Como já falamos no post anterior, a Lorencini Brasil, preparou uma série de postagens que abordam os “Defeitos em transformadores”. No último post falamos sobre defeitos em materiais isolantes e enrolamentos, hoje vamos abordar os tipos de sobretensões.
Sobretensões são fenômenos transitórios que têm grande influência sobre o desempenho de transformadores, podendo, em função da amplitude e duração, causar danos. Danos por sobretensões em transformadores podem estar associados tanto ao aumento da solicitação dielétrica dos materiais isolantes do enrolamento, quanto ao aumento generalizado de temperatura.
Dentre os tipos de sobretensões pesquisadas, verificou-se que eventos de curta duração são mais difíceis de ser detectados e compreendidos, uma vez que são muito rápidos (da ordem de poucos ou frações de micro segundos) e dependem de características muito específicas de uma instalação.
Os danos decorrentes dessas sobretensões estão diretamente associados à disrupção de arco elétrico interno ao transformador.
Nos eventos de longa duração os danos se manifestam através do aumento de temperatura do transformador.
Os principais dos tipos de sobretensão podem ser dividos em:
a) Sobretensões Temporárias:
Sobretensões temporárias são aquelas que se caracterizam pelo aumento da tensão fase-fase ou fase-terra de um sistema, de longa duração, geralmente da ordem de milissegundos a vários segundos, sendo fracamente ou não amortecidas.
O fator preponderante à suportabilidade de transformadores a esse tipo de fenômeno está diretamente associado às características do núcleo ferromagnético, dado que é este componente o responsável pela formação e fechamento do circuito do magnético da parte ativa.
Dadas as limitações que se impõem pelos custos de matéria prima e mão de obra envolvidos na fabricação, além de dificuldades e despesas com serviços de transporte, transformadores são projetados de forma a atender às características especificadas pelo comprador e pelas normas vigentes.
Como o núcleo é parte bastante significativa nesses fatores, é natural que os fabricantes procurem elaborar projetos otimizados em que as condições nominais de operação do transformador sejam muito próximas ao limite de fluxo magnético do núcleo, que é da ordem de 1,7 Tesla.
Em eventos onde ocorre o aumento da tensão do sistema, dado que transformadores são indutores não-lineares, o núcleo tende a saturar, provocando indesejáveis efeitos de natureza térmica.
Dentre estes efeitos podemos citar:
• o próprio aumento da temperatura do núcleo, resultando no sobreaquecimento do óleo isolante e materiais celulósicos. O efeito direto é a aceleração da deterioração dos materiais isolantes e consequentemente a diminuição da vida útil do transformador;
• o aumento da temperatura de partes metálicas periféricas do transformador, como o tanque e a tampa. Nesse caso podem ocorrer danos à pintura e degradação de juntas de vedação.
Cumpre observar que em função da inércia térmica de grandes transformadores, dado que as massas do núcleo ferromagnético e do óleo isolante são ordem de dezenas de toneladas, os efeitos desse tipo de fenômeno são pouco comuns, restando como possível a ocorrência somente em casos onde o equipamento é submetido a longos períodos de operação nessa condição.
As causas de sobretensões temporárias são atribuídas a ocorrências no sistema ao qual o transformador é conectado, como por exemplo:
• ferroressonância: é um tipo de ressonância que envolve indutâncias não lineares (o próprio transformador) e capacitâncias (cabos subterrâneos ou longas linhas de transmissão, bancos de capacitores), cuja manifestação depende de condições específicas do sistema em que o transformador encontra-se em operação;
• ressonância a uma freqüência em particular: ocorre quando as reatâncias indutivas e capacitivas forem praticamente iguais;
• rejeição de carga: ocorre quando a retirada de grandes cargas do sistema alimentado pelo transformador;
b) Sobretensões de Manobra:
São resultados de operações de chaveamento ou falhas no sistema elétrico, se caracterizando por possuir uma frente de onda muito rápida e de curta duração, com espectro de frequência elevada. A magnitude e a duração desses surtos dependem de parâmetros e da configuração do sistema ao qual o transformador é ligado, bem como das condições do chaveamento.
As sobretensões de manobra podem ter origem em:
• energização e re-energização da linha;
• ocorrência e extinção de faltas;
• manobra de cargas capacitivas, como banco de capacitores;
• manobra de cargas indutivas como transformadores e reatores;
Tipicamente, a frente de onda dessas sobretensões pode variar de centenas microsegundos até poucos milisegundos, sendo que a magnitude pode atingir níveis de até alguns p.u.
Os efeitos de sobretensões de manobra são substancialmente diferentes de sobretensões temporárias, uma vez que transformadores se comportam de forma complexa quando submetidos a esse tipo de fenômeno.
Os componentes dielétricos dos enrolamentos do transformador podem ser solicitados eletricamente de duas formas. Primeiro, a distribuição de tensão ao longo da bobina não será uniforme se o transitório tiver uma frente de onda muito rápida, resultando na concentração de tensão nas espiras/discos próximas à entrada da bobina, havendo a possibilidade de ruptura do meio dielétrico entre espiras nessa região.
Segundo, a bobina ou parte dela pode ressonar em algum tipo de frequência natural, caso a tensão transitória contenha essa componente de freqüência. Nesta condição, pontos específicos da bobina podem atingir níveis de tensão mais altos do que aquele aplicado ao terminal do enrolamento. Pode causar a ruptura do meio dielétrico entre partes da bobina, mesmo se o nível de sobretensão estiver dentro dos limites de NBI (Nível Básico de Impulso) do transformador.
c) Sobretensões Transitórias Muito Rápidas (Very Fast Transient – VFT):
São fenômenos cujas características principais são a ocorrência de frentes de onda muito rápidas e espectro de freqüência elevada. Não há padronização das grandezas envolvidas, porém, se trata de eventos com frentes de onda de frações a poucos microssegundos, frequências de dezenas de kHz a alguns MHz, amplitude típica de 1,5 a 2p.u., podendo chegar até a 2,5p.u.
Normalmente ocorrem em sistemas isolados a gás Hexafluoreto de Enxofre (SF6), conhecidos como Gas Insulated Substation (GIS), utilizados principalmente em sistemas de geração.
São consequência da propagação de tensões originadas com a formação e reignição de arco elétrico na zona entre os contatos de dispositivos de manobra. A forma de onda de um VFT é formada por sucessivas refrações e reflexões dessas tensões ao longo GIS.
Devido à natureza de onda viajante e tempo de subida muito curto, a forma de onda do VFT pode ser significativamente diferente em pontos distintos da GIS, separados por apenas alguns metros.
Os VFTs que chegam aos enrolamentos de transformadores são de difícil avaliação, dado que não dependem somente do tipo e comprimento de sua conexão à GIS, mas também das características dos enrolamentos de um transformador.
De uma forma geral, pode-se dizer que os enrolamentos de transformadores são afetados por VFTs de duas formas:
• A frente de onda impulsiva cria uma distribuição de tensão extremamente não linear ao longo do enrolamento de alta tensão diretamente conectado ao sistema de SF6. A distribuição de tensão não linear cria consideráveis diferenças de potencial entre partes da bobina, podendo resultar em descargas elétricas entre discos ou entre espiras.
• VFTs podem excitar e desenvolver tensões de ressonância parcial do enrolamento.
A forma extremamente não linear da distribuição de tensão associada a esses fenômenos podem resultar em imediata ruptura dielétrica dos materiais isolantes, bem como a deterioração gradativa e cumulativa da isolação, resultando em falha futura, normalmente precedida de descargas parciais no ponto afetado.
d) Sobretensões de Descargas Atmosféricas:
Danos por Sobretensões decorrentes de descargas atmosféricas são menos comuns em transformadores quando comparados a eventos que envolvem sobretensões de manobra e VFTs, podendo ocorrer em função de uma descarga direta em um terminal do transformador ou mesmo em função da limitação de proteção por conta da capacidade e distância de pára-raios instalados nas linhas.
No que concerne à manifestação desse tipo de problema, os danos podem se dar a partir da ruptura da isolação entre espiras de um mesmo enrolamento, normalmente próximo ao terminal, entre bobinas ou até mesmo contra partes aterradas como o núcleo e tanque.
Além disso, é possível que esse tipo de sobretensão provoque a excitação parcial do enrolamento, resultando em danos semelhantes àqueles causados por sobretensões de manobra e VFTs.
Fonte do artigo: “Falha em trafo” – Ricardo Bechara
