O que é Coordenação de Isolamento no Sistema Elétrico?

O que é Coordenação de Isolamento em Sistemas de Energia?

Definição de Coordenação de Isolamento

A coordenação de isolamento é o arranjo estratégico de isolamento elétrico para minimizar danos ao sistema e garantir reparos fáceis em caso de falha.

Tensões do Sistema

Compreender as tensões nominais e máximas do sistema é crucial para projetar o isolamento de um sistema de energia para lidar com diferentes condições operacionais.

Tensão Nominal do Sistema

A Tensão Nominal do Sistema é a tensão fase a fase do sistema para o qual o sistema é normalmente projetado. Por exemplo, sistemas de 11 kV, 33 kV, 132 kV, 220 kV, 400 kV.

Tensão Máxima do Sistema

A Tensão Máxima do Sistema é a tensão de frequência de potência máxima permitida que pode ocorrer por longos períodos durante condições de carga nula ou baixa carga do sistema de energia. Também é medida de fase a fase.

A lista abaixo fornece diferentes tensões nominais do sistema e suas respectivas tensões máximas do sistema para referência,

NB – Observa-se na tabela acima que, geralmente, a tensão máxima do sistema é 110% da tensão nominal correspondente até o nível de tensão de 220 kV, e para 400 kV e acima, é 105%.

Fator de Aterramento

Este é o ratio da tensão rms de fase à terra de maior frequência de potência em uma fase sã durante uma falha à terra para a tensão rms de fase a fase de frequência de potência que seria obtida no local selecionado sem a falha.

Este ratio caracteriza, em termos gerais, as condições de aterramento de um sistema a partir do local de falha selecionado.

Sistema Efetivamente Aterrado

Um sistema é considerado efetivamente aterrado se o fator de aterramento não exceder 80% e não-efetivamente aterrado se exceder.

O fator de aterramento é 100% para um sistema com neutro isolado, enquanto é 57,7% (1/√3 = 0,577) para um sistema solidamente aterrado.

Nível de Isolamento

Cada equipamento elétrico tem que suportar diferentes situações de sobretensão transitória anormal em diferentes momentos durante seu período total de vida útil. O equipamento pode ter que resistir a impulsos de raio, impulsos de chaveamento e/ou sobretensões de frequência de potência de curta duração. Dependendo do nível máximo de impulsos de tensão e sobretensões de frequência de potência de curta duração que um componente do sistema de energia pode suportar, o nível de isolamento do sistema de alta tensão é determinado.

Ao determinar o nível de isolamento de um sistema classificado inferior a 300 kV, a tensão de resistência a impulsos de raio e a tensão de resistência de frequência de potência de curta duração são consideradas. Para equipamentos classificados iguais ou superiores a 300 kV, a tensão de resistência a impulsos de chaveamento e a tensão de resistência de frequência de potência de curta duração são consideradas.

Tensão de Impulso de Raio

As perturbações do sistema devido a raios naturais podem ser representadas por três formas de onda básicas diferentes. Se uma tensão de impulso de raio viajar alguma distância ao longo da linha de transmissão antes de chegar a um isolador, sua forma de onda se aproxima da onda completa, e esta onda é referida como onda 1,2/50. Se, durante a viagem, a onda de perturbação de raio causar um flashover através de um isolador, a forma da onda se torna uma onda cortada. Se um raio atingir diretamente o isolador, a tensão de impulso de raio pode subir rapidamente até ser aliviada pelo flashover, causando um colapso muito repentino e acentuado na tensão. Estas três ondas são bastante diferentes em duração e formas.

Impulso de Chaveamento

Durante a operação de chaveamento, pode aparecer uma tensão unipolar no sistema. A forma de onda da qual pode ser periodicamente amortecida ou oscilante. A forma de onda de impulso de chaveamento tem frente íngreme e cauda oscilante longa e amortecida.

Tensão de Resistência de Frequência de Potência de Curta Duração

A tensão de resistência de frequência de potência de curta duração é o valor rms prescrito de tensão sinusoidal de frequência de potência que o equipamento elétrico deve suportar por um período específico de tempo, normalmente 60 segundos.

Dispositivos Protetores

Dispositivos protetores contra sobretensão, como parar-raios ou dispositivos de proteção contra raios, são projetados para suportar um certo nível de sobretensão transitória além do qual os dispositivos drenam a energia do surto para o solo e, portanto, mantêm o nível de sobretensão transitória até um nível específico. Assim, a sobretensão transitória não pode exceder esse nível. O nível de proteção do dispositivo protetor contra sobretensão é o valor máximo de tensão pico que não deve ser excedido nos terminais do dispositivo quando impulsos de chaveamento e impulsos de raio são aplicados.

Usando Fio de Proteção ou Fio Terra

Surges de raios em linhas de transmissão aéreas podem resultar de descargas diretas de raios. Instalar um fio de proteção ou fio terra acima do condutor superior a uma altura adequada pode proteger essas linhas. Se este fio de proteção estiver adequadamente conectado à torre de transmissão e a torre estiver bem aterrada, pode impedir descargas diretas de raios em qualquer condutor dentro do ângulo de proteção do fio terra. Fios de proteção também protegem subestações elétricas e seus equipamentos de raios.

Método Convencional de Coordenação de Isolamento

Como discutido, componentes em um sistema de energia elétrica podem experimentar níveis variados de estresse de tensão transitória, incluindo tensões de impulsos de chaveamento e raios. Usando dispositivos protetores como parar-raios, pode-se limitar a amplitude máxima dessas sobretensões transitórias. Mantendo os níveis de isolamento acima do nível de proteção dos dispositivos, a probabilidade de ruptura do isolamento é minimizada. Isso garante que qualquer sobretensão transitória que atinja o isolamento esteja dentro dos limites seguros estabelecidos pelo nível de proteção.

Geralmente, o nível de isolamento de impulso é estabelecido entre 15 a 25% acima do nível de tensão de proteção dos dispositivos protetores.

Métodos Estatísticos de Coordenação de Isolamento

Em tensões de transmissão mais altas, o comprimento das strings de isoladores e a clareza no ar não aumentam linearmente com a tensão, mas aproximadamente a V1,6. O número necessário de discos de isolador em string suspensa para diferentes sobretensões é mostrado abaixo. Observa-se que o aumento no número de discos é apenas ligeiro para o sistema de 220 kV, com o aumento do fator de sobretensão de 2 a 3,5, mas há um aumento rápido no sistema de 750 kV. Assim, embora possa ser economicamente viável proteger as linhas de tensão mais baixa até um fator de sobretensão de 3,5 (por exemplo), definitivamente não é economicamente viável ter um fator de sobretensão superior a cerca de 2 a 2,5 nas linhas de tensão mais alta. Nos sistemas de tensão mais alta, são as sobretensões de chaveamento que predominam. No entanto, estas podem ser controladas por um projeto adequado de dispositivos de chaveamento.

Eficiência Econômica

A coordenação de isolamento deve equilibrar os requisitos técnicos com a viabilidade econômica, especialmente em níveis de tensão mais altos.