os postes para introduzir a blindagem • os arresters são geralmente mais económicos e eficazes MEEC - Qualidade de Energia

21. 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

22. Protecção contra descargas atmosféricascontornamento 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

23. Protecção contra descargas atmosféricas Protecção de cabos • Problema: Envelhecimento dos cabos (UD) • isolamento enfraquece  transitórios favorecem falha & rotura • substituição muito cara • Solução: • introdução de arresters • injecção dum liquido restaurador no cabo • utilizar scout arrester scheme no primário MEEC - Qualidade de Energia

24. 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

25. 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

26. Variações de tensão de longa duração MEEC - Qualidade de Energia

27. Compensação série Reactância liquida da linha = X - XC MEEC - Qualidade de Energia

28. Compensação paralela (shunt) MEEC - Qualidade de Energia

29. Compensação paralela (shunt) MEEC - Qualidade de Energia

30. Compensação paralela (SVC’s - Static Var Compensators) MEEC - Qualidade de Energia

31. Compensação paralela (SVC’s - Static Var Compensators) MEEC - Qualidade de Energia

32. Transformadores com tomadas(Load tap Changers) MEEC - Qualidade de Energia

33. Transformadores com tomadas(Load tap Changers) MEEC - Qualidade de Energia