Parceria cepel – cpfl na avaliaçÃo de pára-raios da reserva técnica da cpfl por meio de ensaios laboratoriais



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SENDI 2004

XVI SEMINÁRIO NACIONAL DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

Parceria CEPEL – CPFl na Avaliação de pára-raios da reserva técnica da CPFL por meio de ensaios laboratOriais: uma expêriência de sucesso


Flávio Bittencourt Barbosa - CEPEL João Carlos Carneiro - CPFL
E-mail: fbb@cepel.br

Palavras-chave – Pára-raios SiC, reserva técnica e ensaios

Resumo – O objetivo deste artigo é apresentar os resultados obtidos da parceria CEPEL-CPFL a uma averiguação do adequado funcionamento de 24 unidades de pára-raios de porcelana fabricados com SiC, carboneto de silício com idade média de 27 anos, que a CPFL possuía na sua Reserva Técnica. Tendo em vista a idade avançada, falta de informações sobre suas condições e procedências destes equipamentos foram executados ensaios das características mínimas de proteção nos laboratórios de alta tensão do CEPEL. Os resultados indicaram que 50% a 70% das unidades possuíam características de proteção insatisfatórias, conforme determinado em norma ou especificação da CPFL. Os ensaios realizados no CEPEL, visando avaliar o desempenho dos pára-raios e a melhoria da confiabilidade das famílias de pára-raios da reserva técnica (estoque) da CPFL, contribuiu para a implementação de providências necessárias para a reposição e/ou readequação da reserva técnica de para raios de subestação.

1. Histórico


Os sistemas elétricos de potência estão submetidos invariavelmente a sobretensões de origem externa provocadas por descargas atmosféricas, ou, de origem interna provenientes de operações de manobra e de ocorrências de faltas (temporárias).

O efeito destas sobretensões sobre os equipamentos depende basicamente das suas características construtivas. A falha de isolamento em um transformador, resulta na retirada do mesmo do sistema. Já em uma linha de transmissão, a falha de isolamento acarreta no desligamento do sistema, sem no entanto, provocar danos permanentes à mesma. Dentre os dispositivos atualmente utilizados para reduzir o efeito proveniente das sobretensões sobre os equipamentos instalados nas redes elétricas, o pára-raios tem se mostrado como o mais eficaz.

O pára-raios tem a importante função de detectar e limitar as sobretensões transitórias elevadas nos terminais dos equipamentos por ele protegidos a níveis preestabelecidos, tais que o isolamento destes equipamentos não fiquem com a sua característica afetada após a ocorrência de uma sobretensão, que podem ocorrer no sistema de transmissão. Até o presente momento não existem técnicas de diagnóstico de campo bem definido que possam identificar de forma clara e objetiva para raios defeituosas e ineficientes. Essa dificuldade deve-se, em grande parte, às características construtivas e operativas dos pára-raios, que são equipamentos selados que não permitem a inspeção de seus componentes internos.

A operação adequada do pára-raios está intimamente ligada ao compromisso de confiabilidade do sistema e para proceder-se a uma averiguação de seu adequado funcionamento faz-se necessário a realização de ensaios em amostragens de pára-raios. No caso em questão, a CPFL possuía na sua Reserva Técnica 24 unidades de pára-raios de porcelana fabricados com SiC, carboneto de silício com idade média de 27 anos, havendo a necessidade de análise e avaliação da integridade física e efetividade da proteção desses pára-raios de tensões nominais 30, 60 e 120 kV – 10 kA, antes de uma eventual aplicação em subestações da CPFL. Tendo em vista a idade avançada, falta de informações sobre suas condições e procedências destes equipamentos, no final de 2003 foram executados ensaios das características mínimas de proteção (tensões disruptivas de freqüência industrial e de impulso normalizado, corrente de fuga, tensão residual e nível de radio interferência e tensão de ionização interna), em laboratórios de alta tensão do CEPEL.


2. Metodologia de trabalho


Após análise dos pára-raios por parte da CPFL e posterior consulta ao CEPEL para a realização de ensaios. Devido à idade avançada dos pára-raios, falta de informações sobre suas condições e procedências, ficou definido que seriam executados os ensaios de tensão disruptivas a freqüência industrial e de impulso atmosférico de forma normalizado, corrente de fuga, tensão residual a impulso atmosférico e nível de radiointerferência e de ionização interna, como sendo os ensaios das características mínimas de proteção.
2.1 Avaliação dos pára-raios pela CPFL
Após uma avaliação por parte de seu corpo técnico, a CPFL enviou ao CEPEL 24 pára-raios sendo: nove unidades de 30 kV-10 kA, uma unidade 60 kV-10 kA, duas unidades120 kV-10 kA e doze unidades 138 kV-10 kA. A identificação dos pára-raios enviados ao CEPEL está apresentada na Tabela 1.
TABELA 1

Lista de Para Raios PARA Avaliação




Pára-raios Identificação

Tensão (kV)

Ano

1122

30,0

1987

1123

30,0

1987

558A

30,0

1900

558B

30,0

1900

1135

30,0

1900

1136

30,0

1900

592

30,0

1900

594

30,0

1900

998

30,0

1900

992

60,0

1975

1089

120,0

1900

1088

120,0

1900

049

138,0

1988

993

138,0

1988

1121

138,0

1993

938

138,0

1984

1002

138,0

1984

1001

138,0

1900

375

138,0

1978

373

138,0

1978

374

138,0

1978

958

138,0

1972

815

138,0

1970

816

138,0

1970

2.2 Ensaios dos pára-raios no CEPEL

Os ensaios realizados no CEPEL foram de acordo com as recomendações técnicas das Normas Brasileiras: NBR 5287/88 - Pára-raios de resistores não linear a carboneto de silício (SiC) para circuitos de potencia de corrente alternada – Especificação [1]e NBR 5309/91 - Pára-raios de resistores não linear a carboneto de silício (SiC) para circuitos de potencia de corrente alternada – Método de ensaio [2], especificação Técnica CPFL [3] e procedimentos definidos pela parceria CEPEL-CPFL. Os procedimentos de realização dos ensaios e os circuitos de ensaio estão apresentados a seguir.
2.2.1 Ensaio de Tensão Residual na corrente de descarga nominal
Este ensaio tem por objetivo medir a queda de tensão produzida nos resistores não-lineares que constituem o pára-raios, quando da passagem de corrente de descarga com forma normalizada.

O ensaio foi realizado aplicando-se nos pára-raios sob ensaio um impulso de corrente com forma de onda normalizada (8/20 s) e amplitude na corrente de descarga nominal (10 kA). Após cada aplicação foram registradas as formas de onda da tensão residual e da corrente de descarga atmosférica.

O diagrama do circuito de ensaio é apresentado na Figura 1.




Onde:

Gerador de impulso de corrente de 150 kJ



V 0

Rc



-

Tensão de carga

Resistor de carga



C0

-

Banco de capacitores

R, L

-

Resistor e indutor ajuste circuito

OE

-

Objeto sob ensaio

DT

-

Divisor de tensão

TC

-

Transformador de corrente

OSC




Osciloscópio para registro das formas de onda

Figura 1 – Diagrama do circuito de ensaio de tensão residual

2.2.2 – Ensaio de tensões disruptivas

A tensão disruptiva de um pára-raios consiste no valor de crista da tensão de ensaio, que aplicada aos terminais de um pára-raios causa disrupção do mesmo.

A tensão disruptiva está relacionada com a freqüência industrial e impulso atmosférico, sendo aplicada somente a pára-raios constituídos por centelhadores série.

2.2.2.1 Tensão disruptiva de freqüência industrial

Este ensaio tem por objetivo determinar a tensão disruptiva do pára-raios quando submetido à tensão de freqüência industrial.

O ensaio foi realizado aplicando-se nos pára-raios sob ensaio uma tensão de freqüência industrial que foi elevada uniformemente, desde um valor suficientemente baixo até à ocorrência da disrupção do pára-raios. A tensão foi aplicada dez vezes, com intervalos entre aplicações sucessivas não inferiores a 10 s. Os valores de tensão disruptiva de freqüência industrial correspondem a média dos 10 valores obtidos para cada aplicação. Para todas as aplicações o valor eficaz da tensão que provoca a disrupção do pára-raios deverá ser superior a 1,5 vezes a sua tensão nominal. Após todas as aplicações foram registradas as formas de onda da tensão.

O diagrama do circuito de ensaio é apresentado na Figura 2.





Onde:

TP

-

Transformador de potencial

SDTD

-

Sistema de detecção de tensão disruptiva

CP

-

Circuito de proteção

OE

-

Objeto sob ensaio

DT

-

Divisor de tensão para medição da tensão disruptiva

OSC

-

Osciloscópio

Figura 2 – Diagrama do circuito de ensaio de tensão disruptiva de freqüência industrial

2.2.2.1 Tensão disruptiva de impulso atmosférico normalizado

Este ensaio tem por objetivo verificar o comportamento do pára-raios, quando submetidos a impulso atmosféricos.

O ensaio foi realizado aplicando-se nos pára-raios sob ensaio duas séries de 5 aplicações de tensão de impulso atmosférico com forma de onda normalizada (1,2/50 s) e amplitude (conforme tabela 1 da NBR 5287/88 [1]), sendo uma série com polaridade positiva e outra com polaridade negativa. Após todas as aplicações foram registradas as formas de onda da tensão.

O diagrama do circuito de ensaio é apresentado na Figura 3.






Onde:

Gerador de impulso de tensão 4,0 MV

Cs , Cf 

-

Capacitância para ajuste

Rp, Rs

-

Resistência para ajuste da forma de onda

OE

-

Objeto sob ensaio

Divisor

-

Divisor de tensão

OSC

-

Osciloscópio

Figura 3 – Diagrama do circuito do ensaio de tensão disruptiva de impulso atmosférico normalizado



2.2.3 – Ensaio de Corrente de fuga

Este ensaio tem por objetivo medir o valor de crista da corrente de fuga total de pára-raios quando este é submetido a tensão de ensaio, visando detectar sua possível deterioração em serviço.

O ensaio foi realizado aplicando-se nos pára-raios sob ensaio uma tensão que foi elevada desde um valor suficiente baixo, até atingir a tensão de ensaio. O valor de crista da corrente de fuga deve ser medido pela queda de tensão no derivador resistivo shunt que deve estar em série com o pára-raios. Esta queda de tensão e a tensão aplicada devem ser lidas em um osciloscópio. Após todas as aplicações foram registradas as formas de onda da tensão e corrente.

Os valores de tensão definidos pela CPFL estão apresentados na tabela 2 e o diagrama do circuito de ensaio é apresentado na Figura 4.


TABELA 2


Tensão aplicada para o ensaio de corrente de fuga


Tensão nominal do pára-raios

Tensão aplicada no ensaio

30,0

20,0

60,0

39,84

120,0

80,0

138,0

80,0






Onde:

Gerador de impulso de tensão 4,0 MV

V0

-

Tensão de carga

OE

-

Objeto sob ensaio

DT

-

Divisor de tensão

Rsh

-

Derivador

Osc

-

Osciloscópio

Figura 4 – Diagrama do circuito do ensaio de corrente de fuga


2.2.4 – Ensaio de tensões de radiointerferência e de ionização interna

Ester ensaio tem por objetivo a medição da tensão de radiointerferência e do nível de ionização interna do pára-raios.

Antes de iniciar o ensaio, eleva-se a tensão acima da tensão de ensaio mantendo-se assim durante alguns minutos, para se obter medições mais estáveis e tentar eliminar qualquer ruído indesejável. Em seguida o ensaio consiste em se medir os níveis da tensão de radiointerferência e ionização interna nos valores de tensão desde zero até 1,05 vezes a máxima tensão de operação continua do pára-raios e da sua tensão nominal. Fazem-se normalmente 2 a 3 ciclos de leitura nas tensões especificadas (duas a três subidas e descidas de tensão).

Em cada nível de tensão registra-se no medidor o maior desvio do ponteiro durante um intervalo de leitura da ordem de 15 segundos. Conforme a norma NBR 5287/88 [1] as medições foram realizadas em 500 kHz referidas a 300  e os valores aceitáveis para a tensão de radiointerferência e ionização interna, são apresentados na Tabela 9 da Norma NBR 5287/88 [1].

Como não foi utilizada a blindagem externa durante o ensaio e nenhum valor medido ultrapassou o valor máximo especificado para o ensaio de ionização interna, os ensaios foram então considerados realizados simultaneamente, conforme descrito na Norma NBR 5309/91 [2].

O diagrama do circuito de ensaio é apresentado na Figura 5.






Onde:

fm = 500kHz

Zm=300 W impedância equivalente



Z, Zi

-

Impedâncias para ajuste

Vm

-

Tensão terminais - impedância

Vi

-

Tensão terminais - instrumento

Ca,




Capacitor para ajuste

R1 R2

-

Resistores para ajuste

F

-

Filtro para altas freqüências

OE

-

Objeto sob ensaio

DT

-

Divisor de tensão

1

-

Fonte alimentação 6,9/350 kV

2

V


-

-


Medidor intensidade de campo

Voltímetro



Figura 5 – Diagrama do circuito do ensaio de tensões de radiointerferência e de ionização interna





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