Interação entre Transformadores e o Sistema Elétrico com Foco nos Transitórios Eletromagnéticos de Alta Frequência Apresentação e Análise dos Resultados das Simulações Digitais Realizadas no Âmbito do GT, nos Domínios do Tempo e da Frequência

Simulações Digitais Para investigar as tensões transitórias de alta frequência que podem ocorrer nos terminais dos transformadores; Manobras de disjuntores (energização de transformadores) e chaves secionadoras e curtos-circuitos em linhas de transmissão, próximos da subestação; Verificado não apenas o valor máximo das tensões transitórias mas também os espectros de frequências e as frequências dominantes contidas nas formas de onda calculadas; Analisadas subestações de diferentes níveis de tensão (230, 345 e 500kV) com arranjos físicos (layout) típicos, utilizados pelas principais concessionárias que atuam no setor elétrico brasileiro;

Análise no Domínio do Tempo Manobra de disjuntor para energização de transformador elevador em SE 500kV com arranjo DJM (Distância DJ – TR = 540m). SE 230 (BD), 345 (DJM) e 500kV (DJM): Tensão máxima: 1,54 a 2,04pu Frequências dominantes: 60kHz a 200kHz. 2,04pu Distâncias DJ-TR: 60 a 540m 70kHz 160kHz

Análise no Domínio do Tempo Manobra de abertura de chave secionadora em SE 500kV com arranjo DJM, com reacendimento. 470kHz 840kHz 1,22pu SE 230 (BD), 345 (DJM) e 500kV (DJM): Tensão máxima bem abaixo do nível de atuação dos pára-raios e frequências dominantes na faixa de 200kHz a 840kHz.

Análise no Domínio do Tempo SE 500kV com arranjo DJM. Curto-circuito monofásico em linha de transmissão a 1km e 5km da subestação. SE 230 (BD), 345 (DJM) e 500kV (DJM): Para distâncias variando de 0,5km a 5km foram encontradas frequências dominantes na faixa de 20kHz a 560kHz 30kHz 110kHz

Análise no Domínio da Frequência Reator monofásico 550kV / 40Mvar (NBI 1550kV) Enrolamento : Entrada central H1, dois grupos com 45 bobinas duplas, subgrupos de disco entrelaçado (DE), disco contínuo com blindagem interna (DS) e disco contínuo (DC). A amplitude da solicitação e a localização das bobinas mais solicitadas dependem da freqüência do sinal senoidal aplicado.

Análise no Domínio da Frequência 672kHz 317kHz 141kHz Sinal senoidal aplicado em H1-H0 e reposta medida em X1-X2. A amplitude da resposta depende da freqüência do sinal senoidal aplicado.

Análise no Domínio da Frequência Tensão transitória calculada nos terminais do transformador Transformada Rápida de Fourier (FFT) 70kHz 5,10Vs 160kHz 1,76Vs Espectro: Curva de densidade espectral (Vs) em função da frequência (Hz). Retrata a energia do sinal em cada frequência. . Qual o limite em cada freqüência? . Qual a referência?

Análise no Domínio da Frequência Referência: Formas de Onda Padronizadas . Especificação . Dimensionamento / Projeto da Isolação . Ensaios Dielétricos em Laboratório Transformada Integral de Fourier . Impulso atmosférico, onda plena 1,2/50ms (NBI) . Onda cortada na cauda 2 a 6ms (1,10 a 1,15 x NBI) . Impulso de manobra 100/1000ms (0,83 x NBI) Espectro de Frequências

Análise no Domínio da Frequência Onda Cortada na Cauda (2 a 6ms) Transformada Integral de Fourier Definição de uma envoltória a partir da densidade espectral das formas de onda padronizadas.

Análise no Domínio da Frequência Envoltória definida pelas FO padronizadas Solicitações não cobertas pelas FO padronizadas. 3kHz Solicitações cobertas pelas FO padronizadas. 30kHz

Análise no Domínio da Frequência Energização de Transformador 16/16/500kV – 555MVA em SE 500kV DJM Fator de Severidade no Domínio da Frequência 2,04pu Envoltória 160kHz FSDF = 0,54 Tensão transitória 70kHz FSDF = 0,71 FSDF < 1 → Solicitações cobertas pelas FO padronizadas

Análise no Domínio da Frequência Manobra de Chave Secionadora em SE 500kV DJM 1,22pu FSDF > 1 → Solicitações não cobertas pelas FO padronizadas 840kHz FSDF = 1,19

Energização de Transformadores através de Disjuntores

Manobra de Chave Secionadora (*) Considerar possíveis efeitos de múltiplos impulsos na suportabilidade do isolamento (Vários reacendimentos do arco numa mesma manobra)

Curto-circuito Monofásico em Linha de Transmissão

Formas de Onda não Padronizadas Frente de onda Transformada Integral de Fourier Definição de uma envoltória a partir da densidade espectral da frente de onda (0,5 a 1,0ms) com amplitude variando de 1,3 a 1,5 x NBI (1,2/50ms).

Formas de Onda não Padronizadas Envoltória definida pela Frente de Onda (FOW): 1,3 x NBI (1,2/50ms) 366kHz 840kHz FSDF = 1,19 FSDF = 0,88

Considerações Sobre a Margem de Segurança Nos estudos de coordenação de isolamento e nas análises das tensões transitórias de alta freqüência, devem ser considerados limites de sobretensão e de densidade espectral que proporcionem uma margem de segurança adequada com relação aos valores de tensão de ensaio e com relação à envoltória da densidade espectral. Normas de Coordenação de Isolamento Ut > Fs . Umax, Fs ≥ 1,15 para levar em conta a redução da suportabilidade pelas condições de O&M e as incertezas estatísticas dos ensaios em laboratório. Mesmo em condições bem definidas e constantes, a suportabilidade da isolação não é um valor determinístico, mas uma variável aleatória que tem diferentes probabilidades de descarga para diferentes valores de tensão. Isolação não auto-recuperante: Probabilidade de Falha P(Ut) = 0

Considerações Sobre a Margem de Segurança Distribuição de Weibull m = 4 S/U50 = 15% P(Ut) = 0,1% Pn = 5% Pn = 1% Margem = (U/Ut)/Fs Para 1000 aplicações, = 0,85/1,15 = 0,70 Pn = 0,1%

Constatações As solicitações provocadas pelas tensões transitórias de alta frequência, geradas pelas manobras de chaves secionadoras e disjuntores, podem exceder as aplicadas nos ensaios dielétricos com as formas de onda padronizadas, que são consideradas no projeto da isolação do transformador; Os casos analisados mostram a importância do ensaio com a onda cortada no sentido de cobrir as solicitações impostas pelo sistema na região de frequências mais elevadas. Nas especificações técnicas e no dimensionamento da isolação devem ser consideradas ondas cortadas com tempos de corte variando de 2µs a 6µs; A frente de onda, com tempos de corte na faixa de 0,5ms a 1,0ms e amplitude de 1,30 a 1,50 vezes o BIL, cobre a região de frequências mais elevadas (acima de 360kHz) melhor que a onda cortada na cauda com tempos variando de 2ms a 6ms;

Procedimentos de Coordenação de Isolamento Constatações Procedimentos de Coordenação de Isolamento Considerar não apenas o valor máximo, mas também os espectros de freqüências das tensões transitórias. Quando o FSDF exceder o limite, devem ser consideradas medidas mitigadoras (especificação de um nível de isolamento mais elevado, modificação do arranjo físico da SE, etc.); A margem de segurança a ser aplicada na definição dos níveis de isolamento deve levar em conta, além dos efeitos das condições de O&M, a dispersão estatística da tensão suportável pela isolação, o número de aplicações esperado ao longo da vida útil do equipamento e o risco de falha assumido;