Sobretensão em redes elétricas

A sobretensão é uma tensão que excede a amplitude da tensão operacional mais alta (Unom) no isolamento dos elementos da rede elétrica. Dependendo do local de aplicação, distinguem-se as sobretensões de fase, interfase, enrolamentos internos e sobretensão entre contatos. Estes últimos ocorrem quando a tensão é aplicada entre contatos abertos das mesmas fases dos dispositivos de comutação (interruptores, seccionadores).

As seguintes características de sobretensão são distinguidas:

• valor máximo Umax ou multiplicidade K = Umax / Unom;

• duração da exposição;

• forma curva;

• a largura do escopo dos elementos da rede.

Essas características estão sujeitas a dispersão estatística porque dependem de muitos fatores.

Ao estudar a viabilidade de medidas de proteção contra surtos e a escolha do isolamento, é necessário levar em consideração as características estatísticas de danos (expectativa matemática e desvio) devido a paradas e reparos de emergência de equipamentos do sistema de energia, bem como devido a falhas de equipamentos , rejeição do produto e interrupção do processo tecnológico entre os consumidores de eletricidade.

Os principais tipos de sobretensão em redes de alta tensão são mostrados na Figura 1.

Arroz. 1. Os principais tipos de sobretensão em redes de alta tensão

Sobretensão interna causada por flutuações na energia eletromagnética armazenada nos elementos do circuito elétrico ou fornecida a ele por geradores. Dependendo das condições de ocorrência e da possível duração da exposição ao isolamento, distinguem-se as sobretensões estacionárias, quase estacionárias e de comutação.

Sobretensões de comutação - ocorrem durante mudanças repentinas nos parâmetros do circuito ou da rede (comutações planejadas e de emergência de linhas, transformadores, etc.), bem como como resultado de faltas à terra e entre fases. Quando os elementos da rede elétrica (condutores de linha ou enrolamentos de transformadores e reatores) são ligados ou desligados (interrupção da transmissão de energia), ocorrem transientes oscilatórios, que podem levar a sobretensões significativas. Quando ocorre corona, as perdas têm um efeito de amortecimento nos primeiros picos dessas sobretensões.

A interrupção de correntes capacitivas de circuitos elétricos pode ser acompanhada por arcos repetidos no disjuntor e repetidos transientes e sobretensões e disparo de pequenas correntes indutivas em marcha lenta dos transformadores - interrupção forçada do arco no disjuntor e transição oscilatória da energia do campo magnético do transformador na energia do campo elétrico de suas potências paralelas. Com falhas de aterramento de arco em uma rede com um neutro isolado também são observados vários ataques de arco e a ocorrência de surtos de arco correspondentes.

A principal razão para a ocorrência de sobretensões quase estacionárias é o efeito capacitivo causado, por exemplo, por uma linha de transmissão de terminação simples alimentada por geradores.

Modos de linha assimétricos que ocorrem, por exemplo, quando uma fase está em curto com o terra, uma quebra de fio, uma ou duas fases do disjuntor, podem fazer com que a tensão de frequência fundamental aumente ainda mais ou causar sobretensões em alguns harmônicos mais altos - múltiplos da frequência do EMF … gerador.

Qualquer elemento do sistema com características não lineares, por exemplo, um transformador com núcleo magnético saturado, também pode ser fonte de harmônicos maiores ou menores e correspondentes sobretensões ferrorressonantes. Se houver uma fonte de energia mecânica que altere periodicamente o parâmetro do circuito (indutância do gerador) em sincronia com a frequência natural do circuito elétrico, pode ocorrer ressonância paramétrica.

Em alguns casos, também é necessário levar em consideração a possibilidade de ocorrência de sobretensões internas com multiplicidade aumentada quando várias comutações ou outros fatores desfavoráveis ​​são impostos.

Para limitar as sobretensões de comutação em redes 330-750 kV, onde o custo do isolamento se revela particularmente significativo, potentes restritores de válvula ou reatores. Em redes com classes de tensão mais baixas, os pára-raios não são usados ​​para limitar as sobretensões internas, e as características dos pára-raios são escolhidas para que não disparem sob sobretensões internas.

Os surtos de raios referem-se a surtos externos e ocorrem quando expostos a fems externas. As maiores descargas atmosféricas ocorrem quando um raio direto ocorre na linha e na subestação. Devido à indução eletromagnética, um raio próximo cria um surto induzido, que geralmente resulta em um aumento adicional na tensão de isolamento. Atingindo uma subestação ou máquina elétrica, espalhando-se do ponto de derrota ondas eletromagnéticas, podem causar sobretensões perigosas em seus isolamentos.

Para garantir uma operação confiável da rede, é necessário implementar sua proteção contra raios eficaz e econômica. A proteção contra raios diretos é realizada com a ajuda de um pára-raios vertical alto e cabos de proteção contra raios acima dos condutores de linhas aéreas acima de 110 kV.

A proteção contra surtos provenientes da linha é realizada por pára-raios de válvulas e tubos de subestações com proteção contra raios aprimorada nas aproximações de subestações em linhas de todas as classes de tensão.É necessário fornecer proteção contra raios especialmente confiável de máquinas rotativas com a ajuda de pára-raios especiais, capacitores, reatores, inserções de cabos e melhor proteção contra raios para a abordagem da linha aérea.

A utilização do aterramento da parte neutra da rede por meio de bobina de supressão de arco, religamento automático e encurtamento das linhas, prevenção cuidadosa de isolamento, paradas e aterramento aumentam muito a confiabilidade das linhas.

Deve-se notar que a rigidez dielétrica do isolamento diminui com o aumento da duração da exposição à tensão. A este respeito, sobretensões internas e externas da mesma amplitude apresentam um perigo diferente para a isolação. Assim, o nível de isolamento não pode ser caracterizado por um único valor de tensão suportável.

Seleção do nível de isolamento necessário, ou seja, a seleção de tensões de teste, a chamada coordenação de isolação, é impossível sem uma análise minuciosa das sobretensões que ocorrem no sistema.

O problema da coordenação do isolamento é um dos principais problemas. Essa situação se deve ao fato de que o uso de uma ou outra tensão nominal é determinado, em última instância, pela relação entre o custo do isolamento e o custo dos elementos condutores do sistema.

O problema de coordenação de isolação inclui como tarefa básica — definir os níveis de isolação do sistema… A coordenação de isolação deve ser baseada nas amplitudes e formas de onda especificadas das sobretensões aplicadas.

Atualmente, a coordenação da isolação no sistema até 220 kV é feita para sobretensões atmosféricas, e acima de 220 kV a coordenação deve ser feita levando em consideração as sobretensões internas.

A essência da coordenação do isolamento em surtos atmosféricos é a coordenação (combinação) das características de impulso do isolamento com as características das válvulas, como o principal dispositivo para limitar os surtos atmosféricos. De acordo com o estudo, a onda padrão da tensão de teste é adotada.

Ao coordenar sobretensões internas, devido à maior variedade de formas de desenvolvimento de sobretensões internas, é impossível focar no uso de um único dispositivo de proteção. A brevidade necessária deve ser fornecida pelo esquema de rede: reatores shunt, uso de interruptores sem re-ignição, uso de centelhadores especiais.

Para sobretensões internas, a normalização das formas de onda de teste de isolamento ainda não foi realizada até recentemente. Muito material já foi acumulado e uma normalização correspondente das ondas de teste provavelmente será realizada em um futuro próximo.