Falhas em transformador a seco – disjuntor queimado, como saber?

21 de agosto de 2017 - 8 minutes read

Prof Paulo Fernandes Costa – Senior Engenharia

 

Em geral o chaveamento de equipamentos de média tensão é feito na atualidade por meio de disjuntores a vácuo e a SF6, que substituíram com vantagens os disjuntores a pequeno volume de óleo.

Ocorre que os disjuntores a vácuo e a SF6 podem gerar transitórios rápidos (Fast Transients) durante sua operação. Os transitórios podem ser gerados por ignições da corrente nos contatos do disjuntor tanto no fechamento (pré-ignições) quanto na abertura, (ré-ignições).

A figura abaixo mostra a forma de onda de tal transitório.

Os transitórios rápidos possuem taxa de crescimento da ordem de 0.1 a 2 microssegundos, que podem gerar picos de tensão (spikes) de até 6 p.u. Cada fechamento e abertura dos contatos do disjuntor pode gerar até 30 destes spikes, que viajam na direção do equipamento, atingindo seus terminais. Os equipamentos com isolação sólida que possuem enrolamentos (transformadores, motores e geradores) são os mais afetados por transitórios rápidos. Os motores e geradores são mais críticos ainda, pois não possuem a mesma tensão suportável de impulso (TSI) que os equipamentos isolados a ar e a óleo possuem. A suportabilidade de maquinas elétricas rotativas a surtos rápidos pode ser vista na figura abaixo, onde o envoltório 0-V1– V2 -V3 define a suportabilidade (valor de pico suportável), em função do tempo de crescimento da onda até este pico (front, em μS ).

Pode ser observado que quanto maior é o tempo de crescimento da onda de surto até o pico (front ms), menor é a tolerância da máquina elétrica rotativa. Por exemplo, um transformador a óleo de 7.2 kV possui TSI de 60 kV. A onda de descargas atmosféricas padrão possui um front (tempo para alcançar o valor de pico, que corresponde ao valor do TSI, 60 kV no caso do transformador), de 1,2ms. Da figura deduz-se que as maquinas rotativas de 7.2 kV para ondas com front de 1,2ms suportam apenas 14,7 kV (resultado do produto 2,5x 7.2x √2/√3 ).

Este cálculo mostra claramente a necessidade de proteger as maquinas rotativas de uma forma especial para surtos rápidos.

Devido á elevada taxa de crescimento da onda de tensão e á indutância do enrolamento, existe uma concentração da tensão originada pelo transitório nas primeiras espiras, cuja isolação começa a degradar.  Se o fenômeno que provoca o transitório rápido existe (como por exemplo, chaveamento por meio de disjuntor a vácuo ou SF6), após algum tempo a isolação falha, resultando em curto circuito entre espiras ou destas para terra. Devido ao processo lento da degradação, a falha pode ocorrer em regime normal de operação, dificultando a identificação de sua origem.

Observa-se que existem outras fontes de transitórios rápidos no sistema elétrico como, por exemplo, as descargas atmosféricas, principalmente as descargas subsequentes.

Apesar de que os transitórios rápidos podem afetar todos os tipos de equipamentos de média tensão, os equipamentos com isolação sólida, como os transformadores secos, geradores e motores, são mais susceptíveis aos mesmos. A literatura registra atualmente um crescente número destes equipamentos danificados (especialmente o número de queimas de transformadores secos), de diversos fabricantes e tecnologias, quando não estão devidamente protegidos.

Tendo e vista que a falha de um equipamento com isolação sólida pode causar severos transtornos tais como custos decorrentes da paralização do processo produtivo ou parte dele, custos adicionais de transporte para reparos em fábrica (ida e retorno), custos de reparos propriamente ditos, custos de reinstalação, e outros, verifica-se que é recomendável aplicar proteção adicional contra os transitórios rápidos.

É sabido que somente os para-raios não são suficientes para proteger os equipamentos com isolação seca contra os transitórios rápidos da ordem de fração de microssegundos, exigindo uma proteção complementar. Isto se deve ao fato de que estes podem falhar com valores de tensão menores do que os normatizados, quando se trata de transitórios rápidos.

A forma mais simples de proteger as maquina rotativas contra surtos rápidos, consiste em aplicar capacitores de surtos em paralelo com para-raios nos terminais da maquina.  Os capacitores de surtos gastam certo tempo para carregar, e por isto diminuem a taxa de crescimento da onda aumentando a suportabilidade da máquina. Em seguida os para raios limitam o valor de pico do surto a um valor adequado.

A melhor forma de proteção para equipamentos com isolação seca, consiste na aplicação do equipamento constituído por um resistor especial, em série com um capacitor também especial (capacitor de surto), configuração esta denominada “SNUBBER”, que deve ser aplicada junto aos terminais do equipamento, em paralelo com os para-raios. O capacitor diminui a taxa de crescimento da onda incidente, e o resistor reduz drasticamente o valor da tensão refletida que é aplicada aos enrolamentos do transformador ou maquina elétrica rotativa.

A figura abaixo mostra a conexão destes três componentes, montados próximo a um transformador que pode ser também um motor ou gerador.

Com a redução da taxa de crescimento da onda incidente provocada pelo capacitor, e a redução da onda de reflexão pelo resistor, os para-raios executam de forma correta a limitação do valor de tensão aplicada aos enrolamentos dos equipamentos com isolação sólida. O equipamento evita ainda o aparecimento de ressonância no meio do enrolamento de transformadores secos, ao modificar os parâmetros do sistema elétrico. Uma falha comum de transformadores secos por transitórios rápidos ocorre próximo aos tapes de derivação dos mesmos, devido à ressonância Interna.

A instalação, conexão e determinação dos parâmetros do SNUBBER são críticos, exigindo conhecimento e experiência na sua aplicação.

A SENIOR possui o modelo de “SNUBBER”, associado a para-raios, denominado FTT

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