Quais são os Tipos e Características Comuns de Sobretensão na Rede de Distribuição

As redes de distribuição, caracterizadas por sua ampla distribuição, grande número de equipamentos e baixo nível de isolamento, estão sujeitas a acidentes de isolamento causados por sobretensão. Isso não apenas reduz a estabilidade do sistema de distribuição como um todo e o desempenho de isolamento das linhas, mas também tem um impacto significativo e negativo na operação segura da rede elétrica e no desenvolvimento saudável e sustentável da indústria de energia.

Do ponto de vista do circuito, além da fonte de alimentação, o sistema de energia pode ser representado equivalentemente por diferentes combinações de três componentes típicos: resistência (R), indutância (L) e capacitância (C). Entre eles, a indutância (L) e a capacitância (C) são componentes de armazenamento de energia, que são as condições básicas para a formação de sobretensão; a resistência (R) é um componente consumidor de energia, que geralmente pode inibir o desenvolvimento de sobretensão. No entanto, em casos individuais, a adição inadequada de resistência também pode levar à ocorrência de sobretensão.

Tipos Comuns e Características de Sobretensão nas Redes de Distribuição

Os tipos comuns de sobretensão nas redes de distribuição incluem principalmente sobretensão de arco intermitente ao solo, sobretensão de ressonância linear e sobretensão de ferroressonância (incluindo sobretensão de ressonância de desconexão e sobretensão de saturação de PT).

Sobretensão de Arco Intermitente ao Solo

A sobretensão de arco intermitente ao solo é um tipo de sobretensão de manobra. Sua amplitude está relacionada a fatores como as características dos equipamentos elétricos, a estrutura do sistema, os parâmetros de operação, a forma de operação ou falha, e apresenta uma aleatoriedade evidente. É mais comum em redes elétricas com neutro não efetivamente aterrado.

A energia da sobretensão de manobra vem do próprio sistema de energia, e sua amplitude é aproximadamente proporcional à tensão nominal do sistema. Geralmente é expressa em múltiplos da amplitude máxima da tensão de fase de operação do sistema. Quando as operações ou falhas causam mudanças no estado de trabalho da rede elétrica, a energia magnética armazenada nos componentes indutivos será convertida em energia elétrica dos componentes capacitivos em determinado momento, resultando em um processo transitório oscilante, gerando assim uma sobretensão transitória várias vezes maior que a tensão de alimentação, conhecida como sobretensão de manobra.

Arcos intermitentes causam mudanças repetidas no estado de operação da rede elétrica, levando a oscilações eletromagnéticas nos circuitos de indutância e capacitância, e então ocorrem processos transitórios nas fases não-falhas, fases de falha e no ponto neutro, resultando em sobretensão. Isso é chamado de sobretensão de arco intermitente ao solo (também conhecida como sobretensão de arco ao solo). Seu mecanismo de formação está intimamente relacionado à extinção e reacendimento do arco: cada vez que a corrente de falha de aterramento cruza naturalmente zero, o arco terá um curto período de extinção; quando a tensão de recuperação do canal do arco for maior que sua força de recuperação dielétrica, o arco se reacenderá. Especificamente:

• Quando a corrente de aterramento é grande, o canal do arco está fortemente ionizado, e o arco queima de forma estável;

• Quando a corrente é pequena, a força de isolamento do canal do arco recupera-se rapidamente, tornando difícil o reacendimento do arco, e a extinção temporária pode transformar-se em extinção permanente;

• Quando a corrente é moderada, forma-se um fenômeno de arco intermitente ao solo, que vai e volta.

A sobretensão de arco ao solo severa é causada pela acumulação contínua de energia na rede elétrica. Do ponto de vista de limitar a sobretensão, se a carga excessiva acumulada na rede durante o processo de ignição a extinção do arco puder vazar através da resistência dentro de meio ciclo de frequência de rede após a extinção do arco, a tensão de deslocamento do ponto neutro será quase zero, e não será causada uma sobretensão de alta amplitude.

Sobretensão de Ressonância Linear

Na rede elétrica, a sobretensão gerada pela ressonância em série entre componentes indutivos sem núcleo de ferro (como indutância de linha, indutância de fuga de transformador, etc.) ou componentes indutivos com núcleo de ferro cujas características de excitação são próximas de lineares (como bobinas de supressão de arco, etc.) e componentes capacitivos na rede (como capacitância linha-solo, etc.) sob a ação de tensão assimétrica é chamada de sobretensão de ressonância linear. Sua forma mais comum é o deslocamento da tensão do ponto neutro.

De acordo com a norma industrial DL/T620-1997 "Proteção contra Sobretensões e Coordenação de Isolamento de Dispositivos Elétricos de Corrente Alternada", no sistema de aterramento com bobina de supressão de arco, em condições normais de operação, o deslocamento de tensão do ponto neutro a longo prazo não deve exceder 15% da tensão de fase nominal do sistema.

Sobretensão de Ferroressonância

No circuito de oscilação do sistema de energia, a sobretensão de alta amplitude persistente excitada pela saturação da indutância com núcleo de ferro é chamada de sobretensão de ferroressonância. Existem duas sobretensões de ferroressonância típicas em redes de distribuição abaixo de 35kV, a saber, sobretensão causada por ressonância de desconexão e sobretensão causada por saturação de PT, coletivamente referidas como sobretensão de ressonância não-linear. Ela possui características e propriedades completamente diferentes da sobretensão de ressonância linear e da sobretensão de arco intermitente ao solo. Sob diferentes combinações de parâmetros, podem ocorrer sobretensões de ressonância de frequência fundamental, subfrequência e alta frequência.

• Sobretensão de Ressonância de Desconexão: Quando o sistema opera em condição não total de fases devido a ruptura de condutores, ação não total de disjuntores, operação assíncrona severa, fusão de uma ou duas fases de fusíveis de alta tensão, etc., a sobretensão de ferroressonância gerada é a sobretensão de ressonância de desconexão. Quando ocorre a desconexão, o potencial simétrico trifásico geralmente fornece energia a cargas trifásicas assimétricas, e o circuito é complexo e contém componentes não-lineares. Portanto, é necessário usar o teorema de Thevenin e o método de componentes simétricos para converter o circuito trifásico em um circuito equivalente monofásico, ordená-lo no circuito LC série mais simples, e então analisar as condições de ressonância e realizar cálculos e análises. Existem três formas de falhas de desconexão de uma fase: desconexão sem aterramento, desconexão com aterramento do lado de alimentação, e desconexão com aterramento do lado de carga.

• Sobretensão de Saturação de PT: No sistema com neutro não efetivamente aterrado, geralmente são instalados transformadores eletromagnéticos de tensão (PT) conectados em Y0 nas barras de usinas e subestações para monitorar as condições de isolamento. Durante a operação normal, a impedância de excitação do transformador eletromagnético de tensão é muito alta, de modo que a impedância de terra da rede é capacitiva, e as três fases são basicamente equilibradas. No entanto, após algumas operações de manobra ou a desaparição de falhas de terra, formará um circuito de ressonância especial trifásico ou monofásico com a capacitância de linha ou a capacitância parasitária de outros equipamentos, podendo excitar sobretensões de ferroressonância de vários harmônicos, conhecida como sobretensão de saturação de PT. Dentre elas, a sobretensão de ressonância de subfrequência é a mais prejudicial. Ela causará um aumento significativo na corrente de excitação por um longo tempo, queimará o fusível do transformador, e até mesmo causará superaquecimento sério, liberação de óleo, ou até explosão do transformador. Além disso, a sobretensão de saturação do transformador de tensão apresenta características de sequência zero evidentes.

Sobretensão de Raio

A descarga de raio é essencialmente um fenômeno de descarga não-spark em um campo elétrico extremamente desigual com um intervalo de ar ultra-longo. Seu processo básico inclui descarga de líder, descarga principal e descarga de resplendor. Cada corrente de raio formada por raios de polaridade negativa tem uma forma de onda de pulso unipolar. Os principais parâmetros que descrevem a forma de onda de pulso são valor de pico, tempo de frente de onda e tempo de meia-amplitude.

A sobretensão de raio é dividida em sobretensão direta de raio e sobretensão induzida de raio. Entre elas, a sobretensão induzida de raio inclui componentes de indução eletrostática (principalmente) e eletromagnética, com as seguintes características:

• A polaridade é oposta à do nuvem de trovão, ou seja, oposta à polaridade da corrente de raio;

• Aparece simultaneamente em três fases com valores basicamente iguais, e não haverá diferença de potencial entre fases e flashover entre fases;

• Se a amplitude for grande, pode causar flashover ao solo;

• A forma de onda é mais plana e mais longa do que a da sobretensão direta de raio;

• Se houver uma linha de proteção contra raios aterrada acima do condutor, a sobretensão induzida no condutor será reduzida devido ao efeito de blindagem eletromagnética. Quanto menor a distância entre as linhas, maior o coeficiente de acoplamento, e menor a sobretensão induzida no condutor.

Geralmente, linhas de proteção contra raios não são instaladas ao longo de toda a linha para redes de distribuição de 35kV e abaixo, e apenas 1-2km de linhas de proteção contra raios são instaladas nas entradas e saídas de subestações como proteção de seção de entrada.