Como especificar a suportabilidade a impulso atmosférico de um transformador de 110 kV

Para especificar a tensão suportável nominal de impulso atmosférico de um transformador de 110 kV, estabeleça a tensão máxima do equipamento, selecione o nível de isolamento por meio da coordenação de isolamento e defina os requisitos para cada terminal. Uma especificação de compra que indique apenas «110 kV, ensaiado contra impulso atmosférico» deixa demasiados aspetos sujeitos a interpretação.

Num projeto baseado nas normas IEC, um sistema nominal de 110 kV corresponde normalmente a uma tensão máxima do equipamento, U_m, de 123 kV. Uma tensão suportável nominal de impulso atmosférico de 550 kV de pico é uma especificação comum para esta tensão do equipamento, mas não deve ser escolhida automaticamente. Os níveis de isolamento aplicáveis, os requisitos da empresa de serviços públicos, a configuração da proteção contra sobretensões e as ligações do transformador devem sustentar essa escolha.

O documento de aquisição deve transformar essa escolha numa obrigação clara: que terminais devem suportar que tensão, em que condições de ensaio e com que evidências de ensaio satisfatório.

Estabeleça a base de tensão antes de escolher o nível de impulso

A designação de 110 kV descreve a tensão nominal do sistema. Não descreve o valor de pico de uma sobretensão atmosférica nem determina diretamente a capacidade do transformador de suportar impulsos.

Mantenha separadas três grandezas:

• Tensão nominal do sistema: tensão usada para identificar a rede.
• Tensão máxima do equipamento, U_m: classe de tensão do equipamento usada na atribuição dos requisitos de isolamento.
• Tensão suportável nominal de impulso atmosférico: tensão de pico de impulso especificada que o isolamento deve suportar nas condições de ensaio definidas.

Esta distinção evita um erro de especificação comum: comparar uma tensão do sistema expressa em valor eficaz (RMS) com uma tensão suportável de impulso expressa em valor de pico. Representam solicitações elétricas diferentes.

Registe a tensão máxima de funcionamento do sistema e o esquema de ligação à terra juntamente com o U_m selecionado. Identifique também se o transformador está ligado a uma linha aérea, a um circuito de cabos ou a um sistema de aparelhagem isolado a gás. Estas interfaces afetam a sobretensão incidente e a configuração da proteção, mesmo quando a tensão nominal permanece inalterada.

Utilize um quadro normativo coerente

Para uma especificação baseada nas normas IEC, a IEC 60076-3 fornece o quadro específico para transformadores relativo aos níveis de isolamento, aos ensaios dielétricos e às distâncias de isolamento externo no ar. A série IEC 60071 aborda a coordenação de isolamento, enquanto a IEC 60060-1 abrange as técnicas gerais de ensaio de alta tensão.

Uma aquisição baseada nas normas IEEE recorre normalmente às normas IEEE C57.12.00 e IEEE C57.12.90 para os requisitos e ensaios aplicáveis a transformadores imersos em líquido. A documentação IEEE utiliza habitualmente o termo nível básico de isolamento contra impulso atmosférico, ou BIL.

A tensão suportável nominal de impulso atmosférico IEC e o BIL IEEE têm finalidades relacionadas, mas a correspondência dos valores numéricos não demonstra que todos os requisitos de ensaio sejam equivalentes. As sequências de ensaio, as disposições relativas a ondas cortadas, as ligações dos terminais e os requisitos de aceitação devem seguir o quadro selecionado.

Indique no contrato as normas aplicáveis e as respetivas edições. Se as especificações da empresa de serviços públicos acrescentarem requisitos, identifique a sua precedência. O fornecedor deve conseguir determinar o programa de ensaios exigido sem ter de escolher entre cláusulas contraditórias.

Coordene o isolamento do transformador com a proteção por para-raios

A classificação de impulso do transformador é uma parte da sua proteção contra sobretensões atmosféricas. A questão prática é saber se, nas condições avaliadas, a tensão que chega aos terminais permanece suficientemente abaixo da capacidade de isolamento suportável.

Por isso, a seleção de para-raios exige mais do que comparar um valor de catálogo do para-raios com a classificação de impulso do transformador. A tensão de proteção do para-raios depende da corrente de descarga e da forma de onda. A tensão que surge no transformador também depende da geometria da instalação e da propagação da sobretensão.

Analise em conjunto os seguintes aspetos:

• A tensão máxima de funcionamento contínuo do para-raios e a sua capacidade para suportar sobretensões temporárias.
• As suas características de proteção para as condições de sobretensão relevantes.
• A distância elétrica entre o para-raios e o terminal do transformador.
• O comprimento e o percurso das ligações de linha e de terra.
• As reflexões nas interfaces entre cabos, linhas aéreas e equipamentos.
• As ligações à terra entre o para-raios e o tanque do transformador.

Cabos de ligação longos ao para-raios podem acrescentar tensão indutiva durante uma sobretensão de subida rápida. A distância entre o para-raios e o transformador também pode alterar a tensão no terminal. Assim, uma margem de proteção aceitável baseada apenas em valores de catálogo pode sobrestimar a proteção proporcionada pela configuração instalada.

Utilize o estudo de coordenação de isolamento para estabelecer a margem necessária segundo o método aplicável ao projeto. Uma percentagem universal não consegue ter em conta todas as configurações, condições de sobretensão e características de isolamento.

Um esquema de coordenação útil mostra o circuito de entrada, a localização do para-raios, o isolador de passagem do transformador, os condutores de ligação e as ligações à terra. A representação destas distâncias facilita a avaliação dos pressupostos de proteção em comparação com uma simples lista de equipamentos.

A altitude também deve ser tratada explicitamente. A redução da densidade do ar afeta o isolamento externo no ar, pelo que poderá ser necessário ajustar os isoladores de passagem e as distâncias de isolamento. Aumentar apenas a classificação de impulso dos enrolamentos não resolve um problema de distâncias de isolamento externas.

Especifique o isolamento por terminal, não apenas por transformador

Um único valor de impulso na folha de dados do transformador pode ocultar diferenças importantes entre os terminais de linha de alta tensão, o terminal de neutro, o enrolamento de baixa tensão e qualquer enrolamento terciário. Utilize uma tabela de isolamento dos terminais para eliminar essa ambiguidade.

O isolamento do neutro merece atenção especial. Um enrolamento concebido com isolamento reduzido no neutro depende de condições de funcionamento definidas. Um neutro solidamente ligado à terra e um neutro que possa ficar isolado não estão necessariamente sujeitos à mesma solicitação de tensão. Especifique as configurações de ligação à terra e as condições de manobra permitidas antes de aceitar o isolamento de neutro proposto.

Para o enrolamento de baixa tensão, considere tanto as sobretensões provenientes da rede a que está ligado como as tensões transferidas através do transformador. A classificação do enrolamento de alta tensão não determina automaticamente a proteção adequada de todos os outros terminais.

As classificações dos isoladores de passagem também devem ser compatíveis com o conjunto. Um isolador de passagem adequado não compensa um isolamento interno insuficiente, e um isolamento adequado dos enrolamentos não compensa distâncias de isolamento externas insuficientes.

Defina o ensaio de impulso para além da tensão de pico

O impulso atmosférico normalizado de onda completa é geralmente descrito como uma forma de onda de 1.2/50 μs: um tempo de frente especificado, seguido de um tempo especificado até metade do valor na cauda. As normas aplicáveis definem a avaliação da forma de onda e as tolerâncias permitidas. Estes detalhes são importantes porque a solicitação do isolamento depende tanto da forma do impulso como do seu valor de pico.

Para um transformador de 110 kV, indique os requisitos aplicáveis ao ensaio de onda completa e especifique se é necessário ensaio com onda cortada. Um impulso cortado provoca uma queda rápida da tensão, que pode impor solicitações internas diferentes. Os ensaios de onda completa e de onda cortada não devem ser considerados evidências intercambiáveis.

O programa de ensaios acordado deve abranger:

• Os terminais ensaiados e os níveis de tensão atribuídos a cada um.
• A polaridade do impulso e a sequência de aplicações prescrita.
• Os requisitos para ondas completas e cortadas, quando aplicáveis.
• As posições do comutador de derivações e o tratamento dos terminais dos outros enrolamentos durante os ensaios.
• As medições de tensão e corrente utilizadas para avaliar a resposta.
• Os critérios de aceitação e o procedimento para investigar registos anormais.

A posição do comutador de derivações afeta a configuração do enrolamento e a distribuição interna da tensão. A especificação deve exigir as configurações aplicáveis previstas na norma e identificar quaisquer requisitos adicionais do projeto antes do fabrico. Deixar esta decisão para o ensaio de fábrica pode gerar divergências quanto a saber se a configuração demonstrada cobre as condições de serviço previstas.

A aceitação exige mais do que declarar que não ocorreu descarga disruptiva externa. A avaliação do ensaio deve incluir as respostas de tensão e corrente registadas e quaisquer indícios de falha do isolamento interno. As diferenças entre traçados exigem interpretação técnica, uma vez que o circuito de ensaio e os eventos externos também podem afetar os registos.

Mantenha separados os requisitos dos transformadores para parques eólicos

Um projeto eólico pode incluir várias classes de tensão para transformadores. Um transformador elevador de turbina que alimenta uma rede coletora de média tensão tem requisitos de isolamento diferentes dos do transformador principal que liga essa rede a uma rede de 110 kV.

Por exemplo, o Transformador para geração de energia eólica da Jinshida Electric está listado com capacidades de 630–5000 kVA, um lado de baixa tensão de 0.69 kV e opções de alta tensão de 10, 20 ou 35 kV. Estas classificações enquadram-no na aplicação em turbinas ou sistemas coletores; não comprovam a capacidade para utilização como transformador de rede de 110 kV.

Ao especificar o transformador principal da rede, identifique a tensão real do sistema coletor, as interfaces de cabos, a configuração de ligação à terra e a proteção desse lado. A referência à IEC 60076 em diferentes produtos não significa que esses produtos tenham a mesma classe de isolamento ou os mesmos requisitos de ensaio de impulso.

Redija uma cláusula que os fornecedores possam cotar e comprovar

Uma especificação útil combina uma tabela de isolamento preenchida com uma obrigação de ensaio definida. A redação seguinte fornece uma estrutura; a tabela do projeto deve indicar os valores efetivos e a atribuição aos terminais:

Exemplo de cláusula de aquisição: «O transformador deve ter a tensão máxima do equipamento e as tensões suportáveis nominais de impulso atmosférico especificadas na tabela de isolamento dos terminais. A conceção dielétrica e os ensaios devem cumprir a edição da IEC 60076-3 indicada no contrato. O fornecedor deve identificar os níveis de isolamento de todos os terminais de linha e de neutro, as classificações propostas dos isoladores de passagem e os requisitos aplicáveis aos ensaios de onda completa e de onda cortada. Antes dos ensaios, o fornecedor deve apresentar o procedimento de ensaio de impulso, incluindo as ligações dos terminais, as posições do comutador de derivações, os requisitos da forma de onda, as medições e os critérios de aceitação. O relatório final deve incluir os parâmetros de ensaio medidos, os oscilogramas e a avaliação dos resultados.»

Indique explicitamente o nível de impulso de alta tensão selecionado. Se o projeto adotar U_m = 123 kV e 550 kV de pico para os terminais de linha, apresente ambos os valores na tabela. Evite expressões como «isolamento normalizado» ou «prática habitual do fabricante», que podem levar a propostas baseadas em pressupostos diferentes.

Especifique os requisitos de acompanhamento dos ensaios em fábrica e de análise da documentação ao efetuar a encomenda. Qualquer utilização proposta de evidências de ensaios anteriores deve indicar a respetiva base contratual e demonstrar a sua relevância para o projeto oferecido.

Compare as evidências com o mesmo rigor que as classificações

Duas propostas que indiquem a mesma tensão suportável de impulso ainda podem diferir no isolamento do neutro, nos ensaios de onda cortada, na seleção dos isoladores de passagem, na cobertura dos ensaios ou na documentação. Esclareça estas diferenças antes de considerar as propostas tecnicamente equivalentes.

Solicite uma tabela de isolamento dos terminais preenchida, uma declaração de conformidade com as normas, uma lista clara de desvios, o programa de ensaios proposto e os pressupostos utilizados na coordenação de isolamento. O relatório final de ensaio deve identificar o transformador e a configuração ensaiada, para que as evidências possam ser associadas ao equipamento fornecido.

O passo seguinte é colocar lado a lado a base de tensão do sistema, a tabela de terminais, a configuração dos para-raios e os requisitos de ensaio. Qualquer incompatibilidade entre eles deve ser objeto de uma consulta técnica específica antes de a especificação ser emitida para aquisição.