O procedimento para escolher as tensões suportáveis normalizadas

Recomenda-se que as tensões suportáveis escolhidas sejam associadas à tensão máxima dos equipamentos. Esta associação é destinada somente a fins de coordenação do isolamento.

isolamento2Da Redação –

Pode-se dizer que a configuração da isolação é a configuração geométrica completa da isolação em serviço, consistindo na isolação e em todos os terminais, e incluindo todos os elementos (isolantes e condutores) que influenciam seu comportamento dielétrico. São identificados quatro tipos de configurações da isolação, tendo as seguintes definições: trifásica: uma configuração de isolação tendo três terminais de fase, um terminal de neutro e um terminal de terra; fase-terra (f-t): uma configuração de isolação trifásica onde dois terminais de fase são desconsiderados e, exceto em casos particulares, o terminal de neutro é aterrado; e fase-fase (f-f): uma configuração de isolação trifásica onde um terminal de fase é desconsiderado.

Em casos particulares, o terminal de neutro e o terminal de terra são também desconsiderados. A longitudinal (l-l) é uma configuração de isolação tendo dois terminais de fase e um terminal de terra. Os terminais de fase pertencem à mesma fase de um sistema trifásico, temporariamente separada em duas partes energizadas independentemente (dispositivos de chaveamento abertos).

Os quatro terminais que pertencem às outras duas fases são desconsiderados ou aterrados. Em casos particulares, um dos dois terminais de fase considerados é aterrado.

A coordenação do isolamento é a seleção da suportabilidade dielétrica dos equipamentos em função das tensões que podem ocorrer no sistema ao qual estes equipamentos serão conectados, levando em conta as condições em que serão operados e as características dos dispositivos de proteção disponíveis. A suportabilidade dielétrica dos equipamentos é entendida aqui como o nível de isolamento nominal ou o nível de isolamento normalizado.

O critério de desempenho é a base sobre a qual o isolamento é selecionado de forma a reduzir, a um nível econômico e operacionalmente aceitável, a probabilidade de que as solicitações de tensão resultantes impostas ao equipamento causem prejuízo a sua isolação ou afetem a continuidade do serviço, usualmente expresso por uma taxa de falha aceitável da configuração da isolação (número de falhas por ano, anos entre falhas, risco de falha, etc.)

O dispositivo limitador de sobretensão limita o valor de crista da sobretensão ou sua duração ou ambas, classificado como dispositivo de prevenção (por exemplo, um resistor de pré-inserção) ou como dispositivo de proteção (por exemplo, um para-raios). O ensaio normalizado de tensão suportável é o ensaio dielétrico realizado em condições especificadas para garantir que a isolação atenda a uma tensão suportável nominal normalizada. Pode incluir os ensaios de tensão de frequência fundamental de curta duração; os ensaios de impulso de manobra; ensaios de impulso atmosférico; os ensaios de impulso de manobra combinado; e os ensaios de tensão combinada.

Já o impulso de manobra combinado normalizado é para a isolação fase-fase, tensão de impulso combinado com duas componentes de igual valor de crista que ocorrem no mesmo instante e de polaridade oposta. O valor de crista da tensão combinada é definido, portanto, pela soma dos valores de crista das componentes. A componente de polaridade positiva é definida como o impulso de manobra normalizado e a componente de polaridade negativa é definida como um impulso de manobra cujos tempos até a crista e até o meio valor podem ser menores do que aqueles do impulso de polaridade positiva.

A valor de tensão de ensaio é o a ser aplicado sob condições especificadas em um ensaio de tensão suportável, durante o qual um número especificado de descargas disruptivas é tolerado. A tensão suportável é designada como: tensão suportável assumida convencional, quando o número de descargas disruptivas tolerado é zero.

Seu significado corresponde a uma probabilidade de suportar Pw = 100 % e a tensão suportável estatística envolve quando o número de descargas disruptivas tolerado é relacionado a uma probabilidade de suportar especificada. Normalmente, a norma descreve a probabilidade especificada de Pw = 90%.

A NBR 6939 de 10/2018 – Coordenação do isolamento – Procedimento se aplica aos sistemas elétricos de corrente alternada, trifásicos, nos quais a tensão máxima dos equipamentos é superior a 1 kV. Especifica o procedimento para escolher as tensões suportáveis normalizadas para isolação fase-terra, isolação fase-fase e isolação longitudinal dos equipamentos e instalações utilizados nestes sistemas. Apresenta, também, listas de valores normalizados entre os quais as tensões suportáveis nominais devem ser escolhidas.

Esta norma recomenda que as tensões suportáveis escolhidas sejam associadas à tensão máxima dos equipamentos. Esta associação é destinada somente a fins de coordenação do isolamento. As prescrições referentes às regras de segurança para o ser humano não são cobertas por esta norma. Os princípios utilizados nesta norma se aplicam também às isolações das linhas de transmissão, porém os valores das suas tensões suportáveis podem ser diferentes das tensões suportáveis nominais normalizadas.

Todas as regras de coordenação do isolamento apresentadas nesta Norma são justificadas, em detalhes, na NBR 8186, em particular, no que concerne à associação das tensões suportáveis nominais normalizadas com a tensão máxima dos equipamentos. Quando mais de um conjunto de tensões suportáveis nominais normalizadas é associado a uma mesma tensão máxima dos equipamentos, é dada uma indicação para a seleção do conjunto mais apropriado.

O procedimento para coordenação do isolamento consiste na seleção da tensão máxima do equipamento e no correspondente conjunto de tensões suportáveis nominais normalizadas que caracterizam a isolação do equipamento necessário para aplicação. Este procedimento é delineado na figura abaixo e suas etapas são descritas em 5.1 a 5.5. A otimização do conjunto selecionado de Uw pode requerer reconsideração de alguns dados de entrada e a repetição de parte do procedimento.

As tensões suportáveis nominais devem ser selecionadas das listas de tensões apresentadas em 5.6 e 5.7. O conjunto de tensões normalizadas selecionado constitui o nível de isolamento nominal. Se as tensões suportáveis nominais normalizadas forem também associadas à mesma tensão Um, de acordo com 5.10, este conjunto constitui o nível de isolamento normalizado.

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As tensões e as sobretensões que solicitam a isolação devem ser determinadas em amplitude, forma e duração por meio de uma análise do sistema que inclui a seleção e a localização dos dispositivos de limitação e proteção contra sobretensão. Para cada classe de tensão e sobretensão, esta análise deve então determinar as tensões e as sobretensões representativas, levando em consideração as características da isolação com respeito aos diferentes comportamentos para as formas de onda das tensões ou sobretensões no sistema e para as formas de onda normalizadas das tensões aplicadas no ensaio de tensão suportável normalizada, como descrito na tabela abaixo.

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As tensões e sobretensões representativas podem ser caracterizadas por: um valor máximo assumido, ou um conjunto de valores de crista, ou uma distribuição estatística completa de valores de crista. No último caso, pode ser necessário considerar características adicionais das formas de onda da sobretensão.

Quando a adoção de um valor máximo assumido for considerado adequado, a sobretensão representativa das várias classes deve ser: para tensão contínua de frequência fundamental: uma tensão de frequência fundamental com valor eficaz igual à tensão máxima do sistema e com duração correspondente à vida útil do equipamento; para sobretensão temporária: uma tensão de frequência fundamental normalizada, de curta duração, com um valor eficaz igual ao valor máximo assumido das sobretensões temporárias, dividido pela raiz quadrada de dois; para sobretensão de frente lenta: um impulso de manobra normalizado com valor de crista igual ao valor de crista máximo assumido das sobretensões de frente lenta; para sobretensão de frente rápida: um impulso atmosférico normalizado com valor de crista igual ao valor de crista máximo assumido das sobretensões de frente rápida fase-terra.

Para GIS ou GIL com as três fases encapsuladas e níveis de isolamento escolhidos entre os menores valores para uma dada Um, as sobretensões fase-fase podem ser consideradas. Para sobretensão de frente muito rápida: as características para esta classe de sobretensão são especificadas pelas normas dos respectivos equipamentos; para sobretensão fase-fase de frente lenta: um impulso de manobra combinado normalizado, com valor de crista igual ao valor de crista máximo assumido das sobretensões fase-fase de frente lenta; para sobretensão longitudinal de frente lenta (ou frente rápida): uma tensão combinada, consistindo em um impulso de manobra (ou atmosférico) normalizado e em uma tensão de frequência fundamental, cada uma com valor de crista igual aos respectivos valores de crista máximos assumidos, e com o instante do valor de crista do impulso coincidindo com o da crista da tensão de frequência fundamental de polaridade oposta.

A determinação das tensões suportáveis de coordenação consiste em estabelecer os valores mínimos das tensões suportáveis da isolação que atendem ao critério de desempenho, quando a isolação é sujeita às sobretensões representativas sob condições de serviço. As tensões suportáveis de coordenação da isolação têm a forma das sobretensões representativas da respectiva classe, e seus valores são obtidos pela multiplicação dos valores das sobretensões representativas por um fator de coordenação.

O valor do fator de coordenação depende da exatidão na obtenção das sobretensões representativas e de uma avaliação empírica, ou estatística, da distribuição das sobretensões e das características da isolação. As tensões suportáveis de coordenação podem ser determinadas como tensões suportáveis assumidas convencionais ou tensões suportáveis estatísticas. Isto afeta o procedimento de determinação e os valores do fator de coordenação.

As simulações das sobretensões em combinação com a avaliação simultânea do risco de falha, usando as características da isolação pertinentes, permitem a determinação direta das tensões suportáveis de coordenação estatísticas sem o passo intermediário de determinação das sobretensões representativas. A determinação das tensões suportáveis especificadas da isolação consiste em converter as tensões suportáveis de coordenação às condições de ensaio normalizadas apropriadas.

Isto é obtido pela multiplicação das tensões suportáveis de coordenação por fatores que compensem as diferenças entre as condições reais de serviço da isolação e aquelas dos ensaios normalizados de tensão suportável. Os fatores a serem aplicados devem compensar as condições atmosféricas, por meio do fator de correção atmosférico Kt, e os efeitos listados abaixo por meio de um fator de segurança Ks; diferenças na montagem do equipamento; dispersão da qualidade do produto; qualidade da instalação; envelhecimento da isolação durante a vida útil prevista; outras influências desconhecidas.

Se, entretanto, estes efeitos não puderem ser avaliados individualmente, um fator de segurança geral, derivado da experiência, deve ser adotado (ver NBR 8186). O fator de correção atmosférico Kt é aplicável somente à isolação externa, levando em conta as diferenças entre as condições atmosféricas normalizadas de referência e aquelas esperadas em serviço. Para a correção da altitude, o fator Ka, que considera somente a pressão atmosférica média correspondente à altitude, deve ser aplicado, qualquer que seja a altitude.

A seleção do nível de isolamento nominal consiste na seleção do conjunto mais econômico de tensões suportáveis nominais normalizadas (Uw) da isolação suficientes para garantir que todas as tensões suportáveis especificadas sejam atendidas. A tensão máxima do equipamento é escolhida como o próximo valor normalizado Um igual ou maior que a tensão máxima do sistema onde o equipamento será instalado.

Para equipamentos a serem instalados sob condições ambientais normais, relativas à isolação, Um deve ser no mínimo igual a Us. Para equipamentos a serem instalados fora das condições ambientais normais, relativas à isolação, Um pode ser escolhido maior do que o próximo valor normalizado de Um, igual ou maior que Us, de acordo com as necessidades especiais envolvidas.

Como exemplo, a seleção de um valor de Um maior do que o próximo valor normalizado de Um, igual ou maior que Us, pode ocorrer quando o equipamento for instalado em uma altitude maior que 1 000 m para compensar o decréscimo da tensão suportável da isolação externa. A normalização dos ensaios, bem como a seleção das respectivas tensões de ensaio, para garantir a conformidade com Um, é realizada pelas respectivas normas de equipamentos (por exemplo, ensaios de poluição ou ensaios de tensão de início de descargas parciais).

As tensões suportáveis a serem utilizadas nos ensaios para garantir que as tensões suportáveis especificadas temporárias, de frente lenta ou de frente rápida, sejam atendidas para isolação fase-terra, fase-fase e longitudinal, podem ser selecionadas com a mesma forma de onda que a tensão suportável especificada, ou com uma forma de onda diferente, explorando, para o caso desta última, as características intrínsecas da isolação.

O valor da tensão suportável nominal é então selecionado da lista de tensões suportáveis nominais normalizadas relacionadas em 5.6 e 5.7, como o valor mais próximo, igual ou maior que: a tensão suportável especificada, no caso da mesma forma de onda; a tensão suportável especificada, multiplicada pelo fator de conversão do ensaio pertinente, no caso de forma de onda diferente. Isto pode permitir a adoção de uma única tensão suportável nominal normalizada, para garantir o atendimento a mais de uma tensão suportável especificada, dando assim a possibilidade de reduzir o número de tensões suportáveis nominais normalizadas que poderiam definir um nível de isolamento normalizado (ver 5.10).

Para equipamentos a serem usados em condições ambientais normais, o nível de isolamento nominal deve ser preferencialmente selecionado, correspondentes à tensão máxima aplicável ao equipamento, tal que as tensões suportáveis nominais sejam atendidas. A seleção da tensão suportável nominal normalizada para garantir o atendimento à tensão suportável de frente muito rápida especificada deve ser considerada pelas respectivas normas de equipamentos.

As tensões máximas do equipamento normalizadas são divididas em duas faixas: faixa 1: acima de 1 kV até 245 kV, inclusive. Esta faixa cobre tanto sistemas de transmissão como de distribuição. Os diferentes aspectos operacionais, entretanto, devem ser levados em consideração na seleção do nível de isolamento nominal do equipamento; e faixa 2: acima de 245 kV. Esta faixa cobre principalmente sistemas de transmissão.

As condições ambientais normais relativas à coordenação do isolamento e para as quais as tensões suportáveis são normalmente selecionadas e são as seguintes: a temperatura do ar ambiente não excede 40 °C e seu valor médio, medido ao longo de um período de 24 h, não excede 35 °C. A temperatura mínima do ar ambiente é função da temperatura para a qual o equipamento foi especificado.

A altitude não excede 1.000 m acima do nível do mar e o ar ambiente não é significativamente poluído por poeira, fumaça, gases corrosivos, vapores ou sal. A poluição não pode exceder o nível leve, de acordo com a NBR 8186:2011, Tabela F.1. A presença de condensação ou precipitação é normal. É considerada precipitação na forma de orvalho, a condensação, névoa, chuva, neve, gelo ou geada.

As características da precipitação para o isolamento são descritas na NBR IEC 60060-1. Para outras finalidades, as características da precipitação são descritas na IEC 60721-2-2. As condições atmosféricas de referência normalizadas para as quais são aplicadas as tensões suportáveis normalizadas são: temperatura: t0 = 20 °C; pressão: b0 = 101,3 kPa (1 013 mbar); umidade absoluta: h0 = 11 g/m³.

A associação das tensões suportáveis nominais normalizadas com a tensão máxima do equipamento tem sido normalizada para se beneficiar da experiência obtida com a operação dos sistemas projetados, de acordo com as normas brasileiras aplicáveis e para melhorar a normalização. Os ensaios normalizados de tensão suportável são executados para demonstrar, com confiança adequada, que a tensão suportável real da isolação não é menor do que a tensão suportável especificada correspondente.

As tensões aplicadas nos ensaios normalizados de tensão suportável são tensões suportáveis nominais normalizadas, a menos que especificado diferentemente pelas respectivas normas de equipamentos. Em geral, ensaios de tensão suportável consistem em ensaios a seco, executados em uma condição-padrão (com o arranjo do ensaio especificado pelas respectivas normas de equipamentos e sob condições atmosféricas normalizadas de referência).

Para isolação externa não protegida das intempéries, entretanto, os ensaios normalizados de tensão suportável de frequência fundamental de curta duração e de impulso de manobra consistem em ensaios sob chuva executados sob as condições especificadas na NBR IEC 60060-1. Durante os ensaios sob chuva, esta será aplicada simultaneamente ao ar e à superfície da isolação sob tensão.

Se as condições atmosféricas no laboratório de ensaio diferirem das condições normalizadas, as tensões de ensaio devem ser corrigidas de acordo com a NBR IEC 60060-1. Todas as tensões suportáveis de impulso devem ser verificadas para ambas as polaridades, a menos que as respectivas normas de equipamentos especifiquem uma polaridade apenas.

Quando for demonstrado que uma condição (a seco ou sob chuva) ou uma polaridade ou a combinação destas produz a menor tensão suportável, então é suficiente verificar a tensão suportável para esta condição particular. As falhas na isolação que ocorrerem durante o ensaio são a base para a aceitação ou rejeição da amostra sob ensaio. As respectivas normas dos equipamentos e dos ensaios elétricos definem a ocorrência de uma falha e o método para detectá-la.

Quando a tensão suportável nominal normalizada das isolações fase-fase ou longitudinal for igual à da isolação fase-terra, é recomendado que ensaios das isolações fase-fase ou longitudinal e ensaios da isolação fase-terra sejam executados simultaneamente, pela conexão de um dos dois terminais de fase para a terra. O ensaio normalizado de tensão suportável de frequência fundamental de curta duração consiste em uma aplicação da respectiva tensão suportável nominal normalizada nos terminais da configuração da isolação.

A menos que especificado de outra forma pelas respectivas normas de equipamentos, a isolação é considerada aprovada no ensaio se não ocorrerem descargas disruptivas. Entretanto, se uma descarga disruptiva ocorrer na isolação autorrecuperante durante um ensaio sob chuva, o ensaio pode ser repetido mais uma vez e o equipamento será considerado aprovado no ensaio se não ocorrer qualquer outra descarga disruptiva.

Quando o ensaio não puder ser executado (como no caso de transformadores com isolação não uniforme), as respectivas normas destes equipamentos podem especificar frequências de até algumas centenas de hertz e durações menores do que 1 min. A menos que justificado de outra maneira, as tensões de ensaio devem ser as mesmas.

O ensaio normalizado de tensão suportável de impulso consiste em um número especificado de aplicações da respectiva tensão suportável nominal normalizada nos terminais da configuração da isolação. Diferentes procedimentos de ensaio podem ser selecionados para demonstrar que as tensões suportáveis são atendidas com um grau de confiança que a experiência demonstrou ser aceitável.

O procedimento de ensaio deve ser selecionado pelas normas de equipamentos entre os seguintes procedimentos de ensaio que são normalizados e totalmente descritos na NBR IEC 60060-1: ensaio de tensão suportável de três impulsos, no qual nenhuma descarga disruptiva é tolerada; ensaio de tensão suportável de 15 impulsos, no qual são toleradas até duas descargas disruptivas sobre a isolação autorrecuperante; ensaio de tensão suportável de três impulsos, no qual é tolerada uma descarga disruptiva sobre a isolação autorrecuperante.

Se isso ocorrer, nove impulsos adicionais devem ser aplicados, durante os quais nenhuma descarga disruptiva é tolerada. O ensaio de tensão suportável pelo método de acréscimos e decréscimos com sete impulsos por nível, no qual são toleradas descargas disruptivas sobre a isolação autorrecuperante e o ensaio de tensão suportável pelo método de acréscimos e decréscimos com um impulso por nível, que é recomendado somente se o desvio-padrão (referido a U50), estabelecido na NBR IEC 60060-1, for conhecido.

Os valores sugeridos por esta norma, s = 6 % para impulsos de manobra e s = 3 % para impulsos atmosféricos, devem ser utilizados se, e somente se, for conhecido que s ≤ 6 % e s ≤ 3 %, respectivamente. De outra forma, outros métodos devem ser utilizados. Em todos os procedimentos de ensaio descritos anteriormente, nenhuma descarga disruptiva é tolerada na isolação não autorrecuperante.

No caso do ensaio de tensão suportável de 15 impulsos aplicado em equipamentos onde estão envolvidas tanto a isolação autorrecuperante quanto a não autorrecuperante, o procedimento do ensaio de tensão suportável de 15 impulsos da NBR IEC 60060-1 é adaptado e usado para verificar que não ocorrem descargas disruptivas na isolação não autorrecuperante.

O procedimento adaptado é o seguinte para cada polaridade: o número de impulsos é de no mínimo 15; nenhuma descarga disruptiva na isolação não autorrecuperante deve ocorrer; isto é confirmado pela suportabilidade à aplicação de cinco impulsos consecutivos após a última descarga disruptiva; e o número de descargas disruptivas não pode exceder dois.



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