SLD 1
IMPORTAcircNCIA DOS PROTETORES DE
SURTO (SNUBBERS) PARA PROTECcedilAtildeO DE
TRANSFORMADORES
CLAacuteUDIO S MARDEGAN
SLD 2
Claacuteudio Seacutergio Mardegan eacute Diretor da EngePower Engenharia e
Comeacutercio Ltda especialista em proteccedilatildeo de sistemas eleacutetricos
industriais e qualidade de energia com experiecircncia de mais de 38 anos
nesta aacuterea Jaacute ministrou por mais de 93 vezes o treinamento de proteccedilatildeo e
seletividade 28 vezes o treinamento de Subestaccedilotildees e 11 vezes o treinamento
de Qualidade de Energia 9 vezes o treinamento de Arc Flash e 5 vezes o
treinamento de partida de motores Apresentou diversos artigos em revistas
especializadas e ministrou inuacutemeras palestras teacutecnicas (Conferecircncias IEEE-IAS
e IEEE-IampCPSIEEE-ESW-Brasil CINASE CINAPE NR-10 etc) Eacute consultor
das principais empresas multinacionais e empresas corporativas Eacute engenheiro
eletricista formado em 1980 pela Escola Federal de Engenharia de Itajubaacute
(Antiga EFEI atualmente UNIFEI) Eacute autor do livro ldquoProteccedilatildeo e Seletividade em
Sistemas Eleacutetricos Industriaisrdquo patrocinado pela Schneider Eacute co-autor do Guia
de Normas do Setor Eleacutetrico Eacute Membro Senior do IEEE e participa tambeacutem dos
Working Groups do IEEE para ldquoGeneratoracutes Groundingrdquo e do Buff Book (Seacuterie
3004) Neste uacuteltimo participa na revisatildeo do Capiacutetulo de Proteccedilatildeo de
Transformadores eacute Chair do Capiacutetulo 6 ndash Ground Fault Protection e tambeacutem eacute
Chair do Capiacutetulo 13 ndash Protection Coordination Eacute secretaacuterio do Capiacutetulo 1 da
Seacuterie 3003 (antigo Green Book ndash Aterramento) Eacute vice-chair de Surge Protection
do IEEE e tambeacutem participa dos grupos de Forensics e do DC Team do IEEE Eacute
paper reviewer e associated editor do IEEE
SLD 3
O objetivo deste artigo eacute mostrar os processos envolvidos durante os
transitoacuterios de chaveamento bem como alertar fabricantes usuaacuterios e
especialistas em transformadores sobre este novo fenocircmeno que vem
ocorrendo ao redor de todo o mundo e a soluccedilatildeo para mitigar este fenocircmeno
OBJETIVO
SLD 4
1- MOTIVACcedilAtildeO PARA ESCREVER O ARTIGO
2- CONCEITOS BAacuteSICOS
3- COMENTAacuteRIOS DE CASOS REAIS OCORRIDOS NO BRASIL E USA
4- PRINCIPAIS PROTECcedilOtildeES CONTRA OS DISTUacuteRBIOS
5 ndash O FENOcircMENO
6 ndash MITIGACcedilAtildeO
7 - MODELAGEM
8 ndash SIMULACcedilAtildeO
9 ndash MONTAGEM E INSTALACcedilAtildeO
10- QUESTOtildeES A SEREM ANALISADAS AO INCLUIR ESTA PROTECcedilAtildeO
11- BIBLIOGRAFIA
IacuteNDICE
SLD 5
A motivaccedilatildeo para o desenvolvimento deste artigo se deve ao fato de que a
maior parte da comunidade teacutecnica ainda desconhece este fenocircmeno e assim a
ideia eacute demonstrar de uma maneira relativamente simples o fenocircmeno que
acontece o que ele pode provocar e tambeacutem as etapas para a mitigaccedilatildeo do
mesmo
1 - MOTIVACcedilAtildeO PARA ESCREVER ESTE ARTIGO
SLD 6
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
CONCEITOS BAacuteSICOS
(a) DEFINICcedilOtildeES
Capacitacircncia - Dois condutores separados por um dieleacutetrico formam
uma capacitacircncia Exemplo Os condutores de uma linha de
transmissatildeo satildeo condutores a terra eacute condutora e o ar eacute isolante e
desta forma tem-se um capacitor gigante
Capacitacircncia Proacutepria - Todos os equipamentos eleacutetricos tais como
cabos motores geradores etc satildeo constituiacutedos de condutores Estes
condutores satildeo isolados normalmente com papel verniz etc e como
satildeo instalados sobre uma parte metaacutelica forma-se o que chamamos
de capacitacircncia proacutepria do equipamento
Corrente de Charging - Eacute a corrente de fuga que circula pelas
capacitacircncias proacuteprias dos equipamentos Em sistemas trifaacutesicos
essas correntes teoricamente se anulam por estarem defasadas de
120 graus uma da outra
SLD 7
(b) REPRESENTACcedilAtildeO IDEAL DE UMA ISOLACcedilAtildeO
Quando se faz uma mediccedilatildeo com um Megocirchmetro mede-se apenas
a resistecircncia de isolamento pois a fonte do Megger eacute corrente
contiacutenua (DC) e iraacute enxergar a capacitacircncia como um circuito aberto
Para medir a capacitacircncia se faz necessaacuterio a utilizaccedilatildeo de um
Medidor de Fator de Potecircncia de Isolamento que nada mais eacute do
que um ensaio de tensatildeo de aplicada em corrente alternada (AC)
Desta maneira pode-se representar conforme figura abaixo
C R
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 8
(c) Surtos
A referecircncia [06] define os surtos de tensatildeo satildeo transitoacuterios de tensatildeo de qualquer
polaridade de duraccedilatildeo inferior a 1 ciclo que tipicamente satildeo decrescentes e
oscilatoacuterias A referecircncia [05] define o surto como um transitoacuterio de tensatildeo de
duraccedilatildeo inferior 1 ciclo evidenciada como uma breve e aguda descontinuidade na
forma de onda de tensatildeo A polaridade pode ser aditiva ou subtrativa
Dependendo da amplitude e energia dos surtos de tensatildeo os mesmos podem ser
a causa de dano e destruiccedilatildeo de componentes e equipamentos Isto acontece
quando o surto atinge valores e formas de onda proacuteximos eou acima do valor para
o qual os equipamentos satildeo testados (pex ANSI C6241-1991)
Limite de Suportabilidade do
Equipamento
Surto
kV
Tempo
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 9
(c) Surtos
Os surtos satildeo normalmente decorrentes de manobras (energizaccedilatildeo
desenergizaccedilatildeo) e tambeacutem devido agrave descargas atmosfeacutericas
Surtos de Manobra
Para o melhor entendimento do processo dos surtos de manobra a
desenergizaccedilatildeo eacute o mais faacutecil de entender e consistem em primeira instacircncia na
interrupccedilatildeo de corrente
Para se interromper a corrente eacute necessaacuterio que ela exista Em existindo esta
corrente produz energia eletromagneacutetica que eacute armazenada nas indutacircncias do
sistema sob a forma de
Poreacutem natildeo se pode variar a corrente instantaneamente em uma bobina pois isto
implicaria em um tempo zero (dt=0 na equaccedilatildeo seguinte) porque neste caso seria
necessaacuteria uma tensatildeo infinita o que eacute inexequiacutevel
119907 119905 = 119871 times119889119894(119905)
119889119905
119864119862 =1
2times 119871 times 1198682
Se dt=0 v(t) rarrinfin
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 10
(c) Surtos
Limite de Suportabilidade do
Equipamento
Surto
kV
Tempo
A tensatildeo na praacutetica natildeo atinge o infinito mas sim um valor alto (sobretensatildeo)
Apoacutes a abertura do dispositivo de manobra o sistema sai de um estado de
equiliacutebrio entra num novo estado de desequiliacutebrio energeacutetico que agora a energia
eletromagneacutetica eacute utilizada para carregar as capacitacircncias do sistema (frac12 CV2) A
sobretensatildeo da abertura carrega entatildeo os capacitores com esta tensatildeo mais
elevada que apoacutes a abertura troca energia com o indutor em cada lado do
dispositivo de manobra e oscila ateacute amortecer toda energia
Se natildeo houver onde amortecer (Resistecircncia) teoricamente a oscilaccedilatildeo natildeo
cessaria
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 11
(c) Surtos
Surtos devidos a descargas Atmosfeacutericas
Os surtos atmosfeacutericos quando caem sobre uma linha normalmente se divide em
dois I I2I2
As tensotildees que iratildeo se sobrepor agrave tensatildeo da rede seratildeo dadas por
Da mesma maneira que no chaveamento a descarga atmosfeacuterica tira o sistema
eleacutetrico do regime permanente e a nova situaccedilatildeo iraacute criar tambeacutem uma oscilaccedilatildeo
das energias armazenadas entre as capacitacircncias e a as indutacircncias do sistema
ateacute que esta energia seja dissipada por efeito Joule nas resistecircncias dos sistema
119881 = 119885119862 times119868
2ZC = Impedacircncia de Surto
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 12
(d) RESSONAcircNCIA PARALELA
Eacute sabido que as cargas natildeo lineares se
comportam como fontes de corrente
harmocircnica Nos sistemas eleacutetricos as
impedacircncias satildeo praticamente indutivas
representada pela reatacircncia das
maacutequinasequipamentos tais como
transformadores motores geradores cabos
etc Ao se introduzir um banco de capacitores
no sistema a fonte harmocircnica ldquoenxergardquo a
indutacircncia equivalente do sistema em
paralelo com a capacitacircncia como indicado
na figura seguinte visto que parte de sua
corrente vai para o sistema e parte para o
capacitor
IhC
L
Ressonacircncia Acuacutestica
Ressonacircncia pelo Vento
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 13
(d) RESSONAcircNCIA PARALELA
Ih
L
ZL =+jwL
ZC =-j [1(wC)]=-jXC
|Zh |= [XL XC ] [XL - XC ]
No plano W x w Reta pela Origem
No plano W x w Hipeacuterbole
w
W
XL
=XC
XC
=1 wC
wo
Conforme aumenta o tamanho do Capacitor
muda o ponto de ressonacircncia (Banco Autom)
XL
= wL Zh
wrsquoo
wrsquorsquoo
A fonte de corrente
harmocircnica Ih enxerga
uma impedacircncia Zh que
corresponde ao +jXL (=
jwL) em paralelo com -
jXC (= -j1wC)
Qdo XL =XC Zh LC
fLCC
L oo
ww
w2
111===
C
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 14
(d) RESSONAcircNCIA PARALELA
Mesmo com uma pequena corrente harmocircnica pode-se ter a ocorrecircncia da
ressonacircncia paralela entretanto esta ressonacircncia pode se tornar mais criacutetica
quando a frequecircncia de ressonacircncia wo (ou fo) coincidir ou ficar proacutexima de uma
frequecircncia caracteriacutestica (p ex 5 7 11 13 etc)
Caacutelculo simplificado da frequecircncia provaacutevel da ressonacircncia
A ordem da frequecircncia de ressonacircncia pode ser estimada de uma forma
simplificada atraveacutes da equaccedilatildeo abaixo
MVAr
MVAcch
EI
EI
I
I
X
E
E
Xh
X
Xh
Cf
CC
Cf
CC
Lf
Cf
Lf
Cf
=
====
3
32
h
XXh
ChLh
CL
XX
aressonacircncidecondiccedilatildeoNa
Cf
Lf
o
o
ChLh
=
=
=
=
ww
ww
1
1
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 15
(e) RESSONAcircNCIA SEacuteRIE
Sabe-se que a impedacircncia em um dado ponto pode ser escrita na forma
apresentada abaixo
Zp = R + j (XL ndash XC)
Quando XL = XC ter-se-aacute um valor de impedacircncia miacutenimo e igual a
Zp = R
Diferentemente da ressonacircncia paralela em que a impedacircncia eacute maacutexima a
impedacircncia na ressonacircncia seacuterie eacute miacutenima
0
02
04
06
08
1
12
14
0 5 10 15 20 25 30 35
Imp
eacircn
cia
(O
hm
s)
Ordem Harmocircnica
Ressonacircncia Seacuterie Trafo 1500 kVA-480V-250kVAr-535V
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 16
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Todo corpo fiacutesico possui uma ou mais frequecircncias proacuteprias a partir das quais o
mesmo pode entrar em ressonacircncia Apresenta-se a seguir um Graacutefico de Anaacutelise
do Scan de Frequecircncias de um transformador
As frequecircncias de ressonacircncia do
transformador satildeo 1087 kHz 346
kHz 4559 kHz 6002 kHz e 020
kHz Veja graacutefico ao lado
Como pode ser observado no graacutefico
fornecido pelo fabricante os mesmos
enfatizam os pontos correspondentes
os valores maacuteximos das
impedacircncias que representam as
ressonacircncias paralelas que vatildeo
causar sobretensotildees
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 17
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
A publicaccedilatildeo do IEEE Std C57142TM-2010 ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence
and Mitigation of Switching Transients Induced by Transformers Switching Device
and System Interactionrdquo [01]
Este Guia mostra a importacircncia de se
fazer a anaacutelise do Scan de Frequecircncia
enfatizando a importacircncia das
ressonacircncias seacuteries ou seja os valores
miacutenimos
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 18
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Qual das duas consideraccedilotildees eacute mais importante Ambas Veja comentaacuterio de um
dos maiores especialistas do mundo sobre o assunto
a) O Guia do IEEE C57142[01] foi a primeira boa tentativa de cobrir este assunto
b) Eu investiguei mais de 65 falhas em transformadores realizei mais de 400
estudos de transitoacuterios de chaveamento e construiacute mais de 1200 snubbers e
posso dizer que a anaacutelise do FSRA realmente nos revela muita coisa
c) O primeiro pico do graacutefico corresponde a um ponto de ressonacircncia paralela
Neste ponto ocorreraacute uma amplificaccedilatildeo da tensatildeo para as altas frequecircncias e
normalmente iraacute danificar a bucha ou as primeiras espiras do enrolamento
(curto entre espiras)
d) O primeiro vale corresponde a uma ressonacircncia seacuterie e nos diz em qual
frequecircncia ter-se-aacute frac12 onda Tipicamente resulta numa ressonacircncia interna que
danifica os enrolamentos em pontos proacuteximos a 13 da extremidade do
enrolamento a partir da bucha
e) O segundo vale tambeacutem corresponde a uma ressonacircncia seacuterie ocorrendo
uma amplificaccedilatildeo em frac34 da onda e danificando numa posiccedilatildeo proacutexima a 23
do enrolamento a partir da bucha
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 19
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Qual das duas consideraccedilotildees eacute mais importante Ambas Veja comentaacuterio de um
dos maiores especialistas do mundo sobre o assunto
f) Os transformadores enrolado em camadas (Layer Wound) e Cast Coil satildeo mais
susceptiacuteveis a essas condiccedilotildees de ressonacircncia interna
g) Transformadores de construccedilatildeo VPI (Vacuum Pressure Impregnated) satildeo mais
propensos a falhas de dvdt e as magnitudes da sobretensatildeo do que agraves
ressonacircncias internas
h) Este graacutefico nos daacute uma visatildeo interna da ressonacircncia do transformador para
eventos de alta frequecircncia decorrentes de chaveamento sem modelagens
complexas do transformador que cujas informaccedilotildees quase nunca satildeo
disponiacuteveis
i) Assim o trabalho do engenheiro especialista em sistema de potecircncia eacute fazer
com que estas ondas de alta frequecircncia natildeo atinjam o transformador sejam
nos picos sejam nos vales
Nota
A isolaccedilatildeo dos enrolamentos pode ser Open-wound vacuum pressure impregnation (VPI) vacuum
pressure encapsulated (VPE) encapsulated and cast coil
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 20
2009 ndash USA ndash Data Center ndash 30004500 kVA
2012 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash 6000kVA - Queima de 11
transformadores
2012 ndash Brasil ndash Planta Quiacutemica ndash 138 kV ndash Queima de 1 transformador
2013 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash 6000 kVA ndash Queima de 3
transformadores
2014 ndash Brasil ndash Induacutestria de Armas ndash 138 kV ndash 1250 kVA - Queima de 1
transformador
2014 ndash Brasil ndash Industria de equipamentos Eletrocircnicos ndash 138 kV ndash Queima de 1
Transformador
2014 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash Queima de 2 transformadores um de
6000 kVA e outro de 225 kVA
2014 ndash Brasil ndash Preacutedio Comercial ndash 345 kV ndash Queima de 1 transformador -2500kVA
3 - CASOS REAIS OCORRIDOS NO BRASIL E USA
SLD 21
Considere um transformador de trecircs enrolamentos como o do unifilar seguinte
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se
o seguinte
a) Transformador seco sem carenagem
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2
HVN
uacutecle
oLV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
HV
LV1 LV2
SLD 22
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se o seguinte
b) Transformador seco com carenagem
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2 HV
Nuacutecle
o
LV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
CH-T = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o invoacutelucro
CH-TC
xM
etaacute
lica I
nvoacutelu
cro
Meio isolante = Ar
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 23
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se o seguinte
c) Transformador a oacuteleo
LV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
CH-T = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o tanque (invoacutelucro)
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2 HV
Nuacutecle
o CH-TC
xM
etaacute
lica I
nvoacutelu
cro
Meio isolante = Oacuteleo
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 24
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 25
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 26
5 - O FENOcircMENO
O FENOcircMENO
Durante o processo de interrupccedilatildeo de corrente (processo eletromagneacutetico) natildeo
se consegue variar a corrente instantaneamente em um indutor (V = L didt) pois
teria que ter uma tensatildeo infinita o que eacute impossiacutevel fisicamente Entretanto esta
tensatildeo se eleva rapidamente e carrega entatildeo as capacitacircncias com uma energia
igual a
Ou seja a energia que estava armazenada nas indutacircncias iraacute ser transferida para
as capacitacircncias ou seja como C eacute constante o aumento da energia implica no
aumento da tensatildeo
Apoacutes a interrupccedilatildeo o capacitor iraacute tentar um novo estado de equiliacutebrio no sistema e
comeccedila entatildeo a trocar energias com as indutacircncias (do novo sistema devido agrave
nova configuraccedilatildeo) no caso a bobina do transformador
Devido agraves elevadas magnitudes e valores de dVdt do processo acima
mencionado os isolamentos natildeo suportam o ldquostressrdquo danificando-se
119864119862 =1
2times 119862 times 1198812
SLD 27
O FENOcircMENO
Como descrito nas normas e literaturas pertinentes o BIL eacute um ensaio destrutivo
para impulso atmosfeacuterico que o transformador somente deveraacute suportar poucas
vezes em sua vida uacutetil
Os chaveamentos dos disjuntores inuacutemeras vezes na vida uacutetil e mesmo natildeo se
atingindo o valor do BIL devido agraves elevadas magnitudes e dVdt vai-se
envelhecendo a isolaccedilatildeo ateacute que em determinado momento a mesma poderaacute
falhar
Na praacutetica este processo eacute ateacute um pouco mais complexo pois este fenocircmeno pode
ocorrer na energizaccedilatildeo no desligamento ou devido aos re-strikes (reacendimento
do arco quando a tensatildeo de TRV-Transient Recovery Voltage ultrapassa o limite
dieleacutetrico suportaacutevel pelo meio de extinccedilatildeo do disjuntor durante a abertura) Outro
fato que corrobora para agravar o problema eacute a interrupccedilatildeo de corrente antes da
mesma atingir o zero (chop current)
A interrupccedilatildeo da corrente provoca o aumento do moacutedulo da tensatildeo na carga e o re-
strike provoca um aumento do dVdt do lado carga ou seja da frequecircncia
5 - O FENOcircMENO
SLD 28
6 - MITIGACcedilAtildeO
MITIGACcedilAtildeO
Para a mitigaccedilatildeo utilizam-se paacutera-raios e snubbers como mostrado na figura
seguinte
SLD 29
7 - MODELAGEM
MODELAGEM
a) Modelagem do sistema
Para a modelagem do sistema eacute utilizado um programa de Transitoacuterios
Eletromagneacuteticos (p ex ATP EMTP-RV etc)
b) Modelagem dos componentes do Sistema
Cabos e Linhas
Transformadores
Disjuntores
Concessionaacuteria
Paacutera-raios
Resistores de Aterramento
Capacitores
Filtros
Carga
SLD 30
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC mNBI
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Tensotildees no primaacuterio de um
transformador de 10 MVA345kV
devido a manobra de abertura de
disjuntor no instante t = 165 ms
Up = 304 kV (fase A) 1667 MHz
sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t)
factors
offsets
1
000E+00
v TRAFOA
-1
000E+00
mNBI
1
000E+00
2410 2415 2420 2425 2430 2435 2440 2445 2450[ms]
-200
-100
0
100
200
300
103
Zoom da Figura ao lado mostrando a
tensatildeo (fase A) no primaacuterio do
transformador TR-16 de 10 MVA
devido a manobra de abertura do
disjuntor do cubiacuteculo H13 no instante t
= 165 ms Up = 304 kV (fase A)
1667 MHz sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 31
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC mRD
160 175 190 205 220 235 250[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Detalhe da tensatildeo de repique(restrike)
entre os contatos dos polos do disjuntor o
Cub 5 devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms
ldquoRDrdquo refere-se a recuperaccedilatildeo do
dieleacutetrico durante a abertura do disjuntor
(36 Vμs) sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cZA -YA
236 238 240 242 244 246[ms]-1200
-800
-400
0
400
800
1200
[A]
Detalhe da corrente entre os
contatos do polo A do disjuntor do
Cub5 devido a manobra de
abertura do disjuntor no instante t =
165 ms sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 32
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
[kV]
Tensotildees no primaacuterio do transformador
de 10 MVA devido a manobra de
abertura do disjuntor do Cubiacuteculo 5 no
instante t = 165 ms Up = 482 kV
(fase B) com snubbers
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-30
-8
14
36
58
80
[kV]
Detalhe da tensatildeo entre os contatos
dos polos do disjuntor do Cub5
devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms com
snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 33
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cTRAFOA-RESA cTRAFOB-RESB
cTRAFOC-RESC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]0
15
30
45
60
75
90
[A]
Energia absorvida pelos resistores dos snubbers
Fase A = 812 J
Fase B = 257 J
Fase C = 184 J
Com snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 34
9 - ESPECIFICACcedilAtildeO
Tipo MOV
Modelo POLIM-D-36-11 ou Equivalente
Fabricante ABB SIEMENS ALSTOM TOSHIBA
Uc 36 kV
Un 45 kV
High Impulse Current 100 kA (410ms)
Nominal Discharge Current 10 kA (820ms)
Energia 36 kJkV(Uc)
Tipo Surto
Capacitacircncia Nominal 02 mF
Tensatildeo Nominal 345 kV
Frequecircncia Nominal 60 Hz
NBI 200 kV
Norma IEC 60871-12005
Sugestatildeo de Fabricantes ABB IneparIESA LAELC Alstom Nokian
Resistecircncia = 33 Ohms
Un= 345 kV
Potecircncia (Continuous) = gt 370 W
Energia = gt 60 kJ
NBI (BIL) = 200 kV
Tipo Resistor ceracircmico tubular natildeo indutivo
Sugestatildeo de Fabricantes KanthalOhmicEletele
Especificaccedilatildeo do Snubber
Paacutera-Raios
Capacitor de Surto
Resistor
SLD 35
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
a) Componentes
Devem ser de fabricantes
reconhecidos no mercado
b) Montagem
Os componentes devem ser
montados o mais proacuteximo
possiacutevel um do outro para
evitar indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
Preferecircncia para cordoalhas e
barras chatas para
interligaccedilatildeo
SLD 36
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
c) Instalaccedilatildeo
O conjunto deve ser instalado
o mais proacuteximo possiacutevel das
buchas de alta para evitar
elevadas indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
SLD 37
[01] IEEE Std C57142TM-2010
ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence and Mitigation of Switching Transients
Induced by Transformers Switching Device and System Interactionrdquo
[02] Transformer Failure due to circuit breaker induced switching transients
Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference (IampCPS) 2011
IEEE - David D Shipp Fellow IEEE Thomas J Dionise Senior Member IEEE
Visuth Lorch and Bill G MacFarlane PE Member IEEE
[03] Analysis of Integral Snubber Circuit Design for Transformers in Urban High Rise
Office Building IEEE Transactions on Industry Applications
[04] Medium-Voltage Switching Transient-Induced Potential Transformer Failures
Prediction Measurement and Practical Solutions
IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS VOL 49 NO 4
JULYAUGUST 2013 - Daniel C McDermit David D Shipp Fellow IEEE
Thomas J Dionise Senior Member IEEE and Visuth Lorch
[05] IEEE Std 1100 ndash IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding
Electronic Equipment (Emerald Book)
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 38
[06] IEEE Std 1159 ndash 1995
IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 39
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 40
httpecmwebcomcontentbasics-large-dry-type-transformers
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 2
Claacuteudio Seacutergio Mardegan eacute Diretor da EngePower Engenharia e
Comeacutercio Ltda especialista em proteccedilatildeo de sistemas eleacutetricos
industriais e qualidade de energia com experiecircncia de mais de 38 anos
nesta aacuterea Jaacute ministrou por mais de 93 vezes o treinamento de proteccedilatildeo e
seletividade 28 vezes o treinamento de Subestaccedilotildees e 11 vezes o treinamento
de Qualidade de Energia 9 vezes o treinamento de Arc Flash e 5 vezes o
treinamento de partida de motores Apresentou diversos artigos em revistas
especializadas e ministrou inuacutemeras palestras teacutecnicas (Conferecircncias IEEE-IAS
e IEEE-IampCPSIEEE-ESW-Brasil CINASE CINAPE NR-10 etc) Eacute consultor
das principais empresas multinacionais e empresas corporativas Eacute engenheiro
eletricista formado em 1980 pela Escola Federal de Engenharia de Itajubaacute
(Antiga EFEI atualmente UNIFEI) Eacute autor do livro ldquoProteccedilatildeo e Seletividade em
Sistemas Eleacutetricos Industriaisrdquo patrocinado pela Schneider Eacute co-autor do Guia
de Normas do Setor Eleacutetrico Eacute Membro Senior do IEEE e participa tambeacutem dos
Working Groups do IEEE para ldquoGeneratoracutes Groundingrdquo e do Buff Book (Seacuterie
3004) Neste uacuteltimo participa na revisatildeo do Capiacutetulo de Proteccedilatildeo de
Transformadores eacute Chair do Capiacutetulo 6 ndash Ground Fault Protection e tambeacutem eacute
Chair do Capiacutetulo 13 ndash Protection Coordination Eacute secretaacuterio do Capiacutetulo 1 da
Seacuterie 3003 (antigo Green Book ndash Aterramento) Eacute vice-chair de Surge Protection
do IEEE e tambeacutem participa dos grupos de Forensics e do DC Team do IEEE Eacute
paper reviewer e associated editor do IEEE
SLD 3
O objetivo deste artigo eacute mostrar os processos envolvidos durante os
transitoacuterios de chaveamento bem como alertar fabricantes usuaacuterios e
especialistas em transformadores sobre este novo fenocircmeno que vem
ocorrendo ao redor de todo o mundo e a soluccedilatildeo para mitigar este fenocircmeno
OBJETIVO
SLD 4
1- MOTIVACcedilAtildeO PARA ESCREVER O ARTIGO
2- CONCEITOS BAacuteSICOS
3- COMENTAacuteRIOS DE CASOS REAIS OCORRIDOS NO BRASIL E USA
4- PRINCIPAIS PROTECcedilOtildeES CONTRA OS DISTUacuteRBIOS
5 ndash O FENOcircMENO
6 ndash MITIGACcedilAtildeO
7 - MODELAGEM
8 ndash SIMULACcedilAtildeO
9 ndash MONTAGEM E INSTALACcedilAtildeO
10- QUESTOtildeES A SEREM ANALISADAS AO INCLUIR ESTA PROTECcedilAtildeO
11- BIBLIOGRAFIA
IacuteNDICE
SLD 5
A motivaccedilatildeo para o desenvolvimento deste artigo se deve ao fato de que a
maior parte da comunidade teacutecnica ainda desconhece este fenocircmeno e assim a
ideia eacute demonstrar de uma maneira relativamente simples o fenocircmeno que
acontece o que ele pode provocar e tambeacutem as etapas para a mitigaccedilatildeo do
mesmo
1 - MOTIVACcedilAtildeO PARA ESCREVER ESTE ARTIGO
SLD 6
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
CONCEITOS BAacuteSICOS
(a) DEFINICcedilOtildeES
Capacitacircncia - Dois condutores separados por um dieleacutetrico formam
uma capacitacircncia Exemplo Os condutores de uma linha de
transmissatildeo satildeo condutores a terra eacute condutora e o ar eacute isolante e
desta forma tem-se um capacitor gigante
Capacitacircncia Proacutepria - Todos os equipamentos eleacutetricos tais como
cabos motores geradores etc satildeo constituiacutedos de condutores Estes
condutores satildeo isolados normalmente com papel verniz etc e como
satildeo instalados sobre uma parte metaacutelica forma-se o que chamamos
de capacitacircncia proacutepria do equipamento
Corrente de Charging - Eacute a corrente de fuga que circula pelas
capacitacircncias proacuteprias dos equipamentos Em sistemas trifaacutesicos
essas correntes teoricamente se anulam por estarem defasadas de
120 graus uma da outra
SLD 7
(b) REPRESENTACcedilAtildeO IDEAL DE UMA ISOLACcedilAtildeO
Quando se faz uma mediccedilatildeo com um Megocirchmetro mede-se apenas
a resistecircncia de isolamento pois a fonte do Megger eacute corrente
contiacutenua (DC) e iraacute enxergar a capacitacircncia como um circuito aberto
Para medir a capacitacircncia se faz necessaacuterio a utilizaccedilatildeo de um
Medidor de Fator de Potecircncia de Isolamento que nada mais eacute do
que um ensaio de tensatildeo de aplicada em corrente alternada (AC)
Desta maneira pode-se representar conforme figura abaixo
C R
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 8
(c) Surtos
A referecircncia [06] define os surtos de tensatildeo satildeo transitoacuterios de tensatildeo de qualquer
polaridade de duraccedilatildeo inferior a 1 ciclo que tipicamente satildeo decrescentes e
oscilatoacuterias A referecircncia [05] define o surto como um transitoacuterio de tensatildeo de
duraccedilatildeo inferior 1 ciclo evidenciada como uma breve e aguda descontinuidade na
forma de onda de tensatildeo A polaridade pode ser aditiva ou subtrativa
Dependendo da amplitude e energia dos surtos de tensatildeo os mesmos podem ser
a causa de dano e destruiccedilatildeo de componentes e equipamentos Isto acontece
quando o surto atinge valores e formas de onda proacuteximos eou acima do valor para
o qual os equipamentos satildeo testados (pex ANSI C6241-1991)
Limite de Suportabilidade do
Equipamento
Surto
kV
Tempo
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 9
(c) Surtos
Os surtos satildeo normalmente decorrentes de manobras (energizaccedilatildeo
desenergizaccedilatildeo) e tambeacutem devido agrave descargas atmosfeacutericas
Surtos de Manobra
Para o melhor entendimento do processo dos surtos de manobra a
desenergizaccedilatildeo eacute o mais faacutecil de entender e consistem em primeira instacircncia na
interrupccedilatildeo de corrente
Para se interromper a corrente eacute necessaacuterio que ela exista Em existindo esta
corrente produz energia eletromagneacutetica que eacute armazenada nas indutacircncias do
sistema sob a forma de
Poreacutem natildeo se pode variar a corrente instantaneamente em uma bobina pois isto
implicaria em um tempo zero (dt=0 na equaccedilatildeo seguinte) porque neste caso seria
necessaacuteria uma tensatildeo infinita o que eacute inexequiacutevel
119907 119905 = 119871 times119889119894(119905)
119889119905
119864119862 =1
2times 119871 times 1198682
Se dt=0 v(t) rarrinfin
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 10
(c) Surtos
Limite de Suportabilidade do
Equipamento
Surto
kV
Tempo
A tensatildeo na praacutetica natildeo atinge o infinito mas sim um valor alto (sobretensatildeo)
Apoacutes a abertura do dispositivo de manobra o sistema sai de um estado de
equiliacutebrio entra num novo estado de desequiliacutebrio energeacutetico que agora a energia
eletromagneacutetica eacute utilizada para carregar as capacitacircncias do sistema (frac12 CV2) A
sobretensatildeo da abertura carrega entatildeo os capacitores com esta tensatildeo mais
elevada que apoacutes a abertura troca energia com o indutor em cada lado do
dispositivo de manobra e oscila ateacute amortecer toda energia
Se natildeo houver onde amortecer (Resistecircncia) teoricamente a oscilaccedilatildeo natildeo
cessaria
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 11
(c) Surtos
Surtos devidos a descargas Atmosfeacutericas
Os surtos atmosfeacutericos quando caem sobre uma linha normalmente se divide em
dois I I2I2
As tensotildees que iratildeo se sobrepor agrave tensatildeo da rede seratildeo dadas por
Da mesma maneira que no chaveamento a descarga atmosfeacuterica tira o sistema
eleacutetrico do regime permanente e a nova situaccedilatildeo iraacute criar tambeacutem uma oscilaccedilatildeo
das energias armazenadas entre as capacitacircncias e a as indutacircncias do sistema
ateacute que esta energia seja dissipada por efeito Joule nas resistecircncias dos sistema
119881 = 119885119862 times119868
2ZC = Impedacircncia de Surto
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 12
(d) RESSONAcircNCIA PARALELA
Eacute sabido que as cargas natildeo lineares se
comportam como fontes de corrente
harmocircnica Nos sistemas eleacutetricos as
impedacircncias satildeo praticamente indutivas
representada pela reatacircncia das
maacutequinasequipamentos tais como
transformadores motores geradores cabos
etc Ao se introduzir um banco de capacitores
no sistema a fonte harmocircnica ldquoenxergardquo a
indutacircncia equivalente do sistema em
paralelo com a capacitacircncia como indicado
na figura seguinte visto que parte de sua
corrente vai para o sistema e parte para o
capacitor
IhC
L
Ressonacircncia Acuacutestica
Ressonacircncia pelo Vento
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 13
(d) RESSONAcircNCIA PARALELA
Ih
L
ZL =+jwL
ZC =-j [1(wC)]=-jXC
|Zh |= [XL XC ] [XL - XC ]
No plano W x w Reta pela Origem
No plano W x w Hipeacuterbole
w
W
XL
=XC
XC
=1 wC
wo
Conforme aumenta o tamanho do Capacitor
muda o ponto de ressonacircncia (Banco Autom)
XL
= wL Zh
wrsquoo
wrsquorsquoo
A fonte de corrente
harmocircnica Ih enxerga
uma impedacircncia Zh que
corresponde ao +jXL (=
jwL) em paralelo com -
jXC (= -j1wC)
Qdo XL =XC Zh LC
fLCC
L oo
ww
w2
111===
C
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 14
(d) RESSONAcircNCIA PARALELA
Mesmo com uma pequena corrente harmocircnica pode-se ter a ocorrecircncia da
ressonacircncia paralela entretanto esta ressonacircncia pode se tornar mais criacutetica
quando a frequecircncia de ressonacircncia wo (ou fo) coincidir ou ficar proacutexima de uma
frequecircncia caracteriacutestica (p ex 5 7 11 13 etc)
Caacutelculo simplificado da frequecircncia provaacutevel da ressonacircncia
A ordem da frequecircncia de ressonacircncia pode ser estimada de uma forma
simplificada atraveacutes da equaccedilatildeo abaixo
MVAr
MVAcch
EI
EI
I
I
X
E
E
Xh
X
Xh
Cf
CC
Cf
CC
Lf
Cf
Lf
Cf
=
====
3
32
h
XXh
ChLh
CL
XX
aressonacircncidecondiccedilatildeoNa
Cf
Lf
o
o
ChLh
=
=
=
=
ww
ww
1
1
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 15
(e) RESSONAcircNCIA SEacuteRIE
Sabe-se que a impedacircncia em um dado ponto pode ser escrita na forma
apresentada abaixo
Zp = R + j (XL ndash XC)
Quando XL = XC ter-se-aacute um valor de impedacircncia miacutenimo e igual a
Zp = R
Diferentemente da ressonacircncia paralela em que a impedacircncia eacute maacutexima a
impedacircncia na ressonacircncia seacuterie eacute miacutenima
0
02
04
06
08
1
12
14
0 5 10 15 20 25 30 35
Imp
eacircn
cia
(O
hm
s)
Ordem Harmocircnica
Ressonacircncia Seacuterie Trafo 1500 kVA-480V-250kVAr-535V
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 16
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Todo corpo fiacutesico possui uma ou mais frequecircncias proacuteprias a partir das quais o
mesmo pode entrar em ressonacircncia Apresenta-se a seguir um Graacutefico de Anaacutelise
do Scan de Frequecircncias de um transformador
As frequecircncias de ressonacircncia do
transformador satildeo 1087 kHz 346
kHz 4559 kHz 6002 kHz e 020
kHz Veja graacutefico ao lado
Como pode ser observado no graacutefico
fornecido pelo fabricante os mesmos
enfatizam os pontos correspondentes
os valores maacuteximos das
impedacircncias que representam as
ressonacircncias paralelas que vatildeo
causar sobretensotildees
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 17
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
A publicaccedilatildeo do IEEE Std C57142TM-2010 ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence
and Mitigation of Switching Transients Induced by Transformers Switching Device
and System Interactionrdquo [01]
Este Guia mostra a importacircncia de se
fazer a anaacutelise do Scan de Frequecircncia
enfatizando a importacircncia das
ressonacircncias seacuteries ou seja os valores
miacutenimos
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 18
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Qual das duas consideraccedilotildees eacute mais importante Ambas Veja comentaacuterio de um
dos maiores especialistas do mundo sobre o assunto
a) O Guia do IEEE C57142[01] foi a primeira boa tentativa de cobrir este assunto
b) Eu investiguei mais de 65 falhas em transformadores realizei mais de 400
estudos de transitoacuterios de chaveamento e construiacute mais de 1200 snubbers e
posso dizer que a anaacutelise do FSRA realmente nos revela muita coisa
c) O primeiro pico do graacutefico corresponde a um ponto de ressonacircncia paralela
Neste ponto ocorreraacute uma amplificaccedilatildeo da tensatildeo para as altas frequecircncias e
normalmente iraacute danificar a bucha ou as primeiras espiras do enrolamento
(curto entre espiras)
d) O primeiro vale corresponde a uma ressonacircncia seacuterie e nos diz em qual
frequecircncia ter-se-aacute frac12 onda Tipicamente resulta numa ressonacircncia interna que
danifica os enrolamentos em pontos proacuteximos a 13 da extremidade do
enrolamento a partir da bucha
e) O segundo vale tambeacutem corresponde a uma ressonacircncia seacuterie ocorrendo
uma amplificaccedilatildeo em frac34 da onda e danificando numa posiccedilatildeo proacutexima a 23
do enrolamento a partir da bucha
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 19
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Qual das duas consideraccedilotildees eacute mais importante Ambas Veja comentaacuterio de um
dos maiores especialistas do mundo sobre o assunto
f) Os transformadores enrolado em camadas (Layer Wound) e Cast Coil satildeo mais
susceptiacuteveis a essas condiccedilotildees de ressonacircncia interna
g) Transformadores de construccedilatildeo VPI (Vacuum Pressure Impregnated) satildeo mais
propensos a falhas de dvdt e as magnitudes da sobretensatildeo do que agraves
ressonacircncias internas
h) Este graacutefico nos daacute uma visatildeo interna da ressonacircncia do transformador para
eventos de alta frequecircncia decorrentes de chaveamento sem modelagens
complexas do transformador que cujas informaccedilotildees quase nunca satildeo
disponiacuteveis
i) Assim o trabalho do engenheiro especialista em sistema de potecircncia eacute fazer
com que estas ondas de alta frequecircncia natildeo atinjam o transformador sejam
nos picos sejam nos vales
Nota
A isolaccedilatildeo dos enrolamentos pode ser Open-wound vacuum pressure impregnation (VPI) vacuum
pressure encapsulated (VPE) encapsulated and cast coil
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 20
2009 ndash USA ndash Data Center ndash 30004500 kVA
2012 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash 6000kVA - Queima de 11
transformadores
2012 ndash Brasil ndash Planta Quiacutemica ndash 138 kV ndash Queima de 1 transformador
2013 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash 6000 kVA ndash Queima de 3
transformadores
2014 ndash Brasil ndash Induacutestria de Armas ndash 138 kV ndash 1250 kVA - Queima de 1
transformador
2014 ndash Brasil ndash Industria de equipamentos Eletrocircnicos ndash 138 kV ndash Queima de 1
Transformador
2014 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash Queima de 2 transformadores um de
6000 kVA e outro de 225 kVA
2014 ndash Brasil ndash Preacutedio Comercial ndash 345 kV ndash Queima de 1 transformador -2500kVA
3 - CASOS REAIS OCORRIDOS NO BRASIL E USA
SLD 21
Considere um transformador de trecircs enrolamentos como o do unifilar seguinte
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se
o seguinte
a) Transformador seco sem carenagem
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2
HVN
uacutecle
oLV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
HV
LV1 LV2
SLD 22
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se o seguinte
b) Transformador seco com carenagem
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2 HV
Nuacutecle
o
LV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
CH-T = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o invoacutelucro
CH-TC
xM
etaacute
lica I
nvoacutelu
cro
Meio isolante = Ar
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 23
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se o seguinte
c) Transformador a oacuteleo
LV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
CH-T = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o tanque (invoacutelucro)
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2 HV
Nuacutecle
o CH-TC
xM
etaacute
lica I
nvoacutelu
cro
Meio isolante = Oacuteleo
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 24
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 25
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 26
5 - O FENOcircMENO
O FENOcircMENO
Durante o processo de interrupccedilatildeo de corrente (processo eletromagneacutetico) natildeo
se consegue variar a corrente instantaneamente em um indutor (V = L didt) pois
teria que ter uma tensatildeo infinita o que eacute impossiacutevel fisicamente Entretanto esta
tensatildeo se eleva rapidamente e carrega entatildeo as capacitacircncias com uma energia
igual a
Ou seja a energia que estava armazenada nas indutacircncias iraacute ser transferida para
as capacitacircncias ou seja como C eacute constante o aumento da energia implica no
aumento da tensatildeo
Apoacutes a interrupccedilatildeo o capacitor iraacute tentar um novo estado de equiliacutebrio no sistema e
comeccedila entatildeo a trocar energias com as indutacircncias (do novo sistema devido agrave
nova configuraccedilatildeo) no caso a bobina do transformador
Devido agraves elevadas magnitudes e valores de dVdt do processo acima
mencionado os isolamentos natildeo suportam o ldquostressrdquo danificando-se
119864119862 =1
2times 119862 times 1198812
SLD 27
O FENOcircMENO
Como descrito nas normas e literaturas pertinentes o BIL eacute um ensaio destrutivo
para impulso atmosfeacuterico que o transformador somente deveraacute suportar poucas
vezes em sua vida uacutetil
Os chaveamentos dos disjuntores inuacutemeras vezes na vida uacutetil e mesmo natildeo se
atingindo o valor do BIL devido agraves elevadas magnitudes e dVdt vai-se
envelhecendo a isolaccedilatildeo ateacute que em determinado momento a mesma poderaacute
falhar
Na praacutetica este processo eacute ateacute um pouco mais complexo pois este fenocircmeno pode
ocorrer na energizaccedilatildeo no desligamento ou devido aos re-strikes (reacendimento
do arco quando a tensatildeo de TRV-Transient Recovery Voltage ultrapassa o limite
dieleacutetrico suportaacutevel pelo meio de extinccedilatildeo do disjuntor durante a abertura) Outro
fato que corrobora para agravar o problema eacute a interrupccedilatildeo de corrente antes da
mesma atingir o zero (chop current)
A interrupccedilatildeo da corrente provoca o aumento do moacutedulo da tensatildeo na carga e o re-
strike provoca um aumento do dVdt do lado carga ou seja da frequecircncia
5 - O FENOcircMENO
SLD 28
6 - MITIGACcedilAtildeO
MITIGACcedilAtildeO
Para a mitigaccedilatildeo utilizam-se paacutera-raios e snubbers como mostrado na figura
seguinte
SLD 29
7 - MODELAGEM
MODELAGEM
a) Modelagem do sistema
Para a modelagem do sistema eacute utilizado um programa de Transitoacuterios
Eletromagneacuteticos (p ex ATP EMTP-RV etc)
b) Modelagem dos componentes do Sistema
Cabos e Linhas
Transformadores
Disjuntores
Concessionaacuteria
Paacutera-raios
Resistores de Aterramento
Capacitores
Filtros
Carga
SLD 30
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC mNBI
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Tensotildees no primaacuterio de um
transformador de 10 MVA345kV
devido a manobra de abertura de
disjuntor no instante t = 165 ms
Up = 304 kV (fase A) 1667 MHz
sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t)
factors
offsets
1
000E+00
v TRAFOA
-1
000E+00
mNBI
1
000E+00
2410 2415 2420 2425 2430 2435 2440 2445 2450[ms]
-200
-100
0
100
200
300
103
Zoom da Figura ao lado mostrando a
tensatildeo (fase A) no primaacuterio do
transformador TR-16 de 10 MVA
devido a manobra de abertura do
disjuntor do cubiacuteculo H13 no instante t
= 165 ms Up = 304 kV (fase A)
1667 MHz sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 31
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC mRD
160 175 190 205 220 235 250[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Detalhe da tensatildeo de repique(restrike)
entre os contatos dos polos do disjuntor o
Cub 5 devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms
ldquoRDrdquo refere-se a recuperaccedilatildeo do
dieleacutetrico durante a abertura do disjuntor
(36 Vμs) sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cZA -YA
236 238 240 242 244 246[ms]-1200
-800
-400
0
400
800
1200
[A]
Detalhe da corrente entre os
contatos do polo A do disjuntor do
Cub5 devido a manobra de
abertura do disjuntor no instante t =
165 ms sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 32
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
[kV]
Tensotildees no primaacuterio do transformador
de 10 MVA devido a manobra de
abertura do disjuntor do Cubiacuteculo 5 no
instante t = 165 ms Up = 482 kV
(fase B) com snubbers
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-30
-8
14
36
58
80
[kV]
Detalhe da tensatildeo entre os contatos
dos polos do disjuntor do Cub5
devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms com
snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 33
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cTRAFOA-RESA cTRAFOB-RESB
cTRAFOC-RESC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]0
15
30
45
60
75
90
[A]
Energia absorvida pelos resistores dos snubbers
Fase A = 812 J
Fase B = 257 J
Fase C = 184 J
Com snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 34
9 - ESPECIFICACcedilAtildeO
Tipo MOV
Modelo POLIM-D-36-11 ou Equivalente
Fabricante ABB SIEMENS ALSTOM TOSHIBA
Uc 36 kV
Un 45 kV
High Impulse Current 100 kA (410ms)
Nominal Discharge Current 10 kA (820ms)
Energia 36 kJkV(Uc)
Tipo Surto
Capacitacircncia Nominal 02 mF
Tensatildeo Nominal 345 kV
Frequecircncia Nominal 60 Hz
NBI 200 kV
Norma IEC 60871-12005
Sugestatildeo de Fabricantes ABB IneparIESA LAELC Alstom Nokian
Resistecircncia = 33 Ohms
Un= 345 kV
Potecircncia (Continuous) = gt 370 W
Energia = gt 60 kJ
NBI (BIL) = 200 kV
Tipo Resistor ceracircmico tubular natildeo indutivo
Sugestatildeo de Fabricantes KanthalOhmicEletele
Especificaccedilatildeo do Snubber
Paacutera-Raios
Capacitor de Surto
Resistor
SLD 35
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
a) Componentes
Devem ser de fabricantes
reconhecidos no mercado
b) Montagem
Os componentes devem ser
montados o mais proacuteximo
possiacutevel um do outro para
evitar indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
Preferecircncia para cordoalhas e
barras chatas para
interligaccedilatildeo
SLD 36
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
c) Instalaccedilatildeo
O conjunto deve ser instalado
o mais proacuteximo possiacutevel das
buchas de alta para evitar
elevadas indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
SLD 37
[01] IEEE Std C57142TM-2010
ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence and Mitigation of Switching Transients
Induced by Transformers Switching Device and System Interactionrdquo
[02] Transformer Failure due to circuit breaker induced switching transients
Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference (IampCPS) 2011
IEEE - David D Shipp Fellow IEEE Thomas J Dionise Senior Member IEEE
Visuth Lorch and Bill G MacFarlane PE Member IEEE
[03] Analysis of Integral Snubber Circuit Design for Transformers in Urban High Rise
Office Building IEEE Transactions on Industry Applications
[04] Medium-Voltage Switching Transient-Induced Potential Transformer Failures
Prediction Measurement and Practical Solutions
IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS VOL 49 NO 4
JULYAUGUST 2013 - Daniel C McDermit David D Shipp Fellow IEEE
Thomas J Dionise Senior Member IEEE and Visuth Lorch
[05] IEEE Std 1100 ndash IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding
Electronic Equipment (Emerald Book)
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 38
[06] IEEE Std 1159 ndash 1995
IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 39
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 40
httpecmwebcomcontentbasics-large-dry-type-transformers
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 3
O objetivo deste artigo eacute mostrar os processos envolvidos durante os
transitoacuterios de chaveamento bem como alertar fabricantes usuaacuterios e
especialistas em transformadores sobre este novo fenocircmeno que vem
ocorrendo ao redor de todo o mundo e a soluccedilatildeo para mitigar este fenocircmeno
OBJETIVO
SLD 4
1- MOTIVACcedilAtildeO PARA ESCREVER O ARTIGO
2- CONCEITOS BAacuteSICOS
3- COMENTAacuteRIOS DE CASOS REAIS OCORRIDOS NO BRASIL E USA
4- PRINCIPAIS PROTECcedilOtildeES CONTRA OS DISTUacuteRBIOS
5 ndash O FENOcircMENO
6 ndash MITIGACcedilAtildeO
7 - MODELAGEM
8 ndash SIMULACcedilAtildeO
9 ndash MONTAGEM E INSTALACcedilAtildeO
10- QUESTOtildeES A SEREM ANALISADAS AO INCLUIR ESTA PROTECcedilAtildeO
11- BIBLIOGRAFIA
IacuteNDICE
SLD 5
A motivaccedilatildeo para o desenvolvimento deste artigo se deve ao fato de que a
maior parte da comunidade teacutecnica ainda desconhece este fenocircmeno e assim a
ideia eacute demonstrar de uma maneira relativamente simples o fenocircmeno que
acontece o que ele pode provocar e tambeacutem as etapas para a mitigaccedilatildeo do
mesmo
1 - MOTIVACcedilAtildeO PARA ESCREVER ESTE ARTIGO
SLD 6
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
CONCEITOS BAacuteSICOS
(a) DEFINICcedilOtildeES
Capacitacircncia - Dois condutores separados por um dieleacutetrico formam
uma capacitacircncia Exemplo Os condutores de uma linha de
transmissatildeo satildeo condutores a terra eacute condutora e o ar eacute isolante e
desta forma tem-se um capacitor gigante
Capacitacircncia Proacutepria - Todos os equipamentos eleacutetricos tais como
cabos motores geradores etc satildeo constituiacutedos de condutores Estes
condutores satildeo isolados normalmente com papel verniz etc e como
satildeo instalados sobre uma parte metaacutelica forma-se o que chamamos
de capacitacircncia proacutepria do equipamento
Corrente de Charging - Eacute a corrente de fuga que circula pelas
capacitacircncias proacuteprias dos equipamentos Em sistemas trifaacutesicos
essas correntes teoricamente se anulam por estarem defasadas de
120 graus uma da outra
SLD 7
(b) REPRESENTACcedilAtildeO IDEAL DE UMA ISOLACcedilAtildeO
Quando se faz uma mediccedilatildeo com um Megocirchmetro mede-se apenas
a resistecircncia de isolamento pois a fonte do Megger eacute corrente
contiacutenua (DC) e iraacute enxergar a capacitacircncia como um circuito aberto
Para medir a capacitacircncia se faz necessaacuterio a utilizaccedilatildeo de um
Medidor de Fator de Potecircncia de Isolamento que nada mais eacute do
que um ensaio de tensatildeo de aplicada em corrente alternada (AC)
Desta maneira pode-se representar conforme figura abaixo
C R
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 8
(c) Surtos
A referecircncia [06] define os surtos de tensatildeo satildeo transitoacuterios de tensatildeo de qualquer
polaridade de duraccedilatildeo inferior a 1 ciclo que tipicamente satildeo decrescentes e
oscilatoacuterias A referecircncia [05] define o surto como um transitoacuterio de tensatildeo de
duraccedilatildeo inferior 1 ciclo evidenciada como uma breve e aguda descontinuidade na
forma de onda de tensatildeo A polaridade pode ser aditiva ou subtrativa
Dependendo da amplitude e energia dos surtos de tensatildeo os mesmos podem ser
a causa de dano e destruiccedilatildeo de componentes e equipamentos Isto acontece
quando o surto atinge valores e formas de onda proacuteximos eou acima do valor para
o qual os equipamentos satildeo testados (pex ANSI C6241-1991)
Limite de Suportabilidade do
Equipamento
Surto
kV
Tempo
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 9
(c) Surtos
Os surtos satildeo normalmente decorrentes de manobras (energizaccedilatildeo
desenergizaccedilatildeo) e tambeacutem devido agrave descargas atmosfeacutericas
Surtos de Manobra
Para o melhor entendimento do processo dos surtos de manobra a
desenergizaccedilatildeo eacute o mais faacutecil de entender e consistem em primeira instacircncia na
interrupccedilatildeo de corrente
Para se interromper a corrente eacute necessaacuterio que ela exista Em existindo esta
corrente produz energia eletromagneacutetica que eacute armazenada nas indutacircncias do
sistema sob a forma de
Poreacutem natildeo se pode variar a corrente instantaneamente em uma bobina pois isto
implicaria em um tempo zero (dt=0 na equaccedilatildeo seguinte) porque neste caso seria
necessaacuteria uma tensatildeo infinita o que eacute inexequiacutevel
119907 119905 = 119871 times119889119894(119905)
119889119905
119864119862 =1
2times 119871 times 1198682
Se dt=0 v(t) rarrinfin
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 10
(c) Surtos
Limite de Suportabilidade do
Equipamento
Surto
kV
Tempo
A tensatildeo na praacutetica natildeo atinge o infinito mas sim um valor alto (sobretensatildeo)
Apoacutes a abertura do dispositivo de manobra o sistema sai de um estado de
equiliacutebrio entra num novo estado de desequiliacutebrio energeacutetico que agora a energia
eletromagneacutetica eacute utilizada para carregar as capacitacircncias do sistema (frac12 CV2) A
sobretensatildeo da abertura carrega entatildeo os capacitores com esta tensatildeo mais
elevada que apoacutes a abertura troca energia com o indutor em cada lado do
dispositivo de manobra e oscila ateacute amortecer toda energia
Se natildeo houver onde amortecer (Resistecircncia) teoricamente a oscilaccedilatildeo natildeo
cessaria
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 11
(c) Surtos
Surtos devidos a descargas Atmosfeacutericas
Os surtos atmosfeacutericos quando caem sobre uma linha normalmente se divide em
dois I I2I2
As tensotildees que iratildeo se sobrepor agrave tensatildeo da rede seratildeo dadas por
Da mesma maneira que no chaveamento a descarga atmosfeacuterica tira o sistema
eleacutetrico do regime permanente e a nova situaccedilatildeo iraacute criar tambeacutem uma oscilaccedilatildeo
das energias armazenadas entre as capacitacircncias e a as indutacircncias do sistema
ateacute que esta energia seja dissipada por efeito Joule nas resistecircncias dos sistema
119881 = 119885119862 times119868
2ZC = Impedacircncia de Surto
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 12
(d) RESSONAcircNCIA PARALELA
Eacute sabido que as cargas natildeo lineares se
comportam como fontes de corrente
harmocircnica Nos sistemas eleacutetricos as
impedacircncias satildeo praticamente indutivas
representada pela reatacircncia das
maacutequinasequipamentos tais como
transformadores motores geradores cabos
etc Ao se introduzir um banco de capacitores
no sistema a fonte harmocircnica ldquoenxergardquo a
indutacircncia equivalente do sistema em
paralelo com a capacitacircncia como indicado
na figura seguinte visto que parte de sua
corrente vai para o sistema e parte para o
capacitor
IhC
L
Ressonacircncia Acuacutestica
Ressonacircncia pelo Vento
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 13
(d) RESSONAcircNCIA PARALELA
Ih
L
ZL =+jwL
ZC =-j [1(wC)]=-jXC
|Zh |= [XL XC ] [XL - XC ]
No plano W x w Reta pela Origem
No plano W x w Hipeacuterbole
w
W
XL
=XC
XC
=1 wC
wo
Conforme aumenta o tamanho do Capacitor
muda o ponto de ressonacircncia (Banco Autom)
XL
= wL Zh
wrsquoo
wrsquorsquoo
A fonte de corrente
harmocircnica Ih enxerga
uma impedacircncia Zh que
corresponde ao +jXL (=
jwL) em paralelo com -
jXC (= -j1wC)
Qdo XL =XC Zh LC
fLCC
L oo
ww
w2
111===
C
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 14
(d) RESSONAcircNCIA PARALELA
Mesmo com uma pequena corrente harmocircnica pode-se ter a ocorrecircncia da
ressonacircncia paralela entretanto esta ressonacircncia pode se tornar mais criacutetica
quando a frequecircncia de ressonacircncia wo (ou fo) coincidir ou ficar proacutexima de uma
frequecircncia caracteriacutestica (p ex 5 7 11 13 etc)
Caacutelculo simplificado da frequecircncia provaacutevel da ressonacircncia
A ordem da frequecircncia de ressonacircncia pode ser estimada de uma forma
simplificada atraveacutes da equaccedilatildeo abaixo
MVAr
MVAcch
EI
EI
I
I
X
E
E
Xh
X
Xh
Cf
CC
Cf
CC
Lf
Cf
Lf
Cf
=
====
3
32
h
XXh
ChLh
CL
XX
aressonacircncidecondiccedilatildeoNa
Cf
Lf
o
o
ChLh
=
=
=
=
ww
ww
1
1
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 15
(e) RESSONAcircNCIA SEacuteRIE
Sabe-se que a impedacircncia em um dado ponto pode ser escrita na forma
apresentada abaixo
Zp = R + j (XL ndash XC)
Quando XL = XC ter-se-aacute um valor de impedacircncia miacutenimo e igual a
Zp = R
Diferentemente da ressonacircncia paralela em que a impedacircncia eacute maacutexima a
impedacircncia na ressonacircncia seacuterie eacute miacutenima
0
02
04
06
08
1
12
14
0 5 10 15 20 25 30 35
Imp
eacircn
cia
(O
hm
s)
Ordem Harmocircnica
Ressonacircncia Seacuterie Trafo 1500 kVA-480V-250kVAr-535V
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 16
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Todo corpo fiacutesico possui uma ou mais frequecircncias proacuteprias a partir das quais o
mesmo pode entrar em ressonacircncia Apresenta-se a seguir um Graacutefico de Anaacutelise
do Scan de Frequecircncias de um transformador
As frequecircncias de ressonacircncia do
transformador satildeo 1087 kHz 346
kHz 4559 kHz 6002 kHz e 020
kHz Veja graacutefico ao lado
Como pode ser observado no graacutefico
fornecido pelo fabricante os mesmos
enfatizam os pontos correspondentes
os valores maacuteximos das
impedacircncias que representam as
ressonacircncias paralelas que vatildeo
causar sobretensotildees
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 17
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
A publicaccedilatildeo do IEEE Std C57142TM-2010 ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence
and Mitigation of Switching Transients Induced by Transformers Switching Device
and System Interactionrdquo [01]
Este Guia mostra a importacircncia de se
fazer a anaacutelise do Scan de Frequecircncia
enfatizando a importacircncia das
ressonacircncias seacuteries ou seja os valores
miacutenimos
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 18
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Qual das duas consideraccedilotildees eacute mais importante Ambas Veja comentaacuterio de um
dos maiores especialistas do mundo sobre o assunto
a) O Guia do IEEE C57142[01] foi a primeira boa tentativa de cobrir este assunto
b) Eu investiguei mais de 65 falhas em transformadores realizei mais de 400
estudos de transitoacuterios de chaveamento e construiacute mais de 1200 snubbers e
posso dizer que a anaacutelise do FSRA realmente nos revela muita coisa
c) O primeiro pico do graacutefico corresponde a um ponto de ressonacircncia paralela
Neste ponto ocorreraacute uma amplificaccedilatildeo da tensatildeo para as altas frequecircncias e
normalmente iraacute danificar a bucha ou as primeiras espiras do enrolamento
(curto entre espiras)
d) O primeiro vale corresponde a uma ressonacircncia seacuterie e nos diz em qual
frequecircncia ter-se-aacute frac12 onda Tipicamente resulta numa ressonacircncia interna que
danifica os enrolamentos em pontos proacuteximos a 13 da extremidade do
enrolamento a partir da bucha
e) O segundo vale tambeacutem corresponde a uma ressonacircncia seacuterie ocorrendo
uma amplificaccedilatildeo em frac34 da onda e danificando numa posiccedilatildeo proacutexima a 23
do enrolamento a partir da bucha
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 19
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Qual das duas consideraccedilotildees eacute mais importante Ambas Veja comentaacuterio de um
dos maiores especialistas do mundo sobre o assunto
f) Os transformadores enrolado em camadas (Layer Wound) e Cast Coil satildeo mais
susceptiacuteveis a essas condiccedilotildees de ressonacircncia interna
g) Transformadores de construccedilatildeo VPI (Vacuum Pressure Impregnated) satildeo mais
propensos a falhas de dvdt e as magnitudes da sobretensatildeo do que agraves
ressonacircncias internas
h) Este graacutefico nos daacute uma visatildeo interna da ressonacircncia do transformador para
eventos de alta frequecircncia decorrentes de chaveamento sem modelagens
complexas do transformador que cujas informaccedilotildees quase nunca satildeo
disponiacuteveis
i) Assim o trabalho do engenheiro especialista em sistema de potecircncia eacute fazer
com que estas ondas de alta frequecircncia natildeo atinjam o transformador sejam
nos picos sejam nos vales
Nota
A isolaccedilatildeo dos enrolamentos pode ser Open-wound vacuum pressure impregnation (VPI) vacuum
pressure encapsulated (VPE) encapsulated and cast coil
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 20
2009 ndash USA ndash Data Center ndash 30004500 kVA
2012 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash 6000kVA - Queima de 11
transformadores
2012 ndash Brasil ndash Planta Quiacutemica ndash 138 kV ndash Queima de 1 transformador
2013 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash 6000 kVA ndash Queima de 3
transformadores
2014 ndash Brasil ndash Induacutestria de Armas ndash 138 kV ndash 1250 kVA - Queima de 1
transformador
2014 ndash Brasil ndash Industria de equipamentos Eletrocircnicos ndash 138 kV ndash Queima de 1
Transformador
2014 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash Queima de 2 transformadores um de
6000 kVA e outro de 225 kVA
2014 ndash Brasil ndash Preacutedio Comercial ndash 345 kV ndash Queima de 1 transformador -2500kVA
3 - CASOS REAIS OCORRIDOS NO BRASIL E USA
SLD 21
Considere um transformador de trecircs enrolamentos como o do unifilar seguinte
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se
o seguinte
a) Transformador seco sem carenagem
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2
HVN
uacutecle
oLV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
HV
LV1 LV2
SLD 22
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se o seguinte
b) Transformador seco com carenagem
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2 HV
Nuacutecle
o
LV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
CH-T = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o invoacutelucro
CH-TC
xM
etaacute
lica I
nvoacutelu
cro
Meio isolante = Ar
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 23
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se o seguinte
c) Transformador a oacuteleo
LV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
CH-T = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o tanque (invoacutelucro)
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2 HV
Nuacutecle
o CH-TC
xM
etaacute
lica I
nvoacutelu
cro
Meio isolante = Oacuteleo
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 24
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 25
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 26
5 - O FENOcircMENO
O FENOcircMENO
Durante o processo de interrupccedilatildeo de corrente (processo eletromagneacutetico) natildeo
se consegue variar a corrente instantaneamente em um indutor (V = L didt) pois
teria que ter uma tensatildeo infinita o que eacute impossiacutevel fisicamente Entretanto esta
tensatildeo se eleva rapidamente e carrega entatildeo as capacitacircncias com uma energia
igual a
Ou seja a energia que estava armazenada nas indutacircncias iraacute ser transferida para
as capacitacircncias ou seja como C eacute constante o aumento da energia implica no
aumento da tensatildeo
Apoacutes a interrupccedilatildeo o capacitor iraacute tentar um novo estado de equiliacutebrio no sistema e
comeccedila entatildeo a trocar energias com as indutacircncias (do novo sistema devido agrave
nova configuraccedilatildeo) no caso a bobina do transformador
Devido agraves elevadas magnitudes e valores de dVdt do processo acima
mencionado os isolamentos natildeo suportam o ldquostressrdquo danificando-se
119864119862 =1
2times 119862 times 1198812
SLD 27
O FENOcircMENO
Como descrito nas normas e literaturas pertinentes o BIL eacute um ensaio destrutivo
para impulso atmosfeacuterico que o transformador somente deveraacute suportar poucas
vezes em sua vida uacutetil
Os chaveamentos dos disjuntores inuacutemeras vezes na vida uacutetil e mesmo natildeo se
atingindo o valor do BIL devido agraves elevadas magnitudes e dVdt vai-se
envelhecendo a isolaccedilatildeo ateacute que em determinado momento a mesma poderaacute
falhar
Na praacutetica este processo eacute ateacute um pouco mais complexo pois este fenocircmeno pode
ocorrer na energizaccedilatildeo no desligamento ou devido aos re-strikes (reacendimento
do arco quando a tensatildeo de TRV-Transient Recovery Voltage ultrapassa o limite
dieleacutetrico suportaacutevel pelo meio de extinccedilatildeo do disjuntor durante a abertura) Outro
fato que corrobora para agravar o problema eacute a interrupccedilatildeo de corrente antes da
mesma atingir o zero (chop current)
A interrupccedilatildeo da corrente provoca o aumento do moacutedulo da tensatildeo na carga e o re-
strike provoca um aumento do dVdt do lado carga ou seja da frequecircncia
5 - O FENOcircMENO
SLD 28
6 - MITIGACcedilAtildeO
MITIGACcedilAtildeO
Para a mitigaccedilatildeo utilizam-se paacutera-raios e snubbers como mostrado na figura
seguinte
SLD 29
7 - MODELAGEM
MODELAGEM
a) Modelagem do sistema
Para a modelagem do sistema eacute utilizado um programa de Transitoacuterios
Eletromagneacuteticos (p ex ATP EMTP-RV etc)
b) Modelagem dos componentes do Sistema
Cabos e Linhas
Transformadores
Disjuntores
Concessionaacuteria
Paacutera-raios
Resistores de Aterramento
Capacitores
Filtros
Carga
SLD 30
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC mNBI
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Tensotildees no primaacuterio de um
transformador de 10 MVA345kV
devido a manobra de abertura de
disjuntor no instante t = 165 ms
Up = 304 kV (fase A) 1667 MHz
sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t)
factors
offsets
1
000E+00
v TRAFOA
-1
000E+00
mNBI
1
000E+00
2410 2415 2420 2425 2430 2435 2440 2445 2450[ms]
-200
-100
0
100
200
300
103
Zoom da Figura ao lado mostrando a
tensatildeo (fase A) no primaacuterio do
transformador TR-16 de 10 MVA
devido a manobra de abertura do
disjuntor do cubiacuteculo H13 no instante t
= 165 ms Up = 304 kV (fase A)
1667 MHz sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 31
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC mRD
160 175 190 205 220 235 250[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Detalhe da tensatildeo de repique(restrike)
entre os contatos dos polos do disjuntor o
Cub 5 devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms
ldquoRDrdquo refere-se a recuperaccedilatildeo do
dieleacutetrico durante a abertura do disjuntor
(36 Vμs) sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cZA -YA
236 238 240 242 244 246[ms]-1200
-800
-400
0
400
800
1200
[A]
Detalhe da corrente entre os
contatos do polo A do disjuntor do
Cub5 devido a manobra de
abertura do disjuntor no instante t =
165 ms sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 32
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
[kV]
Tensotildees no primaacuterio do transformador
de 10 MVA devido a manobra de
abertura do disjuntor do Cubiacuteculo 5 no
instante t = 165 ms Up = 482 kV
(fase B) com snubbers
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-30
-8
14
36
58
80
[kV]
Detalhe da tensatildeo entre os contatos
dos polos do disjuntor do Cub5
devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms com
snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 33
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cTRAFOA-RESA cTRAFOB-RESB
cTRAFOC-RESC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]0
15
30
45
60
75
90
[A]
Energia absorvida pelos resistores dos snubbers
Fase A = 812 J
Fase B = 257 J
Fase C = 184 J
Com snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 34
9 - ESPECIFICACcedilAtildeO
Tipo MOV
Modelo POLIM-D-36-11 ou Equivalente
Fabricante ABB SIEMENS ALSTOM TOSHIBA
Uc 36 kV
Un 45 kV
High Impulse Current 100 kA (410ms)
Nominal Discharge Current 10 kA (820ms)
Energia 36 kJkV(Uc)
Tipo Surto
Capacitacircncia Nominal 02 mF
Tensatildeo Nominal 345 kV
Frequecircncia Nominal 60 Hz
NBI 200 kV
Norma IEC 60871-12005
Sugestatildeo de Fabricantes ABB IneparIESA LAELC Alstom Nokian
Resistecircncia = 33 Ohms
Un= 345 kV
Potecircncia (Continuous) = gt 370 W
Energia = gt 60 kJ
NBI (BIL) = 200 kV
Tipo Resistor ceracircmico tubular natildeo indutivo
Sugestatildeo de Fabricantes KanthalOhmicEletele
Especificaccedilatildeo do Snubber
Paacutera-Raios
Capacitor de Surto
Resistor
SLD 35
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
a) Componentes
Devem ser de fabricantes
reconhecidos no mercado
b) Montagem
Os componentes devem ser
montados o mais proacuteximo
possiacutevel um do outro para
evitar indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
Preferecircncia para cordoalhas e
barras chatas para
interligaccedilatildeo
SLD 36
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
c) Instalaccedilatildeo
O conjunto deve ser instalado
o mais proacuteximo possiacutevel das
buchas de alta para evitar
elevadas indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
SLD 37
[01] IEEE Std C57142TM-2010
ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence and Mitigation of Switching Transients
Induced by Transformers Switching Device and System Interactionrdquo
[02] Transformer Failure due to circuit breaker induced switching transients
Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference (IampCPS) 2011
IEEE - David D Shipp Fellow IEEE Thomas J Dionise Senior Member IEEE
Visuth Lorch and Bill G MacFarlane PE Member IEEE
[03] Analysis of Integral Snubber Circuit Design for Transformers in Urban High Rise
Office Building IEEE Transactions on Industry Applications
[04] Medium-Voltage Switching Transient-Induced Potential Transformer Failures
Prediction Measurement and Practical Solutions
IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS VOL 49 NO 4
JULYAUGUST 2013 - Daniel C McDermit David D Shipp Fellow IEEE
Thomas J Dionise Senior Member IEEE and Visuth Lorch
[05] IEEE Std 1100 ndash IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding
Electronic Equipment (Emerald Book)
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 38
[06] IEEE Std 1159 ndash 1995
IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 39
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 40
httpecmwebcomcontentbasics-large-dry-type-transformers
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 4
1- MOTIVACcedilAtildeO PARA ESCREVER O ARTIGO
2- CONCEITOS BAacuteSICOS
3- COMENTAacuteRIOS DE CASOS REAIS OCORRIDOS NO BRASIL E USA
4- PRINCIPAIS PROTECcedilOtildeES CONTRA OS DISTUacuteRBIOS
5 ndash O FENOcircMENO
6 ndash MITIGACcedilAtildeO
7 - MODELAGEM
8 ndash SIMULACcedilAtildeO
9 ndash MONTAGEM E INSTALACcedilAtildeO
10- QUESTOtildeES A SEREM ANALISADAS AO INCLUIR ESTA PROTECcedilAtildeO
11- BIBLIOGRAFIA
IacuteNDICE
SLD 5
A motivaccedilatildeo para o desenvolvimento deste artigo se deve ao fato de que a
maior parte da comunidade teacutecnica ainda desconhece este fenocircmeno e assim a
ideia eacute demonstrar de uma maneira relativamente simples o fenocircmeno que
acontece o que ele pode provocar e tambeacutem as etapas para a mitigaccedilatildeo do
mesmo
1 - MOTIVACcedilAtildeO PARA ESCREVER ESTE ARTIGO
SLD 6
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
CONCEITOS BAacuteSICOS
(a) DEFINICcedilOtildeES
Capacitacircncia - Dois condutores separados por um dieleacutetrico formam
uma capacitacircncia Exemplo Os condutores de uma linha de
transmissatildeo satildeo condutores a terra eacute condutora e o ar eacute isolante e
desta forma tem-se um capacitor gigante
Capacitacircncia Proacutepria - Todos os equipamentos eleacutetricos tais como
cabos motores geradores etc satildeo constituiacutedos de condutores Estes
condutores satildeo isolados normalmente com papel verniz etc e como
satildeo instalados sobre uma parte metaacutelica forma-se o que chamamos
de capacitacircncia proacutepria do equipamento
Corrente de Charging - Eacute a corrente de fuga que circula pelas
capacitacircncias proacuteprias dos equipamentos Em sistemas trifaacutesicos
essas correntes teoricamente se anulam por estarem defasadas de
120 graus uma da outra
SLD 7
(b) REPRESENTACcedilAtildeO IDEAL DE UMA ISOLACcedilAtildeO
Quando se faz uma mediccedilatildeo com um Megocirchmetro mede-se apenas
a resistecircncia de isolamento pois a fonte do Megger eacute corrente
contiacutenua (DC) e iraacute enxergar a capacitacircncia como um circuito aberto
Para medir a capacitacircncia se faz necessaacuterio a utilizaccedilatildeo de um
Medidor de Fator de Potecircncia de Isolamento que nada mais eacute do
que um ensaio de tensatildeo de aplicada em corrente alternada (AC)
Desta maneira pode-se representar conforme figura abaixo
C R
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 8
(c) Surtos
A referecircncia [06] define os surtos de tensatildeo satildeo transitoacuterios de tensatildeo de qualquer
polaridade de duraccedilatildeo inferior a 1 ciclo que tipicamente satildeo decrescentes e
oscilatoacuterias A referecircncia [05] define o surto como um transitoacuterio de tensatildeo de
duraccedilatildeo inferior 1 ciclo evidenciada como uma breve e aguda descontinuidade na
forma de onda de tensatildeo A polaridade pode ser aditiva ou subtrativa
Dependendo da amplitude e energia dos surtos de tensatildeo os mesmos podem ser
a causa de dano e destruiccedilatildeo de componentes e equipamentos Isto acontece
quando o surto atinge valores e formas de onda proacuteximos eou acima do valor para
o qual os equipamentos satildeo testados (pex ANSI C6241-1991)
Limite de Suportabilidade do
Equipamento
Surto
kV
Tempo
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 9
(c) Surtos
Os surtos satildeo normalmente decorrentes de manobras (energizaccedilatildeo
desenergizaccedilatildeo) e tambeacutem devido agrave descargas atmosfeacutericas
Surtos de Manobra
Para o melhor entendimento do processo dos surtos de manobra a
desenergizaccedilatildeo eacute o mais faacutecil de entender e consistem em primeira instacircncia na
interrupccedilatildeo de corrente
Para se interromper a corrente eacute necessaacuterio que ela exista Em existindo esta
corrente produz energia eletromagneacutetica que eacute armazenada nas indutacircncias do
sistema sob a forma de
Poreacutem natildeo se pode variar a corrente instantaneamente em uma bobina pois isto
implicaria em um tempo zero (dt=0 na equaccedilatildeo seguinte) porque neste caso seria
necessaacuteria uma tensatildeo infinita o que eacute inexequiacutevel
119907 119905 = 119871 times119889119894(119905)
119889119905
119864119862 =1
2times 119871 times 1198682
Se dt=0 v(t) rarrinfin
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 10
(c) Surtos
Limite de Suportabilidade do
Equipamento
Surto
kV
Tempo
A tensatildeo na praacutetica natildeo atinge o infinito mas sim um valor alto (sobretensatildeo)
Apoacutes a abertura do dispositivo de manobra o sistema sai de um estado de
equiliacutebrio entra num novo estado de desequiliacutebrio energeacutetico que agora a energia
eletromagneacutetica eacute utilizada para carregar as capacitacircncias do sistema (frac12 CV2) A
sobretensatildeo da abertura carrega entatildeo os capacitores com esta tensatildeo mais
elevada que apoacutes a abertura troca energia com o indutor em cada lado do
dispositivo de manobra e oscila ateacute amortecer toda energia
Se natildeo houver onde amortecer (Resistecircncia) teoricamente a oscilaccedilatildeo natildeo
cessaria
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 11
(c) Surtos
Surtos devidos a descargas Atmosfeacutericas
Os surtos atmosfeacutericos quando caem sobre uma linha normalmente se divide em
dois I I2I2
As tensotildees que iratildeo se sobrepor agrave tensatildeo da rede seratildeo dadas por
Da mesma maneira que no chaveamento a descarga atmosfeacuterica tira o sistema
eleacutetrico do regime permanente e a nova situaccedilatildeo iraacute criar tambeacutem uma oscilaccedilatildeo
das energias armazenadas entre as capacitacircncias e a as indutacircncias do sistema
ateacute que esta energia seja dissipada por efeito Joule nas resistecircncias dos sistema
119881 = 119885119862 times119868
2ZC = Impedacircncia de Surto
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 12
(d) RESSONAcircNCIA PARALELA
Eacute sabido que as cargas natildeo lineares se
comportam como fontes de corrente
harmocircnica Nos sistemas eleacutetricos as
impedacircncias satildeo praticamente indutivas
representada pela reatacircncia das
maacutequinasequipamentos tais como
transformadores motores geradores cabos
etc Ao se introduzir um banco de capacitores
no sistema a fonte harmocircnica ldquoenxergardquo a
indutacircncia equivalente do sistema em
paralelo com a capacitacircncia como indicado
na figura seguinte visto que parte de sua
corrente vai para o sistema e parte para o
capacitor
IhC
L
Ressonacircncia Acuacutestica
Ressonacircncia pelo Vento
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 13
(d) RESSONAcircNCIA PARALELA
Ih
L
ZL =+jwL
ZC =-j [1(wC)]=-jXC
|Zh |= [XL XC ] [XL - XC ]
No plano W x w Reta pela Origem
No plano W x w Hipeacuterbole
w
W
XL
=XC
XC
=1 wC
wo
Conforme aumenta o tamanho do Capacitor
muda o ponto de ressonacircncia (Banco Autom)
XL
= wL Zh
wrsquoo
wrsquorsquoo
A fonte de corrente
harmocircnica Ih enxerga
uma impedacircncia Zh que
corresponde ao +jXL (=
jwL) em paralelo com -
jXC (= -j1wC)
Qdo XL =XC Zh LC
fLCC
L oo
ww
w2
111===
C
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 14
(d) RESSONAcircNCIA PARALELA
Mesmo com uma pequena corrente harmocircnica pode-se ter a ocorrecircncia da
ressonacircncia paralela entretanto esta ressonacircncia pode se tornar mais criacutetica
quando a frequecircncia de ressonacircncia wo (ou fo) coincidir ou ficar proacutexima de uma
frequecircncia caracteriacutestica (p ex 5 7 11 13 etc)
Caacutelculo simplificado da frequecircncia provaacutevel da ressonacircncia
A ordem da frequecircncia de ressonacircncia pode ser estimada de uma forma
simplificada atraveacutes da equaccedilatildeo abaixo
MVAr
MVAcch
EI
EI
I
I
X
E
E
Xh
X
Xh
Cf
CC
Cf
CC
Lf
Cf
Lf
Cf
=
====
3
32
h
XXh
ChLh
CL
XX
aressonacircncidecondiccedilatildeoNa
Cf
Lf
o
o
ChLh
=
=
=
=
ww
ww
1
1
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 15
(e) RESSONAcircNCIA SEacuteRIE
Sabe-se que a impedacircncia em um dado ponto pode ser escrita na forma
apresentada abaixo
Zp = R + j (XL ndash XC)
Quando XL = XC ter-se-aacute um valor de impedacircncia miacutenimo e igual a
Zp = R
Diferentemente da ressonacircncia paralela em que a impedacircncia eacute maacutexima a
impedacircncia na ressonacircncia seacuterie eacute miacutenima
0
02
04
06
08
1
12
14
0 5 10 15 20 25 30 35
Imp
eacircn
cia
(O
hm
s)
Ordem Harmocircnica
Ressonacircncia Seacuterie Trafo 1500 kVA-480V-250kVAr-535V
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 16
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Todo corpo fiacutesico possui uma ou mais frequecircncias proacuteprias a partir das quais o
mesmo pode entrar em ressonacircncia Apresenta-se a seguir um Graacutefico de Anaacutelise
do Scan de Frequecircncias de um transformador
As frequecircncias de ressonacircncia do
transformador satildeo 1087 kHz 346
kHz 4559 kHz 6002 kHz e 020
kHz Veja graacutefico ao lado
Como pode ser observado no graacutefico
fornecido pelo fabricante os mesmos
enfatizam os pontos correspondentes
os valores maacuteximos das
impedacircncias que representam as
ressonacircncias paralelas que vatildeo
causar sobretensotildees
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 17
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
A publicaccedilatildeo do IEEE Std C57142TM-2010 ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence
and Mitigation of Switching Transients Induced by Transformers Switching Device
and System Interactionrdquo [01]
Este Guia mostra a importacircncia de se
fazer a anaacutelise do Scan de Frequecircncia
enfatizando a importacircncia das
ressonacircncias seacuteries ou seja os valores
miacutenimos
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 18
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Qual das duas consideraccedilotildees eacute mais importante Ambas Veja comentaacuterio de um
dos maiores especialistas do mundo sobre o assunto
a) O Guia do IEEE C57142[01] foi a primeira boa tentativa de cobrir este assunto
b) Eu investiguei mais de 65 falhas em transformadores realizei mais de 400
estudos de transitoacuterios de chaveamento e construiacute mais de 1200 snubbers e
posso dizer que a anaacutelise do FSRA realmente nos revela muita coisa
c) O primeiro pico do graacutefico corresponde a um ponto de ressonacircncia paralela
Neste ponto ocorreraacute uma amplificaccedilatildeo da tensatildeo para as altas frequecircncias e
normalmente iraacute danificar a bucha ou as primeiras espiras do enrolamento
(curto entre espiras)
d) O primeiro vale corresponde a uma ressonacircncia seacuterie e nos diz em qual
frequecircncia ter-se-aacute frac12 onda Tipicamente resulta numa ressonacircncia interna que
danifica os enrolamentos em pontos proacuteximos a 13 da extremidade do
enrolamento a partir da bucha
e) O segundo vale tambeacutem corresponde a uma ressonacircncia seacuterie ocorrendo
uma amplificaccedilatildeo em frac34 da onda e danificando numa posiccedilatildeo proacutexima a 23
do enrolamento a partir da bucha
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 19
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Qual das duas consideraccedilotildees eacute mais importante Ambas Veja comentaacuterio de um
dos maiores especialistas do mundo sobre o assunto
f) Os transformadores enrolado em camadas (Layer Wound) e Cast Coil satildeo mais
susceptiacuteveis a essas condiccedilotildees de ressonacircncia interna
g) Transformadores de construccedilatildeo VPI (Vacuum Pressure Impregnated) satildeo mais
propensos a falhas de dvdt e as magnitudes da sobretensatildeo do que agraves
ressonacircncias internas
h) Este graacutefico nos daacute uma visatildeo interna da ressonacircncia do transformador para
eventos de alta frequecircncia decorrentes de chaveamento sem modelagens
complexas do transformador que cujas informaccedilotildees quase nunca satildeo
disponiacuteveis
i) Assim o trabalho do engenheiro especialista em sistema de potecircncia eacute fazer
com que estas ondas de alta frequecircncia natildeo atinjam o transformador sejam
nos picos sejam nos vales
Nota
A isolaccedilatildeo dos enrolamentos pode ser Open-wound vacuum pressure impregnation (VPI) vacuum
pressure encapsulated (VPE) encapsulated and cast coil
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 20
2009 ndash USA ndash Data Center ndash 30004500 kVA
2012 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash 6000kVA - Queima de 11
transformadores
2012 ndash Brasil ndash Planta Quiacutemica ndash 138 kV ndash Queima de 1 transformador
2013 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash 6000 kVA ndash Queima de 3
transformadores
2014 ndash Brasil ndash Induacutestria de Armas ndash 138 kV ndash 1250 kVA - Queima de 1
transformador
2014 ndash Brasil ndash Industria de equipamentos Eletrocircnicos ndash 138 kV ndash Queima de 1
Transformador
2014 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash Queima de 2 transformadores um de
6000 kVA e outro de 225 kVA
2014 ndash Brasil ndash Preacutedio Comercial ndash 345 kV ndash Queima de 1 transformador -2500kVA
3 - CASOS REAIS OCORRIDOS NO BRASIL E USA
SLD 21
Considere um transformador de trecircs enrolamentos como o do unifilar seguinte
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se
o seguinte
a) Transformador seco sem carenagem
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2
HVN
uacutecle
oLV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
HV
LV1 LV2
SLD 22
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se o seguinte
b) Transformador seco com carenagem
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2 HV
Nuacutecle
o
LV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
CH-T = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o invoacutelucro
CH-TC
xM
etaacute
lica I
nvoacutelu
cro
Meio isolante = Ar
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 23
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se o seguinte
c) Transformador a oacuteleo
LV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
CH-T = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o tanque (invoacutelucro)
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2 HV
Nuacutecle
o CH-TC
xM
etaacute
lica I
nvoacutelu
cro
Meio isolante = Oacuteleo
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 24
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 25
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 26
5 - O FENOcircMENO
O FENOcircMENO
Durante o processo de interrupccedilatildeo de corrente (processo eletromagneacutetico) natildeo
se consegue variar a corrente instantaneamente em um indutor (V = L didt) pois
teria que ter uma tensatildeo infinita o que eacute impossiacutevel fisicamente Entretanto esta
tensatildeo se eleva rapidamente e carrega entatildeo as capacitacircncias com uma energia
igual a
Ou seja a energia que estava armazenada nas indutacircncias iraacute ser transferida para
as capacitacircncias ou seja como C eacute constante o aumento da energia implica no
aumento da tensatildeo
Apoacutes a interrupccedilatildeo o capacitor iraacute tentar um novo estado de equiliacutebrio no sistema e
comeccedila entatildeo a trocar energias com as indutacircncias (do novo sistema devido agrave
nova configuraccedilatildeo) no caso a bobina do transformador
Devido agraves elevadas magnitudes e valores de dVdt do processo acima
mencionado os isolamentos natildeo suportam o ldquostressrdquo danificando-se
119864119862 =1
2times 119862 times 1198812
SLD 27
O FENOcircMENO
Como descrito nas normas e literaturas pertinentes o BIL eacute um ensaio destrutivo
para impulso atmosfeacuterico que o transformador somente deveraacute suportar poucas
vezes em sua vida uacutetil
Os chaveamentos dos disjuntores inuacutemeras vezes na vida uacutetil e mesmo natildeo se
atingindo o valor do BIL devido agraves elevadas magnitudes e dVdt vai-se
envelhecendo a isolaccedilatildeo ateacute que em determinado momento a mesma poderaacute
falhar
Na praacutetica este processo eacute ateacute um pouco mais complexo pois este fenocircmeno pode
ocorrer na energizaccedilatildeo no desligamento ou devido aos re-strikes (reacendimento
do arco quando a tensatildeo de TRV-Transient Recovery Voltage ultrapassa o limite
dieleacutetrico suportaacutevel pelo meio de extinccedilatildeo do disjuntor durante a abertura) Outro
fato que corrobora para agravar o problema eacute a interrupccedilatildeo de corrente antes da
mesma atingir o zero (chop current)
A interrupccedilatildeo da corrente provoca o aumento do moacutedulo da tensatildeo na carga e o re-
strike provoca um aumento do dVdt do lado carga ou seja da frequecircncia
5 - O FENOcircMENO
SLD 28
6 - MITIGACcedilAtildeO
MITIGACcedilAtildeO
Para a mitigaccedilatildeo utilizam-se paacutera-raios e snubbers como mostrado na figura
seguinte
SLD 29
7 - MODELAGEM
MODELAGEM
a) Modelagem do sistema
Para a modelagem do sistema eacute utilizado um programa de Transitoacuterios
Eletromagneacuteticos (p ex ATP EMTP-RV etc)
b) Modelagem dos componentes do Sistema
Cabos e Linhas
Transformadores
Disjuntores
Concessionaacuteria
Paacutera-raios
Resistores de Aterramento
Capacitores
Filtros
Carga
SLD 30
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC mNBI
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Tensotildees no primaacuterio de um
transformador de 10 MVA345kV
devido a manobra de abertura de
disjuntor no instante t = 165 ms
Up = 304 kV (fase A) 1667 MHz
sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t)
factors
offsets
1
000E+00
v TRAFOA
-1
000E+00
mNBI
1
000E+00
2410 2415 2420 2425 2430 2435 2440 2445 2450[ms]
-200
-100
0
100
200
300
103
Zoom da Figura ao lado mostrando a
tensatildeo (fase A) no primaacuterio do
transformador TR-16 de 10 MVA
devido a manobra de abertura do
disjuntor do cubiacuteculo H13 no instante t
= 165 ms Up = 304 kV (fase A)
1667 MHz sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 31
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC mRD
160 175 190 205 220 235 250[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Detalhe da tensatildeo de repique(restrike)
entre os contatos dos polos do disjuntor o
Cub 5 devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms
ldquoRDrdquo refere-se a recuperaccedilatildeo do
dieleacutetrico durante a abertura do disjuntor
(36 Vμs) sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cZA -YA
236 238 240 242 244 246[ms]-1200
-800
-400
0
400
800
1200
[A]
Detalhe da corrente entre os
contatos do polo A do disjuntor do
Cub5 devido a manobra de
abertura do disjuntor no instante t =
165 ms sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 32
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
[kV]
Tensotildees no primaacuterio do transformador
de 10 MVA devido a manobra de
abertura do disjuntor do Cubiacuteculo 5 no
instante t = 165 ms Up = 482 kV
(fase B) com snubbers
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-30
-8
14
36
58
80
[kV]
Detalhe da tensatildeo entre os contatos
dos polos do disjuntor do Cub5
devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms com
snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 33
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cTRAFOA-RESA cTRAFOB-RESB
cTRAFOC-RESC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]0
15
30
45
60
75
90
[A]
Energia absorvida pelos resistores dos snubbers
Fase A = 812 J
Fase B = 257 J
Fase C = 184 J
Com snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 34
9 - ESPECIFICACcedilAtildeO
Tipo MOV
Modelo POLIM-D-36-11 ou Equivalente
Fabricante ABB SIEMENS ALSTOM TOSHIBA
Uc 36 kV
Un 45 kV
High Impulse Current 100 kA (410ms)
Nominal Discharge Current 10 kA (820ms)
Energia 36 kJkV(Uc)
Tipo Surto
Capacitacircncia Nominal 02 mF
Tensatildeo Nominal 345 kV
Frequecircncia Nominal 60 Hz
NBI 200 kV
Norma IEC 60871-12005
Sugestatildeo de Fabricantes ABB IneparIESA LAELC Alstom Nokian
Resistecircncia = 33 Ohms
Un= 345 kV
Potecircncia (Continuous) = gt 370 W
Energia = gt 60 kJ
NBI (BIL) = 200 kV
Tipo Resistor ceracircmico tubular natildeo indutivo
Sugestatildeo de Fabricantes KanthalOhmicEletele
Especificaccedilatildeo do Snubber
Paacutera-Raios
Capacitor de Surto
Resistor
SLD 35
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
a) Componentes
Devem ser de fabricantes
reconhecidos no mercado
b) Montagem
Os componentes devem ser
montados o mais proacuteximo
possiacutevel um do outro para
evitar indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
Preferecircncia para cordoalhas e
barras chatas para
interligaccedilatildeo
SLD 36
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
c) Instalaccedilatildeo
O conjunto deve ser instalado
o mais proacuteximo possiacutevel das
buchas de alta para evitar
elevadas indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
SLD 37
[01] IEEE Std C57142TM-2010
ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence and Mitigation of Switching Transients
Induced by Transformers Switching Device and System Interactionrdquo
[02] Transformer Failure due to circuit breaker induced switching transients
Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference (IampCPS) 2011
IEEE - David D Shipp Fellow IEEE Thomas J Dionise Senior Member IEEE
Visuth Lorch and Bill G MacFarlane PE Member IEEE
[03] Analysis of Integral Snubber Circuit Design for Transformers in Urban High Rise
Office Building IEEE Transactions on Industry Applications
[04] Medium-Voltage Switching Transient-Induced Potential Transformer Failures
Prediction Measurement and Practical Solutions
IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS VOL 49 NO 4
JULYAUGUST 2013 - Daniel C McDermit David D Shipp Fellow IEEE
Thomas J Dionise Senior Member IEEE and Visuth Lorch
[05] IEEE Std 1100 ndash IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding
Electronic Equipment (Emerald Book)
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 38
[06] IEEE Std 1159 ndash 1995
IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 39
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 40
httpecmwebcomcontentbasics-large-dry-type-transformers
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 5
A motivaccedilatildeo para o desenvolvimento deste artigo se deve ao fato de que a
maior parte da comunidade teacutecnica ainda desconhece este fenocircmeno e assim a
ideia eacute demonstrar de uma maneira relativamente simples o fenocircmeno que
acontece o que ele pode provocar e tambeacutem as etapas para a mitigaccedilatildeo do
mesmo
1 - MOTIVACcedilAtildeO PARA ESCREVER ESTE ARTIGO
SLD 6
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
CONCEITOS BAacuteSICOS
(a) DEFINICcedilOtildeES
Capacitacircncia - Dois condutores separados por um dieleacutetrico formam
uma capacitacircncia Exemplo Os condutores de uma linha de
transmissatildeo satildeo condutores a terra eacute condutora e o ar eacute isolante e
desta forma tem-se um capacitor gigante
Capacitacircncia Proacutepria - Todos os equipamentos eleacutetricos tais como
cabos motores geradores etc satildeo constituiacutedos de condutores Estes
condutores satildeo isolados normalmente com papel verniz etc e como
satildeo instalados sobre uma parte metaacutelica forma-se o que chamamos
de capacitacircncia proacutepria do equipamento
Corrente de Charging - Eacute a corrente de fuga que circula pelas
capacitacircncias proacuteprias dos equipamentos Em sistemas trifaacutesicos
essas correntes teoricamente se anulam por estarem defasadas de
120 graus uma da outra
SLD 7
(b) REPRESENTACcedilAtildeO IDEAL DE UMA ISOLACcedilAtildeO
Quando se faz uma mediccedilatildeo com um Megocirchmetro mede-se apenas
a resistecircncia de isolamento pois a fonte do Megger eacute corrente
contiacutenua (DC) e iraacute enxergar a capacitacircncia como um circuito aberto
Para medir a capacitacircncia se faz necessaacuterio a utilizaccedilatildeo de um
Medidor de Fator de Potecircncia de Isolamento que nada mais eacute do
que um ensaio de tensatildeo de aplicada em corrente alternada (AC)
Desta maneira pode-se representar conforme figura abaixo
C R
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 8
(c) Surtos
A referecircncia [06] define os surtos de tensatildeo satildeo transitoacuterios de tensatildeo de qualquer
polaridade de duraccedilatildeo inferior a 1 ciclo que tipicamente satildeo decrescentes e
oscilatoacuterias A referecircncia [05] define o surto como um transitoacuterio de tensatildeo de
duraccedilatildeo inferior 1 ciclo evidenciada como uma breve e aguda descontinuidade na
forma de onda de tensatildeo A polaridade pode ser aditiva ou subtrativa
Dependendo da amplitude e energia dos surtos de tensatildeo os mesmos podem ser
a causa de dano e destruiccedilatildeo de componentes e equipamentos Isto acontece
quando o surto atinge valores e formas de onda proacuteximos eou acima do valor para
o qual os equipamentos satildeo testados (pex ANSI C6241-1991)
Limite de Suportabilidade do
Equipamento
Surto
kV
Tempo
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 9
(c) Surtos
Os surtos satildeo normalmente decorrentes de manobras (energizaccedilatildeo
desenergizaccedilatildeo) e tambeacutem devido agrave descargas atmosfeacutericas
Surtos de Manobra
Para o melhor entendimento do processo dos surtos de manobra a
desenergizaccedilatildeo eacute o mais faacutecil de entender e consistem em primeira instacircncia na
interrupccedilatildeo de corrente
Para se interromper a corrente eacute necessaacuterio que ela exista Em existindo esta
corrente produz energia eletromagneacutetica que eacute armazenada nas indutacircncias do
sistema sob a forma de
Poreacutem natildeo se pode variar a corrente instantaneamente em uma bobina pois isto
implicaria em um tempo zero (dt=0 na equaccedilatildeo seguinte) porque neste caso seria
necessaacuteria uma tensatildeo infinita o que eacute inexequiacutevel
119907 119905 = 119871 times119889119894(119905)
119889119905
119864119862 =1
2times 119871 times 1198682
Se dt=0 v(t) rarrinfin
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 10
(c) Surtos
Limite de Suportabilidade do
Equipamento
Surto
kV
Tempo
A tensatildeo na praacutetica natildeo atinge o infinito mas sim um valor alto (sobretensatildeo)
Apoacutes a abertura do dispositivo de manobra o sistema sai de um estado de
equiliacutebrio entra num novo estado de desequiliacutebrio energeacutetico que agora a energia
eletromagneacutetica eacute utilizada para carregar as capacitacircncias do sistema (frac12 CV2) A
sobretensatildeo da abertura carrega entatildeo os capacitores com esta tensatildeo mais
elevada que apoacutes a abertura troca energia com o indutor em cada lado do
dispositivo de manobra e oscila ateacute amortecer toda energia
Se natildeo houver onde amortecer (Resistecircncia) teoricamente a oscilaccedilatildeo natildeo
cessaria
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 11
(c) Surtos
Surtos devidos a descargas Atmosfeacutericas
Os surtos atmosfeacutericos quando caem sobre uma linha normalmente se divide em
dois I I2I2
As tensotildees que iratildeo se sobrepor agrave tensatildeo da rede seratildeo dadas por
Da mesma maneira que no chaveamento a descarga atmosfeacuterica tira o sistema
eleacutetrico do regime permanente e a nova situaccedilatildeo iraacute criar tambeacutem uma oscilaccedilatildeo
das energias armazenadas entre as capacitacircncias e a as indutacircncias do sistema
ateacute que esta energia seja dissipada por efeito Joule nas resistecircncias dos sistema
119881 = 119885119862 times119868
2ZC = Impedacircncia de Surto
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 12
(d) RESSONAcircNCIA PARALELA
Eacute sabido que as cargas natildeo lineares se
comportam como fontes de corrente
harmocircnica Nos sistemas eleacutetricos as
impedacircncias satildeo praticamente indutivas
representada pela reatacircncia das
maacutequinasequipamentos tais como
transformadores motores geradores cabos
etc Ao se introduzir um banco de capacitores
no sistema a fonte harmocircnica ldquoenxergardquo a
indutacircncia equivalente do sistema em
paralelo com a capacitacircncia como indicado
na figura seguinte visto que parte de sua
corrente vai para o sistema e parte para o
capacitor
IhC
L
Ressonacircncia Acuacutestica
Ressonacircncia pelo Vento
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 13
(d) RESSONAcircNCIA PARALELA
Ih
L
ZL =+jwL
ZC =-j [1(wC)]=-jXC
|Zh |= [XL XC ] [XL - XC ]
No plano W x w Reta pela Origem
No plano W x w Hipeacuterbole
w
W
XL
=XC
XC
=1 wC
wo
Conforme aumenta o tamanho do Capacitor
muda o ponto de ressonacircncia (Banco Autom)
XL
= wL Zh
wrsquoo
wrsquorsquoo
A fonte de corrente
harmocircnica Ih enxerga
uma impedacircncia Zh que
corresponde ao +jXL (=
jwL) em paralelo com -
jXC (= -j1wC)
Qdo XL =XC Zh LC
fLCC
L oo
ww
w2
111===
C
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 14
(d) RESSONAcircNCIA PARALELA
Mesmo com uma pequena corrente harmocircnica pode-se ter a ocorrecircncia da
ressonacircncia paralela entretanto esta ressonacircncia pode se tornar mais criacutetica
quando a frequecircncia de ressonacircncia wo (ou fo) coincidir ou ficar proacutexima de uma
frequecircncia caracteriacutestica (p ex 5 7 11 13 etc)
Caacutelculo simplificado da frequecircncia provaacutevel da ressonacircncia
A ordem da frequecircncia de ressonacircncia pode ser estimada de uma forma
simplificada atraveacutes da equaccedilatildeo abaixo
MVAr
MVAcch
EI
EI
I
I
X
E
E
Xh
X
Xh
Cf
CC
Cf
CC
Lf
Cf
Lf
Cf
=
====
3
32
h
XXh
ChLh
CL
XX
aressonacircncidecondiccedilatildeoNa
Cf
Lf
o
o
ChLh
=
=
=
=
ww
ww
1
1
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 15
(e) RESSONAcircNCIA SEacuteRIE
Sabe-se que a impedacircncia em um dado ponto pode ser escrita na forma
apresentada abaixo
Zp = R + j (XL ndash XC)
Quando XL = XC ter-se-aacute um valor de impedacircncia miacutenimo e igual a
Zp = R
Diferentemente da ressonacircncia paralela em que a impedacircncia eacute maacutexima a
impedacircncia na ressonacircncia seacuterie eacute miacutenima
0
02
04
06
08
1
12
14
0 5 10 15 20 25 30 35
Imp
eacircn
cia
(O
hm
s)
Ordem Harmocircnica
Ressonacircncia Seacuterie Trafo 1500 kVA-480V-250kVAr-535V
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 16
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Todo corpo fiacutesico possui uma ou mais frequecircncias proacuteprias a partir das quais o
mesmo pode entrar em ressonacircncia Apresenta-se a seguir um Graacutefico de Anaacutelise
do Scan de Frequecircncias de um transformador
As frequecircncias de ressonacircncia do
transformador satildeo 1087 kHz 346
kHz 4559 kHz 6002 kHz e 020
kHz Veja graacutefico ao lado
Como pode ser observado no graacutefico
fornecido pelo fabricante os mesmos
enfatizam os pontos correspondentes
os valores maacuteximos das
impedacircncias que representam as
ressonacircncias paralelas que vatildeo
causar sobretensotildees
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 17
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
A publicaccedilatildeo do IEEE Std C57142TM-2010 ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence
and Mitigation of Switching Transients Induced by Transformers Switching Device
and System Interactionrdquo [01]
Este Guia mostra a importacircncia de se
fazer a anaacutelise do Scan de Frequecircncia
enfatizando a importacircncia das
ressonacircncias seacuteries ou seja os valores
miacutenimos
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 18
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Qual das duas consideraccedilotildees eacute mais importante Ambas Veja comentaacuterio de um
dos maiores especialistas do mundo sobre o assunto
a) O Guia do IEEE C57142[01] foi a primeira boa tentativa de cobrir este assunto
b) Eu investiguei mais de 65 falhas em transformadores realizei mais de 400
estudos de transitoacuterios de chaveamento e construiacute mais de 1200 snubbers e
posso dizer que a anaacutelise do FSRA realmente nos revela muita coisa
c) O primeiro pico do graacutefico corresponde a um ponto de ressonacircncia paralela
Neste ponto ocorreraacute uma amplificaccedilatildeo da tensatildeo para as altas frequecircncias e
normalmente iraacute danificar a bucha ou as primeiras espiras do enrolamento
(curto entre espiras)
d) O primeiro vale corresponde a uma ressonacircncia seacuterie e nos diz em qual
frequecircncia ter-se-aacute frac12 onda Tipicamente resulta numa ressonacircncia interna que
danifica os enrolamentos em pontos proacuteximos a 13 da extremidade do
enrolamento a partir da bucha
e) O segundo vale tambeacutem corresponde a uma ressonacircncia seacuterie ocorrendo
uma amplificaccedilatildeo em frac34 da onda e danificando numa posiccedilatildeo proacutexima a 23
do enrolamento a partir da bucha
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 19
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Qual das duas consideraccedilotildees eacute mais importante Ambas Veja comentaacuterio de um
dos maiores especialistas do mundo sobre o assunto
f) Os transformadores enrolado em camadas (Layer Wound) e Cast Coil satildeo mais
susceptiacuteveis a essas condiccedilotildees de ressonacircncia interna
g) Transformadores de construccedilatildeo VPI (Vacuum Pressure Impregnated) satildeo mais
propensos a falhas de dvdt e as magnitudes da sobretensatildeo do que agraves
ressonacircncias internas
h) Este graacutefico nos daacute uma visatildeo interna da ressonacircncia do transformador para
eventos de alta frequecircncia decorrentes de chaveamento sem modelagens
complexas do transformador que cujas informaccedilotildees quase nunca satildeo
disponiacuteveis
i) Assim o trabalho do engenheiro especialista em sistema de potecircncia eacute fazer
com que estas ondas de alta frequecircncia natildeo atinjam o transformador sejam
nos picos sejam nos vales
Nota
A isolaccedilatildeo dos enrolamentos pode ser Open-wound vacuum pressure impregnation (VPI) vacuum
pressure encapsulated (VPE) encapsulated and cast coil
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 20
2009 ndash USA ndash Data Center ndash 30004500 kVA
2012 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash 6000kVA - Queima de 11
transformadores
2012 ndash Brasil ndash Planta Quiacutemica ndash 138 kV ndash Queima de 1 transformador
2013 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash 6000 kVA ndash Queima de 3
transformadores
2014 ndash Brasil ndash Induacutestria de Armas ndash 138 kV ndash 1250 kVA - Queima de 1
transformador
2014 ndash Brasil ndash Industria de equipamentos Eletrocircnicos ndash 138 kV ndash Queima de 1
Transformador
2014 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash Queima de 2 transformadores um de
6000 kVA e outro de 225 kVA
2014 ndash Brasil ndash Preacutedio Comercial ndash 345 kV ndash Queima de 1 transformador -2500kVA
3 - CASOS REAIS OCORRIDOS NO BRASIL E USA
SLD 21
Considere um transformador de trecircs enrolamentos como o do unifilar seguinte
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se
o seguinte
a) Transformador seco sem carenagem
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2
HVN
uacutecle
oLV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
HV
LV1 LV2
SLD 22
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se o seguinte
b) Transformador seco com carenagem
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2 HV
Nuacutecle
o
LV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
CH-T = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o invoacutelucro
CH-TC
xM
etaacute
lica I
nvoacutelu
cro
Meio isolante = Ar
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 23
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se o seguinte
c) Transformador a oacuteleo
LV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
CH-T = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o tanque (invoacutelucro)
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2 HV
Nuacutecle
o CH-TC
xM
etaacute
lica I
nvoacutelu
cro
Meio isolante = Oacuteleo
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 24
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 25
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 26
5 - O FENOcircMENO
O FENOcircMENO
Durante o processo de interrupccedilatildeo de corrente (processo eletromagneacutetico) natildeo
se consegue variar a corrente instantaneamente em um indutor (V = L didt) pois
teria que ter uma tensatildeo infinita o que eacute impossiacutevel fisicamente Entretanto esta
tensatildeo se eleva rapidamente e carrega entatildeo as capacitacircncias com uma energia
igual a
Ou seja a energia que estava armazenada nas indutacircncias iraacute ser transferida para
as capacitacircncias ou seja como C eacute constante o aumento da energia implica no
aumento da tensatildeo
Apoacutes a interrupccedilatildeo o capacitor iraacute tentar um novo estado de equiliacutebrio no sistema e
comeccedila entatildeo a trocar energias com as indutacircncias (do novo sistema devido agrave
nova configuraccedilatildeo) no caso a bobina do transformador
Devido agraves elevadas magnitudes e valores de dVdt do processo acima
mencionado os isolamentos natildeo suportam o ldquostressrdquo danificando-se
119864119862 =1
2times 119862 times 1198812
SLD 27
O FENOcircMENO
Como descrito nas normas e literaturas pertinentes o BIL eacute um ensaio destrutivo
para impulso atmosfeacuterico que o transformador somente deveraacute suportar poucas
vezes em sua vida uacutetil
Os chaveamentos dos disjuntores inuacutemeras vezes na vida uacutetil e mesmo natildeo se
atingindo o valor do BIL devido agraves elevadas magnitudes e dVdt vai-se
envelhecendo a isolaccedilatildeo ateacute que em determinado momento a mesma poderaacute
falhar
Na praacutetica este processo eacute ateacute um pouco mais complexo pois este fenocircmeno pode
ocorrer na energizaccedilatildeo no desligamento ou devido aos re-strikes (reacendimento
do arco quando a tensatildeo de TRV-Transient Recovery Voltage ultrapassa o limite
dieleacutetrico suportaacutevel pelo meio de extinccedilatildeo do disjuntor durante a abertura) Outro
fato que corrobora para agravar o problema eacute a interrupccedilatildeo de corrente antes da
mesma atingir o zero (chop current)
A interrupccedilatildeo da corrente provoca o aumento do moacutedulo da tensatildeo na carga e o re-
strike provoca um aumento do dVdt do lado carga ou seja da frequecircncia
5 - O FENOcircMENO
SLD 28
6 - MITIGACcedilAtildeO
MITIGACcedilAtildeO
Para a mitigaccedilatildeo utilizam-se paacutera-raios e snubbers como mostrado na figura
seguinte
SLD 29
7 - MODELAGEM
MODELAGEM
a) Modelagem do sistema
Para a modelagem do sistema eacute utilizado um programa de Transitoacuterios
Eletromagneacuteticos (p ex ATP EMTP-RV etc)
b) Modelagem dos componentes do Sistema
Cabos e Linhas
Transformadores
Disjuntores
Concessionaacuteria
Paacutera-raios
Resistores de Aterramento
Capacitores
Filtros
Carga
SLD 30
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC mNBI
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Tensotildees no primaacuterio de um
transformador de 10 MVA345kV
devido a manobra de abertura de
disjuntor no instante t = 165 ms
Up = 304 kV (fase A) 1667 MHz
sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t)
factors
offsets
1
000E+00
v TRAFOA
-1
000E+00
mNBI
1
000E+00
2410 2415 2420 2425 2430 2435 2440 2445 2450[ms]
-200
-100
0
100
200
300
103
Zoom da Figura ao lado mostrando a
tensatildeo (fase A) no primaacuterio do
transformador TR-16 de 10 MVA
devido a manobra de abertura do
disjuntor do cubiacuteculo H13 no instante t
= 165 ms Up = 304 kV (fase A)
1667 MHz sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 31
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC mRD
160 175 190 205 220 235 250[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Detalhe da tensatildeo de repique(restrike)
entre os contatos dos polos do disjuntor o
Cub 5 devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms
ldquoRDrdquo refere-se a recuperaccedilatildeo do
dieleacutetrico durante a abertura do disjuntor
(36 Vμs) sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cZA -YA
236 238 240 242 244 246[ms]-1200
-800
-400
0
400
800
1200
[A]
Detalhe da corrente entre os
contatos do polo A do disjuntor do
Cub5 devido a manobra de
abertura do disjuntor no instante t =
165 ms sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 32
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
[kV]
Tensotildees no primaacuterio do transformador
de 10 MVA devido a manobra de
abertura do disjuntor do Cubiacuteculo 5 no
instante t = 165 ms Up = 482 kV
(fase B) com snubbers
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-30
-8
14
36
58
80
[kV]
Detalhe da tensatildeo entre os contatos
dos polos do disjuntor do Cub5
devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms com
snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 33
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cTRAFOA-RESA cTRAFOB-RESB
cTRAFOC-RESC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]0
15
30
45
60
75
90
[A]
Energia absorvida pelos resistores dos snubbers
Fase A = 812 J
Fase B = 257 J
Fase C = 184 J
Com snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 34
9 - ESPECIFICACcedilAtildeO
Tipo MOV
Modelo POLIM-D-36-11 ou Equivalente
Fabricante ABB SIEMENS ALSTOM TOSHIBA
Uc 36 kV
Un 45 kV
High Impulse Current 100 kA (410ms)
Nominal Discharge Current 10 kA (820ms)
Energia 36 kJkV(Uc)
Tipo Surto
Capacitacircncia Nominal 02 mF
Tensatildeo Nominal 345 kV
Frequecircncia Nominal 60 Hz
NBI 200 kV
Norma IEC 60871-12005
Sugestatildeo de Fabricantes ABB IneparIESA LAELC Alstom Nokian
Resistecircncia = 33 Ohms
Un= 345 kV
Potecircncia (Continuous) = gt 370 W
Energia = gt 60 kJ
NBI (BIL) = 200 kV
Tipo Resistor ceracircmico tubular natildeo indutivo
Sugestatildeo de Fabricantes KanthalOhmicEletele
Especificaccedilatildeo do Snubber
Paacutera-Raios
Capacitor de Surto
Resistor
SLD 35
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
a) Componentes
Devem ser de fabricantes
reconhecidos no mercado
b) Montagem
Os componentes devem ser
montados o mais proacuteximo
possiacutevel um do outro para
evitar indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
Preferecircncia para cordoalhas e
barras chatas para
interligaccedilatildeo
SLD 36
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
c) Instalaccedilatildeo
O conjunto deve ser instalado
o mais proacuteximo possiacutevel das
buchas de alta para evitar
elevadas indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
SLD 37
[01] IEEE Std C57142TM-2010
ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence and Mitigation of Switching Transients
Induced by Transformers Switching Device and System Interactionrdquo
[02] Transformer Failure due to circuit breaker induced switching transients
Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference (IampCPS) 2011
IEEE - David D Shipp Fellow IEEE Thomas J Dionise Senior Member IEEE
Visuth Lorch and Bill G MacFarlane PE Member IEEE
[03] Analysis of Integral Snubber Circuit Design for Transformers in Urban High Rise
Office Building IEEE Transactions on Industry Applications
[04] Medium-Voltage Switching Transient-Induced Potential Transformer Failures
Prediction Measurement and Practical Solutions
IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS VOL 49 NO 4
JULYAUGUST 2013 - Daniel C McDermit David D Shipp Fellow IEEE
Thomas J Dionise Senior Member IEEE and Visuth Lorch
[05] IEEE Std 1100 ndash IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding
Electronic Equipment (Emerald Book)
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 38
[06] IEEE Std 1159 ndash 1995
IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 39
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 40
httpecmwebcomcontentbasics-large-dry-type-transformers
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 6
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
CONCEITOS BAacuteSICOS
(a) DEFINICcedilOtildeES
Capacitacircncia - Dois condutores separados por um dieleacutetrico formam
uma capacitacircncia Exemplo Os condutores de uma linha de
transmissatildeo satildeo condutores a terra eacute condutora e o ar eacute isolante e
desta forma tem-se um capacitor gigante
Capacitacircncia Proacutepria - Todos os equipamentos eleacutetricos tais como
cabos motores geradores etc satildeo constituiacutedos de condutores Estes
condutores satildeo isolados normalmente com papel verniz etc e como
satildeo instalados sobre uma parte metaacutelica forma-se o que chamamos
de capacitacircncia proacutepria do equipamento
Corrente de Charging - Eacute a corrente de fuga que circula pelas
capacitacircncias proacuteprias dos equipamentos Em sistemas trifaacutesicos
essas correntes teoricamente se anulam por estarem defasadas de
120 graus uma da outra
SLD 7
(b) REPRESENTACcedilAtildeO IDEAL DE UMA ISOLACcedilAtildeO
Quando se faz uma mediccedilatildeo com um Megocirchmetro mede-se apenas
a resistecircncia de isolamento pois a fonte do Megger eacute corrente
contiacutenua (DC) e iraacute enxergar a capacitacircncia como um circuito aberto
Para medir a capacitacircncia se faz necessaacuterio a utilizaccedilatildeo de um
Medidor de Fator de Potecircncia de Isolamento que nada mais eacute do
que um ensaio de tensatildeo de aplicada em corrente alternada (AC)
Desta maneira pode-se representar conforme figura abaixo
C R
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 8
(c) Surtos
A referecircncia [06] define os surtos de tensatildeo satildeo transitoacuterios de tensatildeo de qualquer
polaridade de duraccedilatildeo inferior a 1 ciclo que tipicamente satildeo decrescentes e
oscilatoacuterias A referecircncia [05] define o surto como um transitoacuterio de tensatildeo de
duraccedilatildeo inferior 1 ciclo evidenciada como uma breve e aguda descontinuidade na
forma de onda de tensatildeo A polaridade pode ser aditiva ou subtrativa
Dependendo da amplitude e energia dos surtos de tensatildeo os mesmos podem ser
a causa de dano e destruiccedilatildeo de componentes e equipamentos Isto acontece
quando o surto atinge valores e formas de onda proacuteximos eou acima do valor para
o qual os equipamentos satildeo testados (pex ANSI C6241-1991)
Limite de Suportabilidade do
Equipamento
Surto
kV
Tempo
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 9
(c) Surtos
Os surtos satildeo normalmente decorrentes de manobras (energizaccedilatildeo
desenergizaccedilatildeo) e tambeacutem devido agrave descargas atmosfeacutericas
Surtos de Manobra
Para o melhor entendimento do processo dos surtos de manobra a
desenergizaccedilatildeo eacute o mais faacutecil de entender e consistem em primeira instacircncia na
interrupccedilatildeo de corrente
Para se interromper a corrente eacute necessaacuterio que ela exista Em existindo esta
corrente produz energia eletromagneacutetica que eacute armazenada nas indutacircncias do
sistema sob a forma de
Poreacutem natildeo se pode variar a corrente instantaneamente em uma bobina pois isto
implicaria em um tempo zero (dt=0 na equaccedilatildeo seguinte) porque neste caso seria
necessaacuteria uma tensatildeo infinita o que eacute inexequiacutevel
119907 119905 = 119871 times119889119894(119905)
119889119905
119864119862 =1
2times 119871 times 1198682
Se dt=0 v(t) rarrinfin
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 10
(c) Surtos
Limite de Suportabilidade do
Equipamento
Surto
kV
Tempo
A tensatildeo na praacutetica natildeo atinge o infinito mas sim um valor alto (sobretensatildeo)
Apoacutes a abertura do dispositivo de manobra o sistema sai de um estado de
equiliacutebrio entra num novo estado de desequiliacutebrio energeacutetico que agora a energia
eletromagneacutetica eacute utilizada para carregar as capacitacircncias do sistema (frac12 CV2) A
sobretensatildeo da abertura carrega entatildeo os capacitores com esta tensatildeo mais
elevada que apoacutes a abertura troca energia com o indutor em cada lado do
dispositivo de manobra e oscila ateacute amortecer toda energia
Se natildeo houver onde amortecer (Resistecircncia) teoricamente a oscilaccedilatildeo natildeo
cessaria
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 11
(c) Surtos
Surtos devidos a descargas Atmosfeacutericas
Os surtos atmosfeacutericos quando caem sobre uma linha normalmente se divide em
dois I I2I2
As tensotildees que iratildeo se sobrepor agrave tensatildeo da rede seratildeo dadas por
Da mesma maneira que no chaveamento a descarga atmosfeacuterica tira o sistema
eleacutetrico do regime permanente e a nova situaccedilatildeo iraacute criar tambeacutem uma oscilaccedilatildeo
das energias armazenadas entre as capacitacircncias e a as indutacircncias do sistema
ateacute que esta energia seja dissipada por efeito Joule nas resistecircncias dos sistema
119881 = 119885119862 times119868
2ZC = Impedacircncia de Surto
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 12
(d) RESSONAcircNCIA PARALELA
Eacute sabido que as cargas natildeo lineares se
comportam como fontes de corrente
harmocircnica Nos sistemas eleacutetricos as
impedacircncias satildeo praticamente indutivas
representada pela reatacircncia das
maacutequinasequipamentos tais como
transformadores motores geradores cabos
etc Ao se introduzir um banco de capacitores
no sistema a fonte harmocircnica ldquoenxergardquo a
indutacircncia equivalente do sistema em
paralelo com a capacitacircncia como indicado
na figura seguinte visto que parte de sua
corrente vai para o sistema e parte para o
capacitor
IhC
L
Ressonacircncia Acuacutestica
Ressonacircncia pelo Vento
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 13
(d) RESSONAcircNCIA PARALELA
Ih
L
ZL =+jwL
ZC =-j [1(wC)]=-jXC
|Zh |= [XL XC ] [XL - XC ]
No plano W x w Reta pela Origem
No plano W x w Hipeacuterbole
w
W
XL
=XC
XC
=1 wC
wo
Conforme aumenta o tamanho do Capacitor
muda o ponto de ressonacircncia (Banco Autom)
XL
= wL Zh
wrsquoo
wrsquorsquoo
A fonte de corrente
harmocircnica Ih enxerga
uma impedacircncia Zh que
corresponde ao +jXL (=
jwL) em paralelo com -
jXC (= -j1wC)
Qdo XL =XC Zh LC
fLCC
L oo
ww
w2
111===
C
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 14
(d) RESSONAcircNCIA PARALELA
Mesmo com uma pequena corrente harmocircnica pode-se ter a ocorrecircncia da
ressonacircncia paralela entretanto esta ressonacircncia pode se tornar mais criacutetica
quando a frequecircncia de ressonacircncia wo (ou fo) coincidir ou ficar proacutexima de uma
frequecircncia caracteriacutestica (p ex 5 7 11 13 etc)
Caacutelculo simplificado da frequecircncia provaacutevel da ressonacircncia
A ordem da frequecircncia de ressonacircncia pode ser estimada de uma forma
simplificada atraveacutes da equaccedilatildeo abaixo
MVAr
MVAcch
EI
EI
I
I
X
E
E
Xh
X
Xh
Cf
CC
Cf
CC
Lf
Cf
Lf
Cf
=
====
3
32
h
XXh
ChLh
CL
XX
aressonacircncidecondiccedilatildeoNa
Cf
Lf
o
o
ChLh
=
=
=
=
ww
ww
1
1
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 15
(e) RESSONAcircNCIA SEacuteRIE
Sabe-se que a impedacircncia em um dado ponto pode ser escrita na forma
apresentada abaixo
Zp = R + j (XL ndash XC)
Quando XL = XC ter-se-aacute um valor de impedacircncia miacutenimo e igual a
Zp = R
Diferentemente da ressonacircncia paralela em que a impedacircncia eacute maacutexima a
impedacircncia na ressonacircncia seacuterie eacute miacutenima
0
02
04
06
08
1
12
14
0 5 10 15 20 25 30 35
Imp
eacircn
cia
(O
hm
s)
Ordem Harmocircnica
Ressonacircncia Seacuterie Trafo 1500 kVA-480V-250kVAr-535V
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 16
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Todo corpo fiacutesico possui uma ou mais frequecircncias proacuteprias a partir das quais o
mesmo pode entrar em ressonacircncia Apresenta-se a seguir um Graacutefico de Anaacutelise
do Scan de Frequecircncias de um transformador
As frequecircncias de ressonacircncia do
transformador satildeo 1087 kHz 346
kHz 4559 kHz 6002 kHz e 020
kHz Veja graacutefico ao lado
Como pode ser observado no graacutefico
fornecido pelo fabricante os mesmos
enfatizam os pontos correspondentes
os valores maacuteximos das
impedacircncias que representam as
ressonacircncias paralelas que vatildeo
causar sobretensotildees
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 17
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
A publicaccedilatildeo do IEEE Std C57142TM-2010 ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence
and Mitigation of Switching Transients Induced by Transformers Switching Device
and System Interactionrdquo [01]
Este Guia mostra a importacircncia de se
fazer a anaacutelise do Scan de Frequecircncia
enfatizando a importacircncia das
ressonacircncias seacuteries ou seja os valores
miacutenimos
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 18
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Qual das duas consideraccedilotildees eacute mais importante Ambas Veja comentaacuterio de um
dos maiores especialistas do mundo sobre o assunto
a) O Guia do IEEE C57142[01] foi a primeira boa tentativa de cobrir este assunto
b) Eu investiguei mais de 65 falhas em transformadores realizei mais de 400
estudos de transitoacuterios de chaveamento e construiacute mais de 1200 snubbers e
posso dizer que a anaacutelise do FSRA realmente nos revela muita coisa
c) O primeiro pico do graacutefico corresponde a um ponto de ressonacircncia paralela
Neste ponto ocorreraacute uma amplificaccedilatildeo da tensatildeo para as altas frequecircncias e
normalmente iraacute danificar a bucha ou as primeiras espiras do enrolamento
(curto entre espiras)
d) O primeiro vale corresponde a uma ressonacircncia seacuterie e nos diz em qual
frequecircncia ter-se-aacute frac12 onda Tipicamente resulta numa ressonacircncia interna que
danifica os enrolamentos em pontos proacuteximos a 13 da extremidade do
enrolamento a partir da bucha
e) O segundo vale tambeacutem corresponde a uma ressonacircncia seacuterie ocorrendo
uma amplificaccedilatildeo em frac34 da onda e danificando numa posiccedilatildeo proacutexima a 23
do enrolamento a partir da bucha
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 19
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Qual das duas consideraccedilotildees eacute mais importante Ambas Veja comentaacuterio de um
dos maiores especialistas do mundo sobre o assunto
f) Os transformadores enrolado em camadas (Layer Wound) e Cast Coil satildeo mais
susceptiacuteveis a essas condiccedilotildees de ressonacircncia interna
g) Transformadores de construccedilatildeo VPI (Vacuum Pressure Impregnated) satildeo mais
propensos a falhas de dvdt e as magnitudes da sobretensatildeo do que agraves
ressonacircncias internas
h) Este graacutefico nos daacute uma visatildeo interna da ressonacircncia do transformador para
eventos de alta frequecircncia decorrentes de chaveamento sem modelagens
complexas do transformador que cujas informaccedilotildees quase nunca satildeo
disponiacuteveis
i) Assim o trabalho do engenheiro especialista em sistema de potecircncia eacute fazer
com que estas ondas de alta frequecircncia natildeo atinjam o transformador sejam
nos picos sejam nos vales
Nota
A isolaccedilatildeo dos enrolamentos pode ser Open-wound vacuum pressure impregnation (VPI) vacuum
pressure encapsulated (VPE) encapsulated and cast coil
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 20
2009 ndash USA ndash Data Center ndash 30004500 kVA
2012 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash 6000kVA - Queima de 11
transformadores
2012 ndash Brasil ndash Planta Quiacutemica ndash 138 kV ndash Queima de 1 transformador
2013 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash 6000 kVA ndash Queima de 3
transformadores
2014 ndash Brasil ndash Induacutestria de Armas ndash 138 kV ndash 1250 kVA - Queima de 1
transformador
2014 ndash Brasil ndash Industria de equipamentos Eletrocircnicos ndash 138 kV ndash Queima de 1
Transformador
2014 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash Queima de 2 transformadores um de
6000 kVA e outro de 225 kVA
2014 ndash Brasil ndash Preacutedio Comercial ndash 345 kV ndash Queima de 1 transformador -2500kVA
3 - CASOS REAIS OCORRIDOS NO BRASIL E USA
SLD 21
Considere um transformador de trecircs enrolamentos como o do unifilar seguinte
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se
o seguinte
a) Transformador seco sem carenagem
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2
HVN
uacutecle
oLV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
HV
LV1 LV2
SLD 22
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se o seguinte
b) Transformador seco com carenagem
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2 HV
Nuacutecle
o
LV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
CH-T = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o invoacutelucro
CH-TC
xM
etaacute
lica I
nvoacutelu
cro
Meio isolante = Ar
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 23
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se o seguinte
c) Transformador a oacuteleo
LV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
CH-T = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o tanque (invoacutelucro)
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2 HV
Nuacutecle
o CH-TC
xM
etaacute
lica I
nvoacutelu
cro
Meio isolante = Oacuteleo
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 24
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 25
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 26
5 - O FENOcircMENO
O FENOcircMENO
Durante o processo de interrupccedilatildeo de corrente (processo eletromagneacutetico) natildeo
se consegue variar a corrente instantaneamente em um indutor (V = L didt) pois
teria que ter uma tensatildeo infinita o que eacute impossiacutevel fisicamente Entretanto esta
tensatildeo se eleva rapidamente e carrega entatildeo as capacitacircncias com uma energia
igual a
Ou seja a energia que estava armazenada nas indutacircncias iraacute ser transferida para
as capacitacircncias ou seja como C eacute constante o aumento da energia implica no
aumento da tensatildeo
Apoacutes a interrupccedilatildeo o capacitor iraacute tentar um novo estado de equiliacutebrio no sistema e
comeccedila entatildeo a trocar energias com as indutacircncias (do novo sistema devido agrave
nova configuraccedilatildeo) no caso a bobina do transformador
Devido agraves elevadas magnitudes e valores de dVdt do processo acima
mencionado os isolamentos natildeo suportam o ldquostressrdquo danificando-se
119864119862 =1
2times 119862 times 1198812
SLD 27
O FENOcircMENO
Como descrito nas normas e literaturas pertinentes o BIL eacute um ensaio destrutivo
para impulso atmosfeacuterico que o transformador somente deveraacute suportar poucas
vezes em sua vida uacutetil
Os chaveamentos dos disjuntores inuacutemeras vezes na vida uacutetil e mesmo natildeo se
atingindo o valor do BIL devido agraves elevadas magnitudes e dVdt vai-se
envelhecendo a isolaccedilatildeo ateacute que em determinado momento a mesma poderaacute
falhar
Na praacutetica este processo eacute ateacute um pouco mais complexo pois este fenocircmeno pode
ocorrer na energizaccedilatildeo no desligamento ou devido aos re-strikes (reacendimento
do arco quando a tensatildeo de TRV-Transient Recovery Voltage ultrapassa o limite
dieleacutetrico suportaacutevel pelo meio de extinccedilatildeo do disjuntor durante a abertura) Outro
fato que corrobora para agravar o problema eacute a interrupccedilatildeo de corrente antes da
mesma atingir o zero (chop current)
A interrupccedilatildeo da corrente provoca o aumento do moacutedulo da tensatildeo na carga e o re-
strike provoca um aumento do dVdt do lado carga ou seja da frequecircncia
5 - O FENOcircMENO
SLD 28
6 - MITIGACcedilAtildeO
MITIGACcedilAtildeO
Para a mitigaccedilatildeo utilizam-se paacutera-raios e snubbers como mostrado na figura
seguinte
SLD 29
7 - MODELAGEM
MODELAGEM
a) Modelagem do sistema
Para a modelagem do sistema eacute utilizado um programa de Transitoacuterios
Eletromagneacuteticos (p ex ATP EMTP-RV etc)
b) Modelagem dos componentes do Sistema
Cabos e Linhas
Transformadores
Disjuntores
Concessionaacuteria
Paacutera-raios
Resistores de Aterramento
Capacitores
Filtros
Carga
SLD 30
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC mNBI
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Tensotildees no primaacuterio de um
transformador de 10 MVA345kV
devido a manobra de abertura de
disjuntor no instante t = 165 ms
Up = 304 kV (fase A) 1667 MHz
sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t)
factors
offsets
1
000E+00
v TRAFOA
-1
000E+00
mNBI
1
000E+00
2410 2415 2420 2425 2430 2435 2440 2445 2450[ms]
-200
-100
0
100
200
300
103
Zoom da Figura ao lado mostrando a
tensatildeo (fase A) no primaacuterio do
transformador TR-16 de 10 MVA
devido a manobra de abertura do
disjuntor do cubiacuteculo H13 no instante t
= 165 ms Up = 304 kV (fase A)
1667 MHz sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 31
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC mRD
160 175 190 205 220 235 250[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Detalhe da tensatildeo de repique(restrike)
entre os contatos dos polos do disjuntor o
Cub 5 devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms
ldquoRDrdquo refere-se a recuperaccedilatildeo do
dieleacutetrico durante a abertura do disjuntor
(36 Vμs) sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cZA -YA
236 238 240 242 244 246[ms]-1200
-800
-400
0
400
800
1200
[A]
Detalhe da corrente entre os
contatos do polo A do disjuntor do
Cub5 devido a manobra de
abertura do disjuntor no instante t =
165 ms sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 32
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
[kV]
Tensotildees no primaacuterio do transformador
de 10 MVA devido a manobra de
abertura do disjuntor do Cubiacuteculo 5 no
instante t = 165 ms Up = 482 kV
(fase B) com snubbers
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-30
-8
14
36
58
80
[kV]
Detalhe da tensatildeo entre os contatos
dos polos do disjuntor do Cub5
devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms com
snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 33
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cTRAFOA-RESA cTRAFOB-RESB
cTRAFOC-RESC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]0
15
30
45
60
75
90
[A]
Energia absorvida pelos resistores dos snubbers
Fase A = 812 J
Fase B = 257 J
Fase C = 184 J
Com snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 34
9 - ESPECIFICACcedilAtildeO
Tipo MOV
Modelo POLIM-D-36-11 ou Equivalente
Fabricante ABB SIEMENS ALSTOM TOSHIBA
Uc 36 kV
Un 45 kV
High Impulse Current 100 kA (410ms)
Nominal Discharge Current 10 kA (820ms)
Energia 36 kJkV(Uc)
Tipo Surto
Capacitacircncia Nominal 02 mF
Tensatildeo Nominal 345 kV
Frequecircncia Nominal 60 Hz
NBI 200 kV
Norma IEC 60871-12005
Sugestatildeo de Fabricantes ABB IneparIESA LAELC Alstom Nokian
Resistecircncia = 33 Ohms
Un= 345 kV
Potecircncia (Continuous) = gt 370 W
Energia = gt 60 kJ
NBI (BIL) = 200 kV
Tipo Resistor ceracircmico tubular natildeo indutivo
Sugestatildeo de Fabricantes KanthalOhmicEletele
Especificaccedilatildeo do Snubber
Paacutera-Raios
Capacitor de Surto
Resistor
SLD 35
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
a) Componentes
Devem ser de fabricantes
reconhecidos no mercado
b) Montagem
Os componentes devem ser
montados o mais proacuteximo
possiacutevel um do outro para
evitar indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
Preferecircncia para cordoalhas e
barras chatas para
interligaccedilatildeo
SLD 36
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
c) Instalaccedilatildeo
O conjunto deve ser instalado
o mais proacuteximo possiacutevel das
buchas de alta para evitar
elevadas indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
SLD 37
[01] IEEE Std C57142TM-2010
ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence and Mitigation of Switching Transients
Induced by Transformers Switching Device and System Interactionrdquo
[02] Transformer Failure due to circuit breaker induced switching transients
Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference (IampCPS) 2011
IEEE - David D Shipp Fellow IEEE Thomas J Dionise Senior Member IEEE
Visuth Lorch and Bill G MacFarlane PE Member IEEE
[03] Analysis of Integral Snubber Circuit Design for Transformers in Urban High Rise
Office Building IEEE Transactions on Industry Applications
[04] Medium-Voltage Switching Transient-Induced Potential Transformer Failures
Prediction Measurement and Practical Solutions
IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS VOL 49 NO 4
JULYAUGUST 2013 - Daniel C McDermit David D Shipp Fellow IEEE
Thomas J Dionise Senior Member IEEE and Visuth Lorch
[05] IEEE Std 1100 ndash IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding
Electronic Equipment (Emerald Book)
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 38
[06] IEEE Std 1159 ndash 1995
IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 39
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 40
httpecmwebcomcontentbasics-large-dry-type-transformers
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 7
(b) REPRESENTACcedilAtildeO IDEAL DE UMA ISOLACcedilAtildeO
Quando se faz uma mediccedilatildeo com um Megocirchmetro mede-se apenas
a resistecircncia de isolamento pois a fonte do Megger eacute corrente
contiacutenua (DC) e iraacute enxergar a capacitacircncia como um circuito aberto
Para medir a capacitacircncia se faz necessaacuterio a utilizaccedilatildeo de um
Medidor de Fator de Potecircncia de Isolamento que nada mais eacute do
que um ensaio de tensatildeo de aplicada em corrente alternada (AC)
Desta maneira pode-se representar conforme figura abaixo
C R
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 8
(c) Surtos
A referecircncia [06] define os surtos de tensatildeo satildeo transitoacuterios de tensatildeo de qualquer
polaridade de duraccedilatildeo inferior a 1 ciclo que tipicamente satildeo decrescentes e
oscilatoacuterias A referecircncia [05] define o surto como um transitoacuterio de tensatildeo de
duraccedilatildeo inferior 1 ciclo evidenciada como uma breve e aguda descontinuidade na
forma de onda de tensatildeo A polaridade pode ser aditiva ou subtrativa
Dependendo da amplitude e energia dos surtos de tensatildeo os mesmos podem ser
a causa de dano e destruiccedilatildeo de componentes e equipamentos Isto acontece
quando o surto atinge valores e formas de onda proacuteximos eou acima do valor para
o qual os equipamentos satildeo testados (pex ANSI C6241-1991)
Limite de Suportabilidade do
Equipamento
Surto
kV
Tempo
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 9
(c) Surtos
Os surtos satildeo normalmente decorrentes de manobras (energizaccedilatildeo
desenergizaccedilatildeo) e tambeacutem devido agrave descargas atmosfeacutericas
Surtos de Manobra
Para o melhor entendimento do processo dos surtos de manobra a
desenergizaccedilatildeo eacute o mais faacutecil de entender e consistem em primeira instacircncia na
interrupccedilatildeo de corrente
Para se interromper a corrente eacute necessaacuterio que ela exista Em existindo esta
corrente produz energia eletromagneacutetica que eacute armazenada nas indutacircncias do
sistema sob a forma de
Poreacutem natildeo se pode variar a corrente instantaneamente em uma bobina pois isto
implicaria em um tempo zero (dt=0 na equaccedilatildeo seguinte) porque neste caso seria
necessaacuteria uma tensatildeo infinita o que eacute inexequiacutevel
119907 119905 = 119871 times119889119894(119905)
119889119905
119864119862 =1
2times 119871 times 1198682
Se dt=0 v(t) rarrinfin
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 10
(c) Surtos
Limite de Suportabilidade do
Equipamento
Surto
kV
Tempo
A tensatildeo na praacutetica natildeo atinge o infinito mas sim um valor alto (sobretensatildeo)
Apoacutes a abertura do dispositivo de manobra o sistema sai de um estado de
equiliacutebrio entra num novo estado de desequiliacutebrio energeacutetico que agora a energia
eletromagneacutetica eacute utilizada para carregar as capacitacircncias do sistema (frac12 CV2) A
sobretensatildeo da abertura carrega entatildeo os capacitores com esta tensatildeo mais
elevada que apoacutes a abertura troca energia com o indutor em cada lado do
dispositivo de manobra e oscila ateacute amortecer toda energia
Se natildeo houver onde amortecer (Resistecircncia) teoricamente a oscilaccedilatildeo natildeo
cessaria
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 11
(c) Surtos
Surtos devidos a descargas Atmosfeacutericas
Os surtos atmosfeacutericos quando caem sobre uma linha normalmente se divide em
dois I I2I2
As tensotildees que iratildeo se sobrepor agrave tensatildeo da rede seratildeo dadas por
Da mesma maneira que no chaveamento a descarga atmosfeacuterica tira o sistema
eleacutetrico do regime permanente e a nova situaccedilatildeo iraacute criar tambeacutem uma oscilaccedilatildeo
das energias armazenadas entre as capacitacircncias e a as indutacircncias do sistema
ateacute que esta energia seja dissipada por efeito Joule nas resistecircncias dos sistema
119881 = 119885119862 times119868
2ZC = Impedacircncia de Surto
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 12
(d) RESSONAcircNCIA PARALELA
Eacute sabido que as cargas natildeo lineares se
comportam como fontes de corrente
harmocircnica Nos sistemas eleacutetricos as
impedacircncias satildeo praticamente indutivas
representada pela reatacircncia das
maacutequinasequipamentos tais como
transformadores motores geradores cabos
etc Ao se introduzir um banco de capacitores
no sistema a fonte harmocircnica ldquoenxergardquo a
indutacircncia equivalente do sistema em
paralelo com a capacitacircncia como indicado
na figura seguinte visto que parte de sua
corrente vai para o sistema e parte para o
capacitor
IhC
L
Ressonacircncia Acuacutestica
Ressonacircncia pelo Vento
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 13
(d) RESSONAcircNCIA PARALELA
Ih
L
ZL =+jwL
ZC =-j [1(wC)]=-jXC
|Zh |= [XL XC ] [XL - XC ]
No plano W x w Reta pela Origem
No plano W x w Hipeacuterbole
w
W
XL
=XC
XC
=1 wC
wo
Conforme aumenta o tamanho do Capacitor
muda o ponto de ressonacircncia (Banco Autom)
XL
= wL Zh
wrsquoo
wrsquorsquoo
A fonte de corrente
harmocircnica Ih enxerga
uma impedacircncia Zh que
corresponde ao +jXL (=
jwL) em paralelo com -
jXC (= -j1wC)
Qdo XL =XC Zh LC
fLCC
L oo
ww
w2
111===
C
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 14
(d) RESSONAcircNCIA PARALELA
Mesmo com uma pequena corrente harmocircnica pode-se ter a ocorrecircncia da
ressonacircncia paralela entretanto esta ressonacircncia pode se tornar mais criacutetica
quando a frequecircncia de ressonacircncia wo (ou fo) coincidir ou ficar proacutexima de uma
frequecircncia caracteriacutestica (p ex 5 7 11 13 etc)
Caacutelculo simplificado da frequecircncia provaacutevel da ressonacircncia
A ordem da frequecircncia de ressonacircncia pode ser estimada de uma forma
simplificada atraveacutes da equaccedilatildeo abaixo
MVAr
MVAcch
EI
EI
I
I
X
E
E
Xh
X
Xh
Cf
CC
Cf
CC
Lf
Cf
Lf
Cf
=
====
3
32
h
XXh
ChLh
CL
XX
aressonacircncidecondiccedilatildeoNa
Cf
Lf
o
o
ChLh
=
=
=
=
ww
ww
1
1
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 15
(e) RESSONAcircNCIA SEacuteRIE
Sabe-se que a impedacircncia em um dado ponto pode ser escrita na forma
apresentada abaixo
Zp = R + j (XL ndash XC)
Quando XL = XC ter-se-aacute um valor de impedacircncia miacutenimo e igual a
Zp = R
Diferentemente da ressonacircncia paralela em que a impedacircncia eacute maacutexima a
impedacircncia na ressonacircncia seacuterie eacute miacutenima
0
02
04
06
08
1
12
14
0 5 10 15 20 25 30 35
Imp
eacircn
cia
(O
hm
s)
Ordem Harmocircnica
Ressonacircncia Seacuterie Trafo 1500 kVA-480V-250kVAr-535V
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 16
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Todo corpo fiacutesico possui uma ou mais frequecircncias proacuteprias a partir das quais o
mesmo pode entrar em ressonacircncia Apresenta-se a seguir um Graacutefico de Anaacutelise
do Scan de Frequecircncias de um transformador
As frequecircncias de ressonacircncia do
transformador satildeo 1087 kHz 346
kHz 4559 kHz 6002 kHz e 020
kHz Veja graacutefico ao lado
Como pode ser observado no graacutefico
fornecido pelo fabricante os mesmos
enfatizam os pontos correspondentes
os valores maacuteximos das
impedacircncias que representam as
ressonacircncias paralelas que vatildeo
causar sobretensotildees
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 17
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
A publicaccedilatildeo do IEEE Std C57142TM-2010 ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence
and Mitigation of Switching Transients Induced by Transformers Switching Device
and System Interactionrdquo [01]
Este Guia mostra a importacircncia de se
fazer a anaacutelise do Scan de Frequecircncia
enfatizando a importacircncia das
ressonacircncias seacuteries ou seja os valores
miacutenimos
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 18
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Qual das duas consideraccedilotildees eacute mais importante Ambas Veja comentaacuterio de um
dos maiores especialistas do mundo sobre o assunto
a) O Guia do IEEE C57142[01] foi a primeira boa tentativa de cobrir este assunto
b) Eu investiguei mais de 65 falhas em transformadores realizei mais de 400
estudos de transitoacuterios de chaveamento e construiacute mais de 1200 snubbers e
posso dizer que a anaacutelise do FSRA realmente nos revela muita coisa
c) O primeiro pico do graacutefico corresponde a um ponto de ressonacircncia paralela
Neste ponto ocorreraacute uma amplificaccedilatildeo da tensatildeo para as altas frequecircncias e
normalmente iraacute danificar a bucha ou as primeiras espiras do enrolamento
(curto entre espiras)
d) O primeiro vale corresponde a uma ressonacircncia seacuterie e nos diz em qual
frequecircncia ter-se-aacute frac12 onda Tipicamente resulta numa ressonacircncia interna que
danifica os enrolamentos em pontos proacuteximos a 13 da extremidade do
enrolamento a partir da bucha
e) O segundo vale tambeacutem corresponde a uma ressonacircncia seacuterie ocorrendo
uma amplificaccedilatildeo em frac34 da onda e danificando numa posiccedilatildeo proacutexima a 23
do enrolamento a partir da bucha
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 19
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Qual das duas consideraccedilotildees eacute mais importante Ambas Veja comentaacuterio de um
dos maiores especialistas do mundo sobre o assunto
f) Os transformadores enrolado em camadas (Layer Wound) e Cast Coil satildeo mais
susceptiacuteveis a essas condiccedilotildees de ressonacircncia interna
g) Transformadores de construccedilatildeo VPI (Vacuum Pressure Impregnated) satildeo mais
propensos a falhas de dvdt e as magnitudes da sobretensatildeo do que agraves
ressonacircncias internas
h) Este graacutefico nos daacute uma visatildeo interna da ressonacircncia do transformador para
eventos de alta frequecircncia decorrentes de chaveamento sem modelagens
complexas do transformador que cujas informaccedilotildees quase nunca satildeo
disponiacuteveis
i) Assim o trabalho do engenheiro especialista em sistema de potecircncia eacute fazer
com que estas ondas de alta frequecircncia natildeo atinjam o transformador sejam
nos picos sejam nos vales
Nota
A isolaccedilatildeo dos enrolamentos pode ser Open-wound vacuum pressure impregnation (VPI) vacuum
pressure encapsulated (VPE) encapsulated and cast coil
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 20
2009 ndash USA ndash Data Center ndash 30004500 kVA
2012 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash 6000kVA - Queima de 11
transformadores
2012 ndash Brasil ndash Planta Quiacutemica ndash 138 kV ndash Queima de 1 transformador
2013 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash 6000 kVA ndash Queima de 3
transformadores
2014 ndash Brasil ndash Induacutestria de Armas ndash 138 kV ndash 1250 kVA - Queima de 1
transformador
2014 ndash Brasil ndash Industria de equipamentos Eletrocircnicos ndash 138 kV ndash Queima de 1
Transformador
2014 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash Queima de 2 transformadores um de
6000 kVA e outro de 225 kVA
2014 ndash Brasil ndash Preacutedio Comercial ndash 345 kV ndash Queima de 1 transformador -2500kVA
3 - CASOS REAIS OCORRIDOS NO BRASIL E USA
SLD 21
Considere um transformador de trecircs enrolamentos como o do unifilar seguinte
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se
o seguinte
a) Transformador seco sem carenagem
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2
HVN
uacutecle
oLV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
HV
LV1 LV2
SLD 22
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se o seguinte
b) Transformador seco com carenagem
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2 HV
Nuacutecle
o
LV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
CH-T = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o invoacutelucro
CH-TC
xM
etaacute
lica I
nvoacutelu
cro
Meio isolante = Ar
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 23
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se o seguinte
c) Transformador a oacuteleo
LV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
CH-T = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o tanque (invoacutelucro)
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2 HV
Nuacutecle
o CH-TC
xM
etaacute
lica I
nvoacutelu
cro
Meio isolante = Oacuteleo
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 24
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 25
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 26
5 - O FENOcircMENO
O FENOcircMENO
Durante o processo de interrupccedilatildeo de corrente (processo eletromagneacutetico) natildeo
se consegue variar a corrente instantaneamente em um indutor (V = L didt) pois
teria que ter uma tensatildeo infinita o que eacute impossiacutevel fisicamente Entretanto esta
tensatildeo se eleva rapidamente e carrega entatildeo as capacitacircncias com uma energia
igual a
Ou seja a energia que estava armazenada nas indutacircncias iraacute ser transferida para
as capacitacircncias ou seja como C eacute constante o aumento da energia implica no
aumento da tensatildeo
Apoacutes a interrupccedilatildeo o capacitor iraacute tentar um novo estado de equiliacutebrio no sistema e
comeccedila entatildeo a trocar energias com as indutacircncias (do novo sistema devido agrave
nova configuraccedilatildeo) no caso a bobina do transformador
Devido agraves elevadas magnitudes e valores de dVdt do processo acima
mencionado os isolamentos natildeo suportam o ldquostressrdquo danificando-se
119864119862 =1
2times 119862 times 1198812
SLD 27
O FENOcircMENO
Como descrito nas normas e literaturas pertinentes o BIL eacute um ensaio destrutivo
para impulso atmosfeacuterico que o transformador somente deveraacute suportar poucas
vezes em sua vida uacutetil
Os chaveamentos dos disjuntores inuacutemeras vezes na vida uacutetil e mesmo natildeo se
atingindo o valor do BIL devido agraves elevadas magnitudes e dVdt vai-se
envelhecendo a isolaccedilatildeo ateacute que em determinado momento a mesma poderaacute
falhar
Na praacutetica este processo eacute ateacute um pouco mais complexo pois este fenocircmeno pode
ocorrer na energizaccedilatildeo no desligamento ou devido aos re-strikes (reacendimento
do arco quando a tensatildeo de TRV-Transient Recovery Voltage ultrapassa o limite
dieleacutetrico suportaacutevel pelo meio de extinccedilatildeo do disjuntor durante a abertura) Outro
fato que corrobora para agravar o problema eacute a interrupccedilatildeo de corrente antes da
mesma atingir o zero (chop current)
A interrupccedilatildeo da corrente provoca o aumento do moacutedulo da tensatildeo na carga e o re-
strike provoca um aumento do dVdt do lado carga ou seja da frequecircncia
5 - O FENOcircMENO
SLD 28
6 - MITIGACcedilAtildeO
MITIGACcedilAtildeO
Para a mitigaccedilatildeo utilizam-se paacutera-raios e snubbers como mostrado na figura
seguinte
SLD 29
7 - MODELAGEM
MODELAGEM
a) Modelagem do sistema
Para a modelagem do sistema eacute utilizado um programa de Transitoacuterios
Eletromagneacuteticos (p ex ATP EMTP-RV etc)
b) Modelagem dos componentes do Sistema
Cabos e Linhas
Transformadores
Disjuntores
Concessionaacuteria
Paacutera-raios
Resistores de Aterramento
Capacitores
Filtros
Carga
SLD 30
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC mNBI
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Tensotildees no primaacuterio de um
transformador de 10 MVA345kV
devido a manobra de abertura de
disjuntor no instante t = 165 ms
Up = 304 kV (fase A) 1667 MHz
sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t)
factors
offsets
1
000E+00
v TRAFOA
-1
000E+00
mNBI
1
000E+00
2410 2415 2420 2425 2430 2435 2440 2445 2450[ms]
-200
-100
0
100
200
300
103
Zoom da Figura ao lado mostrando a
tensatildeo (fase A) no primaacuterio do
transformador TR-16 de 10 MVA
devido a manobra de abertura do
disjuntor do cubiacuteculo H13 no instante t
= 165 ms Up = 304 kV (fase A)
1667 MHz sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 31
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC mRD
160 175 190 205 220 235 250[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Detalhe da tensatildeo de repique(restrike)
entre os contatos dos polos do disjuntor o
Cub 5 devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms
ldquoRDrdquo refere-se a recuperaccedilatildeo do
dieleacutetrico durante a abertura do disjuntor
(36 Vμs) sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cZA -YA
236 238 240 242 244 246[ms]-1200
-800
-400
0
400
800
1200
[A]
Detalhe da corrente entre os
contatos do polo A do disjuntor do
Cub5 devido a manobra de
abertura do disjuntor no instante t =
165 ms sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 32
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
[kV]
Tensotildees no primaacuterio do transformador
de 10 MVA devido a manobra de
abertura do disjuntor do Cubiacuteculo 5 no
instante t = 165 ms Up = 482 kV
(fase B) com snubbers
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-30
-8
14
36
58
80
[kV]
Detalhe da tensatildeo entre os contatos
dos polos do disjuntor do Cub5
devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms com
snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 33
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cTRAFOA-RESA cTRAFOB-RESB
cTRAFOC-RESC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]0
15
30
45
60
75
90
[A]
Energia absorvida pelos resistores dos snubbers
Fase A = 812 J
Fase B = 257 J
Fase C = 184 J
Com snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 34
9 - ESPECIFICACcedilAtildeO
Tipo MOV
Modelo POLIM-D-36-11 ou Equivalente
Fabricante ABB SIEMENS ALSTOM TOSHIBA
Uc 36 kV
Un 45 kV
High Impulse Current 100 kA (410ms)
Nominal Discharge Current 10 kA (820ms)
Energia 36 kJkV(Uc)
Tipo Surto
Capacitacircncia Nominal 02 mF
Tensatildeo Nominal 345 kV
Frequecircncia Nominal 60 Hz
NBI 200 kV
Norma IEC 60871-12005
Sugestatildeo de Fabricantes ABB IneparIESA LAELC Alstom Nokian
Resistecircncia = 33 Ohms
Un= 345 kV
Potecircncia (Continuous) = gt 370 W
Energia = gt 60 kJ
NBI (BIL) = 200 kV
Tipo Resistor ceracircmico tubular natildeo indutivo
Sugestatildeo de Fabricantes KanthalOhmicEletele
Especificaccedilatildeo do Snubber
Paacutera-Raios
Capacitor de Surto
Resistor
SLD 35
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
a) Componentes
Devem ser de fabricantes
reconhecidos no mercado
b) Montagem
Os componentes devem ser
montados o mais proacuteximo
possiacutevel um do outro para
evitar indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
Preferecircncia para cordoalhas e
barras chatas para
interligaccedilatildeo
SLD 36
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
c) Instalaccedilatildeo
O conjunto deve ser instalado
o mais proacuteximo possiacutevel das
buchas de alta para evitar
elevadas indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
SLD 37
[01] IEEE Std C57142TM-2010
ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence and Mitigation of Switching Transients
Induced by Transformers Switching Device and System Interactionrdquo
[02] Transformer Failure due to circuit breaker induced switching transients
Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference (IampCPS) 2011
IEEE - David D Shipp Fellow IEEE Thomas J Dionise Senior Member IEEE
Visuth Lorch and Bill G MacFarlane PE Member IEEE
[03] Analysis of Integral Snubber Circuit Design for Transformers in Urban High Rise
Office Building IEEE Transactions on Industry Applications
[04] Medium-Voltage Switching Transient-Induced Potential Transformer Failures
Prediction Measurement and Practical Solutions
IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS VOL 49 NO 4
JULYAUGUST 2013 - Daniel C McDermit David D Shipp Fellow IEEE
Thomas J Dionise Senior Member IEEE and Visuth Lorch
[05] IEEE Std 1100 ndash IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding
Electronic Equipment (Emerald Book)
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 38
[06] IEEE Std 1159 ndash 1995
IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 39
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 40
httpecmwebcomcontentbasics-large-dry-type-transformers
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 8
(c) Surtos
A referecircncia [06] define os surtos de tensatildeo satildeo transitoacuterios de tensatildeo de qualquer
polaridade de duraccedilatildeo inferior a 1 ciclo que tipicamente satildeo decrescentes e
oscilatoacuterias A referecircncia [05] define o surto como um transitoacuterio de tensatildeo de
duraccedilatildeo inferior 1 ciclo evidenciada como uma breve e aguda descontinuidade na
forma de onda de tensatildeo A polaridade pode ser aditiva ou subtrativa
Dependendo da amplitude e energia dos surtos de tensatildeo os mesmos podem ser
a causa de dano e destruiccedilatildeo de componentes e equipamentos Isto acontece
quando o surto atinge valores e formas de onda proacuteximos eou acima do valor para
o qual os equipamentos satildeo testados (pex ANSI C6241-1991)
Limite de Suportabilidade do
Equipamento
Surto
kV
Tempo
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 9
(c) Surtos
Os surtos satildeo normalmente decorrentes de manobras (energizaccedilatildeo
desenergizaccedilatildeo) e tambeacutem devido agrave descargas atmosfeacutericas
Surtos de Manobra
Para o melhor entendimento do processo dos surtos de manobra a
desenergizaccedilatildeo eacute o mais faacutecil de entender e consistem em primeira instacircncia na
interrupccedilatildeo de corrente
Para se interromper a corrente eacute necessaacuterio que ela exista Em existindo esta
corrente produz energia eletromagneacutetica que eacute armazenada nas indutacircncias do
sistema sob a forma de
Poreacutem natildeo se pode variar a corrente instantaneamente em uma bobina pois isto
implicaria em um tempo zero (dt=0 na equaccedilatildeo seguinte) porque neste caso seria
necessaacuteria uma tensatildeo infinita o que eacute inexequiacutevel
119907 119905 = 119871 times119889119894(119905)
119889119905
119864119862 =1
2times 119871 times 1198682
Se dt=0 v(t) rarrinfin
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 10
(c) Surtos
Limite de Suportabilidade do
Equipamento
Surto
kV
Tempo
A tensatildeo na praacutetica natildeo atinge o infinito mas sim um valor alto (sobretensatildeo)
Apoacutes a abertura do dispositivo de manobra o sistema sai de um estado de
equiliacutebrio entra num novo estado de desequiliacutebrio energeacutetico que agora a energia
eletromagneacutetica eacute utilizada para carregar as capacitacircncias do sistema (frac12 CV2) A
sobretensatildeo da abertura carrega entatildeo os capacitores com esta tensatildeo mais
elevada que apoacutes a abertura troca energia com o indutor em cada lado do
dispositivo de manobra e oscila ateacute amortecer toda energia
Se natildeo houver onde amortecer (Resistecircncia) teoricamente a oscilaccedilatildeo natildeo
cessaria
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 11
(c) Surtos
Surtos devidos a descargas Atmosfeacutericas
Os surtos atmosfeacutericos quando caem sobre uma linha normalmente se divide em
dois I I2I2
As tensotildees que iratildeo se sobrepor agrave tensatildeo da rede seratildeo dadas por
Da mesma maneira que no chaveamento a descarga atmosfeacuterica tira o sistema
eleacutetrico do regime permanente e a nova situaccedilatildeo iraacute criar tambeacutem uma oscilaccedilatildeo
das energias armazenadas entre as capacitacircncias e a as indutacircncias do sistema
ateacute que esta energia seja dissipada por efeito Joule nas resistecircncias dos sistema
119881 = 119885119862 times119868
2ZC = Impedacircncia de Surto
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 12
(d) RESSONAcircNCIA PARALELA
Eacute sabido que as cargas natildeo lineares se
comportam como fontes de corrente
harmocircnica Nos sistemas eleacutetricos as
impedacircncias satildeo praticamente indutivas
representada pela reatacircncia das
maacutequinasequipamentos tais como
transformadores motores geradores cabos
etc Ao se introduzir um banco de capacitores
no sistema a fonte harmocircnica ldquoenxergardquo a
indutacircncia equivalente do sistema em
paralelo com a capacitacircncia como indicado
na figura seguinte visto que parte de sua
corrente vai para o sistema e parte para o
capacitor
IhC
L
Ressonacircncia Acuacutestica
Ressonacircncia pelo Vento
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 13
(d) RESSONAcircNCIA PARALELA
Ih
L
ZL =+jwL
ZC =-j [1(wC)]=-jXC
|Zh |= [XL XC ] [XL - XC ]
No plano W x w Reta pela Origem
No plano W x w Hipeacuterbole
w
W
XL
=XC
XC
=1 wC
wo
Conforme aumenta o tamanho do Capacitor
muda o ponto de ressonacircncia (Banco Autom)
XL
= wL Zh
wrsquoo
wrsquorsquoo
A fonte de corrente
harmocircnica Ih enxerga
uma impedacircncia Zh que
corresponde ao +jXL (=
jwL) em paralelo com -
jXC (= -j1wC)
Qdo XL =XC Zh LC
fLCC
L oo
ww
w2
111===
C
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 14
(d) RESSONAcircNCIA PARALELA
Mesmo com uma pequena corrente harmocircnica pode-se ter a ocorrecircncia da
ressonacircncia paralela entretanto esta ressonacircncia pode se tornar mais criacutetica
quando a frequecircncia de ressonacircncia wo (ou fo) coincidir ou ficar proacutexima de uma
frequecircncia caracteriacutestica (p ex 5 7 11 13 etc)
Caacutelculo simplificado da frequecircncia provaacutevel da ressonacircncia
A ordem da frequecircncia de ressonacircncia pode ser estimada de uma forma
simplificada atraveacutes da equaccedilatildeo abaixo
MVAr
MVAcch
EI
EI
I
I
X
E
E
Xh
X
Xh
Cf
CC
Cf
CC
Lf
Cf
Lf
Cf
=
====
3
32
h
XXh
ChLh
CL
XX
aressonacircncidecondiccedilatildeoNa
Cf
Lf
o
o
ChLh
=
=
=
=
ww
ww
1
1
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 15
(e) RESSONAcircNCIA SEacuteRIE
Sabe-se que a impedacircncia em um dado ponto pode ser escrita na forma
apresentada abaixo
Zp = R + j (XL ndash XC)
Quando XL = XC ter-se-aacute um valor de impedacircncia miacutenimo e igual a
Zp = R
Diferentemente da ressonacircncia paralela em que a impedacircncia eacute maacutexima a
impedacircncia na ressonacircncia seacuterie eacute miacutenima
0
02
04
06
08
1
12
14
0 5 10 15 20 25 30 35
Imp
eacircn
cia
(O
hm
s)
Ordem Harmocircnica
Ressonacircncia Seacuterie Trafo 1500 kVA-480V-250kVAr-535V
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 16
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Todo corpo fiacutesico possui uma ou mais frequecircncias proacuteprias a partir das quais o
mesmo pode entrar em ressonacircncia Apresenta-se a seguir um Graacutefico de Anaacutelise
do Scan de Frequecircncias de um transformador
As frequecircncias de ressonacircncia do
transformador satildeo 1087 kHz 346
kHz 4559 kHz 6002 kHz e 020
kHz Veja graacutefico ao lado
Como pode ser observado no graacutefico
fornecido pelo fabricante os mesmos
enfatizam os pontos correspondentes
os valores maacuteximos das
impedacircncias que representam as
ressonacircncias paralelas que vatildeo
causar sobretensotildees
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 17
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
A publicaccedilatildeo do IEEE Std C57142TM-2010 ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence
and Mitigation of Switching Transients Induced by Transformers Switching Device
and System Interactionrdquo [01]
Este Guia mostra a importacircncia de se
fazer a anaacutelise do Scan de Frequecircncia
enfatizando a importacircncia das
ressonacircncias seacuteries ou seja os valores
miacutenimos
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 18
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Qual das duas consideraccedilotildees eacute mais importante Ambas Veja comentaacuterio de um
dos maiores especialistas do mundo sobre o assunto
a) O Guia do IEEE C57142[01] foi a primeira boa tentativa de cobrir este assunto
b) Eu investiguei mais de 65 falhas em transformadores realizei mais de 400
estudos de transitoacuterios de chaveamento e construiacute mais de 1200 snubbers e
posso dizer que a anaacutelise do FSRA realmente nos revela muita coisa
c) O primeiro pico do graacutefico corresponde a um ponto de ressonacircncia paralela
Neste ponto ocorreraacute uma amplificaccedilatildeo da tensatildeo para as altas frequecircncias e
normalmente iraacute danificar a bucha ou as primeiras espiras do enrolamento
(curto entre espiras)
d) O primeiro vale corresponde a uma ressonacircncia seacuterie e nos diz em qual
frequecircncia ter-se-aacute frac12 onda Tipicamente resulta numa ressonacircncia interna que
danifica os enrolamentos em pontos proacuteximos a 13 da extremidade do
enrolamento a partir da bucha
e) O segundo vale tambeacutem corresponde a uma ressonacircncia seacuterie ocorrendo
uma amplificaccedilatildeo em frac34 da onda e danificando numa posiccedilatildeo proacutexima a 23
do enrolamento a partir da bucha
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 19
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Qual das duas consideraccedilotildees eacute mais importante Ambas Veja comentaacuterio de um
dos maiores especialistas do mundo sobre o assunto
f) Os transformadores enrolado em camadas (Layer Wound) e Cast Coil satildeo mais
susceptiacuteveis a essas condiccedilotildees de ressonacircncia interna
g) Transformadores de construccedilatildeo VPI (Vacuum Pressure Impregnated) satildeo mais
propensos a falhas de dvdt e as magnitudes da sobretensatildeo do que agraves
ressonacircncias internas
h) Este graacutefico nos daacute uma visatildeo interna da ressonacircncia do transformador para
eventos de alta frequecircncia decorrentes de chaveamento sem modelagens
complexas do transformador que cujas informaccedilotildees quase nunca satildeo
disponiacuteveis
i) Assim o trabalho do engenheiro especialista em sistema de potecircncia eacute fazer
com que estas ondas de alta frequecircncia natildeo atinjam o transformador sejam
nos picos sejam nos vales
Nota
A isolaccedilatildeo dos enrolamentos pode ser Open-wound vacuum pressure impregnation (VPI) vacuum
pressure encapsulated (VPE) encapsulated and cast coil
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 20
2009 ndash USA ndash Data Center ndash 30004500 kVA
2012 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash 6000kVA - Queima de 11
transformadores
2012 ndash Brasil ndash Planta Quiacutemica ndash 138 kV ndash Queima de 1 transformador
2013 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash 6000 kVA ndash Queima de 3
transformadores
2014 ndash Brasil ndash Induacutestria de Armas ndash 138 kV ndash 1250 kVA - Queima de 1
transformador
2014 ndash Brasil ndash Industria de equipamentos Eletrocircnicos ndash 138 kV ndash Queima de 1
Transformador
2014 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash Queima de 2 transformadores um de
6000 kVA e outro de 225 kVA
2014 ndash Brasil ndash Preacutedio Comercial ndash 345 kV ndash Queima de 1 transformador -2500kVA
3 - CASOS REAIS OCORRIDOS NO BRASIL E USA
SLD 21
Considere um transformador de trecircs enrolamentos como o do unifilar seguinte
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se
o seguinte
a) Transformador seco sem carenagem
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2
HVN
uacutecle
oLV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
HV
LV1 LV2
SLD 22
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se o seguinte
b) Transformador seco com carenagem
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2 HV
Nuacutecle
o
LV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
CH-T = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o invoacutelucro
CH-TC
xM
etaacute
lica I
nvoacutelu
cro
Meio isolante = Ar
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 23
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se o seguinte
c) Transformador a oacuteleo
LV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
CH-T = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o tanque (invoacutelucro)
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2 HV
Nuacutecle
o CH-TC
xM
etaacute
lica I
nvoacutelu
cro
Meio isolante = Oacuteleo
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 24
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 25
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 26
5 - O FENOcircMENO
O FENOcircMENO
Durante o processo de interrupccedilatildeo de corrente (processo eletromagneacutetico) natildeo
se consegue variar a corrente instantaneamente em um indutor (V = L didt) pois
teria que ter uma tensatildeo infinita o que eacute impossiacutevel fisicamente Entretanto esta
tensatildeo se eleva rapidamente e carrega entatildeo as capacitacircncias com uma energia
igual a
Ou seja a energia que estava armazenada nas indutacircncias iraacute ser transferida para
as capacitacircncias ou seja como C eacute constante o aumento da energia implica no
aumento da tensatildeo
Apoacutes a interrupccedilatildeo o capacitor iraacute tentar um novo estado de equiliacutebrio no sistema e
comeccedila entatildeo a trocar energias com as indutacircncias (do novo sistema devido agrave
nova configuraccedilatildeo) no caso a bobina do transformador
Devido agraves elevadas magnitudes e valores de dVdt do processo acima
mencionado os isolamentos natildeo suportam o ldquostressrdquo danificando-se
119864119862 =1
2times 119862 times 1198812
SLD 27
O FENOcircMENO
Como descrito nas normas e literaturas pertinentes o BIL eacute um ensaio destrutivo
para impulso atmosfeacuterico que o transformador somente deveraacute suportar poucas
vezes em sua vida uacutetil
Os chaveamentos dos disjuntores inuacutemeras vezes na vida uacutetil e mesmo natildeo se
atingindo o valor do BIL devido agraves elevadas magnitudes e dVdt vai-se
envelhecendo a isolaccedilatildeo ateacute que em determinado momento a mesma poderaacute
falhar
Na praacutetica este processo eacute ateacute um pouco mais complexo pois este fenocircmeno pode
ocorrer na energizaccedilatildeo no desligamento ou devido aos re-strikes (reacendimento
do arco quando a tensatildeo de TRV-Transient Recovery Voltage ultrapassa o limite
dieleacutetrico suportaacutevel pelo meio de extinccedilatildeo do disjuntor durante a abertura) Outro
fato que corrobora para agravar o problema eacute a interrupccedilatildeo de corrente antes da
mesma atingir o zero (chop current)
A interrupccedilatildeo da corrente provoca o aumento do moacutedulo da tensatildeo na carga e o re-
strike provoca um aumento do dVdt do lado carga ou seja da frequecircncia
5 - O FENOcircMENO
SLD 28
6 - MITIGACcedilAtildeO
MITIGACcedilAtildeO
Para a mitigaccedilatildeo utilizam-se paacutera-raios e snubbers como mostrado na figura
seguinte
SLD 29
7 - MODELAGEM
MODELAGEM
a) Modelagem do sistema
Para a modelagem do sistema eacute utilizado um programa de Transitoacuterios
Eletromagneacuteticos (p ex ATP EMTP-RV etc)
b) Modelagem dos componentes do Sistema
Cabos e Linhas
Transformadores
Disjuntores
Concessionaacuteria
Paacutera-raios
Resistores de Aterramento
Capacitores
Filtros
Carga
SLD 30
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC mNBI
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Tensotildees no primaacuterio de um
transformador de 10 MVA345kV
devido a manobra de abertura de
disjuntor no instante t = 165 ms
Up = 304 kV (fase A) 1667 MHz
sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t)
factors
offsets
1
000E+00
v TRAFOA
-1
000E+00
mNBI
1
000E+00
2410 2415 2420 2425 2430 2435 2440 2445 2450[ms]
-200
-100
0
100
200
300
103
Zoom da Figura ao lado mostrando a
tensatildeo (fase A) no primaacuterio do
transformador TR-16 de 10 MVA
devido a manobra de abertura do
disjuntor do cubiacuteculo H13 no instante t
= 165 ms Up = 304 kV (fase A)
1667 MHz sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 31
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC mRD
160 175 190 205 220 235 250[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Detalhe da tensatildeo de repique(restrike)
entre os contatos dos polos do disjuntor o
Cub 5 devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms
ldquoRDrdquo refere-se a recuperaccedilatildeo do
dieleacutetrico durante a abertura do disjuntor
(36 Vμs) sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cZA -YA
236 238 240 242 244 246[ms]-1200
-800
-400
0
400
800
1200
[A]
Detalhe da corrente entre os
contatos do polo A do disjuntor do
Cub5 devido a manobra de
abertura do disjuntor no instante t =
165 ms sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 32
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
[kV]
Tensotildees no primaacuterio do transformador
de 10 MVA devido a manobra de
abertura do disjuntor do Cubiacuteculo 5 no
instante t = 165 ms Up = 482 kV
(fase B) com snubbers
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-30
-8
14
36
58
80
[kV]
Detalhe da tensatildeo entre os contatos
dos polos do disjuntor do Cub5
devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms com
snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 33
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cTRAFOA-RESA cTRAFOB-RESB
cTRAFOC-RESC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]0
15
30
45
60
75
90
[A]
Energia absorvida pelos resistores dos snubbers
Fase A = 812 J
Fase B = 257 J
Fase C = 184 J
Com snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 34
9 - ESPECIFICACcedilAtildeO
Tipo MOV
Modelo POLIM-D-36-11 ou Equivalente
Fabricante ABB SIEMENS ALSTOM TOSHIBA
Uc 36 kV
Un 45 kV
High Impulse Current 100 kA (410ms)
Nominal Discharge Current 10 kA (820ms)
Energia 36 kJkV(Uc)
Tipo Surto
Capacitacircncia Nominal 02 mF
Tensatildeo Nominal 345 kV
Frequecircncia Nominal 60 Hz
NBI 200 kV
Norma IEC 60871-12005
Sugestatildeo de Fabricantes ABB IneparIESA LAELC Alstom Nokian
Resistecircncia = 33 Ohms
Un= 345 kV
Potecircncia (Continuous) = gt 370 W
Energia = gt 60 kJ
NBI (BIL) = 200 kV
Tipo Resistor ceracircmico tubular natildeo indutivo
Sugestatildeo de Fabricantes KanthalOhmicEletele
Especificaccedilatildeo do Snubber
Paacutera-Raios
Capacitor de Surto
Resistor
SLD 35
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
a) Componentes
Devem ser de fabricantes
reconhecidos no mercado
b) Montagem
Os componentes devem ser
montados o mais proacuteximo
possiacutevel um do outro para
evitar indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
Preferecircncia para cordoalhas e
barras chatas para
interligaccedilatildeo
SLD 36
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
c) Instalaccedilatildeo
O conjunto deve ser instalado
o mais proacuteximo possiacutevel das
buchas de alta para evitar
elevadas indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
SLD 37
[01] IEEE Std C57142TM-2010
ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence and Mitigation of Switching Transients
Induced by Transformers Switching Device and System Interactionrdquo
[02] Transformer Failure due to circuit breaker induced switching transients
Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference (IampCPS) 2011
IEEE - David D Shipp Fellow IEEE Thomas J Dionise Senior Member IEEE
Visuth Lorch and Bill G MacFarlane PE Member IEEE
[03] Analysis of Integral Snubber Circuit Design for Transformers in Urban High Rise
Office Building IEEE Transactions on Industry Applications
[04] Medium-Voltage Switching Transient-Induced Potential Transformer Failures
Prediction Measurement and Practical Solutions
IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS VOL 49 NO 4
JULYAUGUST 2013 - Daniel C McDermit David D Shipp Fellow IEEE
Thomas J Dionise Senior Member IEEE and Visuth Lorch
[05] IEEE Std 1100 ndash IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding
Electronic Equipment (Emerald Book)
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 38
[06] IEEE Std 1159 ndash 1995
IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 39
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 40
httpecmwebcomcontentbasics-large-dry-type-transformers
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 9
(c) Surtos
Os surtos satildeo normalmente decorrentes de manobras (energizaccedilatildeo
desenergizaccedilatildeo) e tambeacutem devido agrave descargas atmosfeacutericas
Surtos de Manobra
Para o melhor entendimento do processo dos surtos de manobra a
desenergizaccedilatildeo eacute o mais faacutecil de entender e consistem em primeira instacircncia na
interrupccedilatildeo de corrente
Para se interromper a corrente eacute necessaacuterio que ela exista Em existindo esta
corrente produz energia eletromagneacutetica que eacute armazenada nas indutacircncias do
sistema sob a forma de
Poreacutem natildeo se pode variar a corrente instantaneamente em uma bobina pois isto
implicaria em um tempo zero (dt=0 na equaccedilatildeo seguinte) porque neste caso seria
necessaacuteria uma tensatildeo infinita o que eacute inexequiacutevel
119907 119905 = 119871 times119889119894(119905)
119889119905
119864119862 =1
2times 119871 times 1198682
Se dt=0 v(t) rarrinfin
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 10
(c) Surtos
Limite de Suportabilidade do
Equipamento
Surto
kV
Tempo
A tensatildeo na praacutetica natildeo atinge o infinito mas sim um valor alto (sobretensatildeo)
Apoacutes a abertura do dispositivo de manobra o sistema sai de um estado de
equiliacutebrio entra num novo estado de desequiliacutebrio energeacutetico que agora a energia
eletromagneacutetica eacute utilizada para carregar as capacitacircncias do sistema (frac12 CV2) A
sobretensatildeo da abertura carrega entatildeo os capacitores com esta tensatildeo mais
elevada que apoacutes a abertura troca energia com o indutor em cada lado do
dispositivo de manobra e oscila ateacute amortecer toda energia
Se natildeo houver onde amortecer (Resistecircncia) teoricamente a oscilaccedilatildeo natildeo
cessaria
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 11
(c) Surtos
Surtos devidos a descargas Atmosfeacutericas
Os surtos atmosfeacutericos quando caem sobre uma linha normalmente se divide em
dois I I2I2
As tensotildees que iratildeo se sobrepor agrave tensatildeo da rede seratildeo dadas por
Da mesma maneira que no chaveamento a descarga atmosfeacuterica tira o sistema
eleacutetrico do regime permanente e a nova situaccedilatildeo iraacute criar tambeacutem uma oscilaccedilatildeo
das energias armazenadas entre as capacitacircncias e a as indutacircncias do sistema
ateacute que esta energia seja dissipada por efeito Joule nas resistecircncias dos sistema
119881 = 119885119862 times119868
2ZC = Impedacircncia de Surto
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 12
(d) RESSONAcircNCIA PARALELA
Eacute sabido que as cargas natildeo lineares se
comportam como fontes de corrente
harmocircnica Nos sistemas eleacutetricos as
impedacircncias satildeo praticamente indutivas
representada pela reatacircncia das
maacutequinasequipamentos tais como
transformadores motores geradores cabos
etc Ao se introduzir um banco de capacitores
no sistema a fonte harmocircnica ldquoenxergardquo a
indutacircncia equivalente do sistema em
paralelo com a capacitacircncia como indicado
na figura seguinte visto que parte de sua
corrente vai para o sistema e parte para o
capacitor
IhC
L
Ressonacircncia Acuacutestica
Ressonacircncia pelo Vento
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 13
(d) RESSONAcircNCIA PARALELA
Ih
L
ZL =+jwL
ZC =-j [1(wC)]=-jXC
|Zh |= [XL XC ] [XL - XC ]
No plano W x w Reta pela Origem
No plano W x w Hipeacuterbole
w
W
XL
=XC
XC
=1 wC
wo
Conforme aumenta o tamanho do Capacitor
muda o ponto de ressonacircncia (Banco Autom)
XL
= wL Zh
wrsquoo
wrsquorsquoo
A fonte de corrente
harmocircnica Ih enxerga
uma impedacircncia Zh que
corresponde ao +jXL (=
jwL) em paralelo com -
jXC (= -j1wC)
Qdo XL =XC Zh LC
fLCC
L oo
ww
w2
111===
C
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 14
(d) RESSONAcircNCIA PARALELA
Mesmo com uma pequena corrente harmocircnica pode-se ter a ocorrecircncia da
ressonacircncia paralela entretanto esta ressonacircncia pode se tornar mais criacutetica
quando a frequecircncia de ressonacircncia wo (ou fo) coincidir ou ficar proacutexima de uma
frequecircncia caracteriacutestica (p ex 5 7 11 13 etc)
Caacutelculo simplificado da frequecircncia provaacutevel da ressonacircncia
A ordem da frequecircncia de ressonacircncia pode ser estimada de uma forma
simplificada atraveacutes da equaccedilatildeo abaixo
MVAr
MVAcch
EI
EI
I
I
X
E
E
Xh
X
Xh
Cf
CC
Cf
CC
Lf
Cf
Lf
Cf
=
====
3
32
h
XXh
ChLh
CL
XX
aressonacircncidecondiccedilatildeoNa
Cf
Lf
o
o
ChLh
=
=
=
=
ww
ww
1
1
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 15
(e) RESSONAcircNCIA SEacuteRIE
Sabe-se que a impedacircncia em um dado ponto pode ser escrita na forma
apresentada abaixo
Zp = R + j (XL ndash XC)
Quando XL = XC ter-se-aacute um valor de impedacircncia miacutenimo e igual a
Zp = R
Diferentemente da ressonacircncia paralela em que a impedacircncia eacute maacutexima a
impedacircncia na ressonacircncia seacuterie eacute miacutenima
0
02
04
06
08
1
12
14
0 5 10 15 20 25 30 35
Imp
eacircn
cia
(O
hm
s)
Ordem Harmocircnica
Ressonacircncia Seacuterie Trafo 1500 kVA-480V-250kVAr-535V
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 16
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Todo corpo fiacutesico possui uma ou mais frequecircncias proacuteprias a partir das quais o
mesmo pode entrar em ressonacircncia Apresenta-se a seguir um Graacutefico de Anaacutelise
do Scan de Frequecircncias de um transformador
As frequecircncias de ressonacircncia do
transformador satildeo 1087 kHz 346
kHz 4559 kHz 6002 kHz e 020
kHz Veja graacutefico ao lado
Como pode ser observado no graacutefico
fornecido pelo fabricante os mesmos
enfatizam os pontos correspondentes
os valores maacuteximos das
impedacircncias que representam as
ressonacircncias paralelas que vatildeo
causar sobretensotildees
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 17
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
A publicaccedilatildeo do IEEE Std C57142TM-2010 ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence
and Mitigation of Switching Transients Induced by Transformers Switching Device
and System Interactionrdquo [01]
Este Guia mostra a importacircncia de se
fazer a anaacutelise do Scan de Frequecircncia
enfatizando a importacircncia das
ressonacircncias seacuteries ou seja os valores
miacutenimos
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 18
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Qual das duas consideraccedilotildees eacute mais importante Ambas Veja comentaacuterio de um
dos maiores especialistas do mundo sobre o assunto
a) O Guia do IEEE C57142[01] foi a primeira boa tentativa de cobrir este assunto
b) Eu investiguei mais de 65 falhas em transformadores realizei mais de 400
estudos de transitoacuterios de chaveamento e construiacute mais de 1200 snubbers e
posso dizer que a anaacutelise do FSRA realmente nos revela muita coisa
c) O primeiro pico do graacutefico corresponde a um ponto de ressonacircncia paralela
Neste ponto ocorreraacute uma amplificaccedilatildeo da tensatildeo para as altas frequecircncias e
normalmente iraacute danificar a bucha ou as primeiras espiras do enrolamento
(curto entre espiras)
d) O primeiro vale corresponde a uma ressonacircncia seacuterie e nos diz em qual
frequecircncia ter-se-aacute frac12 onda Tipicamente resulta numa ressonacircncia interna que
danifica os enrolamentos em pontos proacuteximos a 13 da extremidade do
enrolamento a partir da bucha
e) O segundo vale tambeacutem corresponde a uma ressonacircncia seacuterie ocorrendo
uma amplificaccedilatildeo em frac34 da onda e danificando numa posiccedilatildeo proacutexima a 23
do enrolamento a partir da bucha
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 19
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Qual das duas consideraccedilotildees eacute mais importante Ambas Veja comentaacuterio de um
dos maiores especialistas do mundo sobre o assunto
f) Os transformadores enrolado em camadas (Layer Wound) e Cast Coil satildeo mais
susceptiacuteveis a essas condiccedilotildees de ressonacircncia interna
g) Transformadores de construccedilatildeo VPI (Vacuum Pressure Impregnated) satildeo mais
propensos a falhas de dvdt e as magnitudes da sobretensatildeo do que agraves
ressonacircncias internas
h) Este graacutefico nos daacute uma visatildeo interna da ressonacircncia do transformador para
eventos de alta frequecircncia decorrentes de chaveamento sem modelagens
complexas do transformador que cujas informaccedilotildees quase nunca satildeo
disponiacuteveis
i) Assim o trabalho do engenheiro especialista em sistema de potecircncia eacute fazer
com que estas ondas de alta frequecircncia natildeo atinjam o transformador sejam
nos picos sejam nos vales
Nota
A isolaccedilatildeo dos enrolamentos pode ser Open-wound vacuum pressure impregnation (VPI) vacuum
pressure encapsulated (VPE) encapsulated and cast coil
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 20
2009 ndash USA ndash Data Center ndash 30004500 kVA
2012 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash 6000kVA - Queima de 11
transformadores
2012 ndash Brasil ndash Planta Quiacutemica ndash 138 kV ndash Queima de 1 transformador
2013 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash 6000 kVA ndash Queima de 3
transformadores
2014 ndash Brasil ndash Induacutestria de Armas ndash 138 kV ndash 1250 kVA - Queima de 1
transformador
2014 ndash Brasil ndash Industria de equipamentos Eletrocircnicos ndash 138 kV ndash Queima de 1
Transformador
2014 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash Queima de 2 transformadores um de
6000 kVA e outro de 225 kVA
2014 ndash Brasil ndash Preacutedio Comercial ndash 345 kV ndash Queima de 1 transformador -2500kVA
3 - CASOS REAIS OCORRIDOS NO BRASIL E USA
SLD 21
Considere um transformador de trecircs enrolamentos como o do unifilar seguinte
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se
o seguinte
a) Transformador seco sem carenagem
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2
HVN
uacutecle
oLV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
HV
LV1 LV2
SLD 22
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se o seguinte
b) Transformador seco com carenagem
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2 HV
Nuacutecle
o
LV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
CH-T = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o invoacutelucro
CH-TC
xM
etaacute
lica I
nvoacutelu
cro
Meio isolante = Ar
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 23
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se o seguinte
c) Transformador a oacuteleo
LV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
CH-T = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o tanque (invoacutelucro)
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2 HV
Nuacutecle
o CH-TC
xM
etaacute
lica I
nvoacutelu
cro
Meio isolante = Oacuteleo
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 24
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 25
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 26
5 - O FENOcircMENO
O FENOcircMENO
Durante o processo de interrupccedilatildeo de corrente (processo eletromagneacutetico) natildeo
se consegue variar a corrente instantaneamente em um indutor (V = L didt) pois
teria que ter uma tensatildeo infinita o que eacute impossiacutevel fisicamente Entretanto esta
tensatildeo se eleva rapidamente e carrega entatildeo as capacitacircncias com uma energia
igual a
Ou seja a energia que estava armazenada nas indutacircncias iraacute ser transferida para
as capacitacircncias ou seja como C eacute constante o aumento da energia implica no
aumento da tensatildeo
Apoacutes a interrupccedilatildeo o capacitor iraacute tentar um novo estado de equiliacutebrio no sistema e
comeccedila entatildeo a trocar energias com as indutacircncias (do novo sistema devido agrave
nova configuraccedilatildeo) no caso a bobina do transformador
Devido agraves elevadas magnitudes e valores de dVdt do processo acima
mencionado os isolamentos natildeo suportam o ldquostressrdquo danificando-se
119864119862 =1
2times 119862 times 1198812
SLD 27
O FENOcircMENO
Como descrito nas normas e literaturas pertinentes o BIL eacute um ensaio destrutivo
para impulso atmosfeacuterico que o transformador somente deveraacute suportar poucas
vezes em sua vida uacutetil
Os chaveamentos dos disjuntores inuacutemeras vezes na vida uacutetil e mesmo natildeo se
atingindo o valor do BIL devido agraves elevadas magnitudes e dVdt vai-se
envelhecendo a isolaccedilatildeo ateacute que em determinado momento a mesma poderaacute
falhar
Na praacutetica este processo eacute ateacute um pouco mais complexo pois este fenocircmeno pode
ocorrer na energizaccedilatildeo no desligamento ou devido aos re-strikes (reacendimento
do arco quando a tensatildeo de TRV-Transient Recovery Voltage ultrapassa o limite
dieleacutetrico suportaacutevel pelo meio de extinccedilatildeo do disjuntor durante a abertura) Outro
fato que corrobora para agravar o problema eacute a interrupccedilatildeo de corrente antes da
mesma atingir o zero (chop current)
A interrupccedilatildeo da corrente provoca o aumento do moacutedulo da tensatildeo na carga e o re-
strike provoca um aumento do dVdt do lado carga ou seja da frequecircncia
5 - O FENOcircMENO
SLD 28
6 - MITIGACcedilAtildeO
MITIGACcedilAtildeO
Para a mitigaccedilatildeo utilizam-se paacutera-raios e snubbers como mostrado na figura
seguinte
SLD 29
7 - MODELAGEM
MODELAGEM
a) Modelagem do sistema
Para a modelagem do sistema eacute utilizado um programa de Transitoacuterios
Eletromagneacuteticos (p ex ATP EMTP-RV etc)
b) Modelagem dos componentes do Sistema
Cabos e Linhas
Transformadores
Disjuntores
Concessionaacuteria
Paacutera-raios
Resistores de Aterramento
Capacitores
Filtros
Carga
SLD 30
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC mNBI
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Tensotildees no primaacuterio de um
transformador de 10 MVA345kV
devido a manobra de abertura de
disjuntor no instante t = 165 ms
Up = 304 kV (fase A) 1667 MHz
sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t)
factors
offsets
1
000E+00
v TRAFOA
-1
000E+00
mNBI
1
000E+00
2410 2415 2420 2425 2430 2435 2440 2445 2450[ms]
-200
-100
0
100
200
300
103
Zoom da Figura ao lado mostrando a
tensatildeo (fase A) no primaacuterio do
transformador TR-16 de 10 MVA
devido a manobra de abertura do
disjuntor do cubiacuteculo H13 no instante t
= 165 ms Up = 304 kV (fase A)
1667 MHz sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 31
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC mRD
160 175 190 205 220 235 250[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Detalhe da tensatildeo de repique(restrike)
entre os contatos dos polos do disjuntor o
Cub 5 devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms
ldquoRDrdquo refere-se a recuperaccedilatildeo do
dieleacutetrico durante a abertura do disjuntor
(36 Vμs) sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cZA -YA
236 238 240 242 244 246[ms]-1200
-800
-400
0
400
800
1200
[A]
Detalhe da corrente entre os
contatos do polo A do disjuntor do
Cub5 devido a manobra de
abertura do disjuntor no instante t =
165 ms sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 32
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
[kV]
Tensotildees no primaacuterio do transformador
de 10 MVA devido a manobra de
abertura do disjuntor do Cubiacuteculo 5 no
instante t = 165 ms Up = 482 kV
(fase B) com snubbers
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-30
-8
14
36
58
80
[kV]
Detalhe da tensatildeo entre os contatos
dos polos do disjuntor do Cub5
devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms com
snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 33
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cTRAFOA-RESA cTRAFOB-RESB
cTRAFOC-RESC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]0
15
30
45
60
75
90
[A]
Energia absorvida pelos resistores dos snubbers
Fase A = 812 J
Fase B = 257 J
Fase C = 184 J
Com snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 34
9 - ESPECIFICACcedilAtildeO
Tipo MOV
Modelo POLIM-D-36-11 ou Equivalente
Fabricante ABB SIEMENS ALSTOM TOSHIBA
Uc 36 kV
Un 45 kV
High Impulse Current 100 kA (410ms)
Nominal Discharge Current 10 kA (820ms)
Energia 36 kJkV(Uc)
Tipo Surto
Capacitacircncia Nominal 02 mF
Tensatildeo Nominal 345 kV
Frequecircncia Nominal 60 Hz
NBI 200 kV
Norma IEC 60871-12005
Sugestatildeo de Fabricantes ABB IneparIESA LAELC Alstom Nokian
Resistecircncia = 33 Ohms
Un= 345 kV
Potecircncia (Continuous) = gt 370 W
Energia = gt 60 kJ
NBI (BIL) = 200 kV
Tipo Resistor ceracircmico tubular natildeo indutivo
Sugestatildeo de Fabricantes KanthalOhmicEletele
Especificaccedilatildeo do Snubber
Paacutera-Raios
Capacitor de Surto
Resistor
SLD 35
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
a) Componentes
Devem ser de fabricantes
reconhecidos no mercado
b) Montagem
Os componentes devem ser
montados o mais proacuteximo
possiacutevel um do outro para
evitar indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
Preferecircncia para cordoalhas e
barras chatas para
interligaccedilatildeo
SLD 36
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
c) Instalaccedilatildeo
O conjunto deve ser instalado
o mais proacuteximo possiacutevel das
buchas de alta para evitar
elevadas indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
SLD 37
[01] IEEE Std C57142TM-2010
ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence and Mitigation of Switching Transients
Induced by Transformers Switching Device and System Interactionrdquo
[02] Transformer Failure due to circuit breaker induced switching transients
Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference (IampCPS) 2011
IEEE - David D Shipp Fellow IEEE Thomas J Dionise Senior Member IEEE
Visuth Lorch and Bill G MacFarlane PE Member IEEE
[03] Analysis of Integral Snubber Circuit Design for Transformers in Urban High Rise
Office Building IEEE Transactions on Industry Applications
[04] Medium-Voltage Switching Transient-Induced Potential Transformer Failures
Prediction Measurement and Practical Solutions
IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS VOL 49 NO 4
JULYAUGUST 2013 - Daniel C McDermit David D Shipp Fellow IEEE
Thomas J Dionise Senior Member IEEE and Visuth Lorch
[05] IEEE Std 1100 ndash IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding
Electronic Equipment (Emerald Book)
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 38
[06] IEEE Std 1159 ndash 1995
IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 39
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 40
httpecmwebcomcontentbasics-large-dry-type-transformers
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 10
(c) Surtos
Limite de Suportabilidade do
Equipamento
Surto
kV
Tempo
A tensatildeo na praacutetica natildeo atinge o infinito mas sim um valor alto (sobretensatildeo)
Apoacutes a abertura do dispositivo de manobra o sistema sai de um estado de
equiliacutebrio entra num novo estado de desequiliacutebrio energeacutetico que agora a energia
eletromagneacutetica eacute utilizada para carregar as capacitacircncias do sistema (frac12 CV2) A
sobretensatildeo da abertura carrega entatildeo os capacitores com esta tensatildeo mais
elevada que apoacutes a abertura troca energia com o indutor em cada lado do
dispositivo de manobra e oscila ateacute amortecer toda energia
Se natildeo houver onde amortecer (Resistecircncia) teoricamente a oscilaccedilatildeo natildeo
cessaria
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 11
(c) Surtos
Surtos devidos a descargas Atmosfeacutericas
Os surtos atmosfeacutericos quando caem sobre uma linha normalmente se divide em
dois I I2I2
As tensotildees que iratildeo se sobrepor agrave tensatildeo da rede seratildeo dadas por
Da mesma maneira que no chaveamento a descarga atmosfeacuterica tira o sistema
eleacutetrico do regime permanente e a nova situaccedilatildeo iraacute criar tambeacutem uma oscilaccedilatildeo
das energias armazenadas entre as capacitacircncias e a as indutacircncias do sistema
ateacute que esta energia seja dissipada por efeito Joule nas resistecircncias dos sistema
119881 = 119885119862 times119868
2ZC = Impedacircncia de Surto
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 12
(d) RESSONAcircNCIA PARALELA
Eacute sabido que as cargas natildeo lineares se
comportam como fontes de corrente
harmocircnica Nos sistemas eleacutetricos as
impedacircncias satildeo praticamente indutivas
representada pela reatacircncia das
maacutequinasequipamentos tais como
transformadores motores geradores cabos
etc Ao se introduzir um banco de capacitores
no sistema a fonte harmocircnica ldquoenxergardquo a
indutacircncia equivalente do sistema em
paralelo com a capacitacircncia como indicado
na figura seguinte visto que parte de sua
corrente vai para o sistema e parte para o
capacitor
IhC
L
Ressonacircncia Acuacutestica
Ressonacircncia pelo Vento
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 13
(d) RESSONAcircNCIA PARALELA
Ih
L
ZL =+jwL
ZC =-j [1(wC)]=-jXC
|Zh |= [XL XC ] [XL - XC ]
No plano W x w Reta pela Origem
No plano W x w Hipeacuterbole
w
W
XL
=XC
XC
=1 wC
wo
Conforme aumenta o tamanho do Capacitor
muda o ponto de ressonacircncia (Banco Autom)
XL
= wL Zh
wrsquoo
wrsquorsquoo
A fonte de corrente
harmocircnica Ih enxerga
uma impedacircncia Zh que
corresponde ao +jXL (=
jwL) em paralelo com -
jXC (= -j1wC)
Qdo XL =XC Zh LC
fLCC
L oo
ww
w2
111===
C
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 14
(d) RESSONAcircNCIA PARALELA
Mesmo com uma pequena corrente harmocircnica pode-se ter a ocorrecircncia da
ressonacircncia paralela entretanto esta ressonacircncia pode se tornar mais criacutetica
quando a frequecircncia de ressonacircncia wo (ou fo) coincidir ou ficar proacutexima de uma
frequecircncia caracteriacutestica (p ex 5 7 11 13 etc)
Caacutelculo simplificado da frequecircncia provaacutevel da ressonacircncia
A ordem da frequecircncia de ressonacircncia pode ser estimada de uma forma
simplificada atraveacutes da equaccedilatildeo abaixo
MVAr
MVAcch
EI
EI
I
I
X
E
E
Xh
X
Xh
Cf
CC
Cf
CC
Lf
Cf
Lf
Cf
=
====
3
32
h
XXh
ChLh
CL
XX
aressonacircncidecondiccedilatildeoNa
Cf
Lf
o
o
ChLh
=
=
=
=
ww
ww
1
1
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 15
(e) RESSONAcircNCIA SEacuteRIE
Sabe-se que a impedacircncia em um dado ponto pode ser escrita na forma
apresentada abaixo
Zp = R + j (XL ndash XC)
Quando XL = XC ter-se-aacute um valor de impedacircncia miacutenimo e igual a
Zp = R
Diferentemente da ressonacircncia paralela em que a impedacircncia eacute maacutexima a
impedacircncia na ressonacircncia seacuterie eacute miacutenima
0
02
04
06
08
1
12
14
0 5 10 15 20 25 30 35
Imp
eacircn
cia
(O
hm
s)
Ordem Harmocircnica
Ressonacircncia Seacuterie Trafo 1500 kVA-480V-250kVAr-535V
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 16
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Todo corpo fiacutesico possui uma ou mais frequecircncias proacuteprias a partir das quais o
mesmo pode entrar em ressonacircncia Apresenta-se a seguir um Graacutefico de Anaacutelise
do Scan de Frequecircncias de um transformador
As frequecircncias de ressonacircncia do
transformador satildeo 1087 kHz 346
kHz 4559 kHz 6002 kHz e 020
kHz Veja graacutefico ao lado
Como pode ser observado no graacutefico
fornecido pelo fabricante os mesmos
enfatizam os pontos correspondentes
os valores maacuteximos das
impedacircncias que representam as
ressonacircncias paralelas que vatildeo
causar sobretensotildees
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 17
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
A publicaccedilatildeo do IEEE Std C57142TM-2010 ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence
and Mitigation of Switching Transients Induced by Transformers Switching Device
and System Interactionrdquo [01]
Este Guia mostra a importacircncia de se
fazer a anaacutelise do Scan de Frequecircncia
enfatizando a importacircncia das
ressonacircncias seacuteries ou seja os valores
miacutenimos
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 18
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Qual das duas consideraccedilotildees eacute mais importante Ambas Veja comentaacuterio de um
dos maiores especialistas do mundo sobre o assunto
a) O Guia do IEEE C57142[01] foi a primeira boa tentativa de cobrir este assunto
b) Eu investiguei mais de 65 falhas em transformadores realizei mais de 400
estudos de transitoacuterios de chaveamento e construiacute mais de 1200 snubbers e
posso dizer que a anaacutelise do FSRA realmente nos revela muita coisa
c) O primeiro pico do graacutefico corresponde a um ponto de ressonacircncia paralela
Neste ponto ocorreraacute uma amplificaccedilatildeo da tensatildeo para as altas frequecircncias e
normalmente iraacute danificar a bucha ou as primeiras espiras do enrolamento
(curto entre espiras)
d) O primeiro vale corresponde a uma ressonacircncia seacuterie e nos diz em qual
frequecircncia ter-se-aacute frac12 onda Tipicamente resulta numa ressonacircncia interna que
danifica os enrolamentos em pontos proacuteximos a 13 da extremidade do
enrolamento a partir da bucha
e) O segundo vale tambeacutem corresponde a uma ressonacircncia seacuterie ocorrendo
uma amplificaccedilatildeo em frac34 da onda e danificando numa posiccedilatildeo proacutexima a 23
do enrolamento a partir da bucha
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 19
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Qual das duas consideraccedilotildees eacute mais importante Ambas Veja comentaacuterio de um
dos maiores especialistas do mundo sobre o assunto
f) Os transformadores enrolado em camadas (Layer Wound) e Cast Coil satildeo mais
susceptiacuteveis a essas condiccedilotildees de ressonacircncia interna
g) Transformadores de construccedilatildeo VPI (Vacuum Pressure Impregnated) satildeo mais
propensos a falhas de dvdt e as magnitudes da sobretensatildeo do que agraves
ressonacircncias internas
h) Este graacutefico nos daacute uma visatildeo interna da ressonacircncia do transformador para
eventos de alta frequecircncia decorrentes de chaveamento sem modelagens
complexas do transformador que cujas informaccedilotildees quase nunca satildeo
disponiacuteveis
i) Assim o trabalho do engenheiro especialista em sistema de potecircncia eacute fazer
com que estas ondas de alta frequecircncia natildeo atinjam o transformador sejam
nos picos sejam nos vales
Nota
A isolaccedilatildeo dos enrolamentos pode ser Open-wound vacuum pressure impregnation (VPI) vacuum
pressure encapsulated (VPE) encapsulated and cast coil
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 20
2009 ndash USA ndash Data Center ndash 30004500 kVA
2012 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash 6000kVA - Queima de 11
transformadores
2012 ndash Brasil ndash Planta Quiacutemica ndash 138 kV ndash Queima de 1 transformador
2013 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash 6000 kVA ndash Queima de 3
transformadores
2014 ndash Brasil ndash Induacutestria de Armas ndash 138 kV ndash 1250 kVA - Queima de 1
transformador
2014 ndash Brasil ndash Industria de equipamentos Eletrocircnicos ndash 138 kV ndash Queima de 1
Transformador
2014 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash Queima de 2 transformadores um de
6000 kVA e outro de 225 kVA
2014 ndash Brasil ndash Preacutedio Comercial ndash 345 kV ndash Queima de 1 transformador -2500kVA
3 - CASOS REAIS OCORRIDOS NO BRASIL E USA
SLD 21
Considere um transformador de trecircs enrolamentos como o do unifilar seguinte
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se
o seguinte
a) Transformador seco sem carenagem
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2
HVN
uacutecle
oLV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
HV
LV1 LV2
SLD 22
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se o seguinte
b) Transformador seco com carenagem
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2 HV
Nuacutecle
o
LV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
CH-T = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o invoacutelucro
CH-TC
xM
etaacute
lica I
nvoacutelu
cro
Meio isolante = Ar
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 23
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se o seguinte
c) Transformador a oacuteleo
LV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
CH-T = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o tanque (invoacutelucro)
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2 HV
Nuacutecle
o CH-TC
xM
etaacute
lica I
nvoacutelu
cro
Meio isolante = Oacuteleo
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 24
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 25
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 26
5 - O FENOcircMENO
O FENOcircMENO
Durante o processo de interrupccedilatildeo de corrente (processo eletromagneacutetico) natildeo
se consegue variar a corrente instantaneamente em um indutor (V = L didt) pois
teria que ter uma tensatildeo infinita o que eacute impossiacutevel fisicamente Entretanto esta
tensatildeo se eleva rapidamente e carrega entatildeo as capacitacircncias com uma energia
igual a
Ou seja a energia que estava armazenada nas indutacircncias iraacute ser transferida para
as capacitacircncias ou seja como C eacute constante o aumento da energia implica no
aumento da tensatildeo
Apoacutes a interrupccedilatildeo o capacitor iraacute tentar um novo estado de equiliacutebrio no sistema e
comeccedila entatildeo a trocar energias com as indutacircncias (do novo sistema devido agrave
nova configuraccedilatildeo) no caso a bobina do transformador
Devido agraves elevadas magnitudes e valores de dVdt do processo acima
mencionado os isolamentos natildeo suportam o ldquostressrdquo danificando-se
119864119862 =1
2times 119862 times 1198812
SLD 27
O FENOcircMENO
Como descrito nas normas e literaturas pertinentes o BIL eacute um ensaio destrutivo
para impulso atmosfeacuterico que o transformador somente deveraacute suportar poucas
vezes em sua vida uacutetil
Os chaveamentos dos disjuntores inuacutemeras vezes na vida uacutetil e mesmo natildeo se
atingindo o valor do BIL devido agraves elevadas magnitudes e dVdt vai-se
envelhecendo a isolaccedilatildeo ateacute que em determinado momento a mesma poderaacute
falhar
Na praacutetica este processo eacute ateacute um pouco mais complexo pois este fenocircmeno pode
ocorrer na energizaccedilatildeo no desligamento ou devido aos re-strikes (reacendimento
do arco quando a tensatildeo de TRV-Transient Recovery Voltage ultrapassa o limite
dieleacutetrico suportaacutevel pelo meio de extinccedilatildeo do disjuntor durante a abertura) Outro
fato que corrobora para agravar o problema eacute a interrupccedilatildeo de corrente antes da
mesma atingir o zero (chop current)
A interrupccedilatildeo da corrente provoca o aumento do moacutedulo da tensatildeo na carga e o re-
strike provoca um aumento do dVdt do lado carga ou seja da frequecircncia
5 - O FENOcircMENO
SLD 28
6 - MITIGACcedilAtildeO
MITIGACcedilAtildeO
Para a mitigaccedilatildeo utilizam-se paacutera-raios e snubbers como mostrado na figura
seguinte
SLD 29
7 - MODELAGEM
MODELAGEM
a) Modelagem do sistema
Para a modelagem do sistema eacute utilizado um programa de Transitoacuterios
Eletromagneacuteticos (p ex ATP EMTP-RV etc)
b) Modelagem dos componentes do Sistema
Cabos e Linhas
Transformadores
Disjuntores
Concessionaacuteria
Paacutera-raios
Resistores de Aterramento
Capacitores
Filtros
Carga
SLD 30
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC mNBI
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Tensotildees no primaacuterio de um
transformador de 10 MVA345kV
devido a manobra de abertura de
disjuntor no instante t = 165 ms
Up = 304 kV (fase A) 1667 MHz
sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t)
factors
offsets
1
000E+00
v TRAFOA
-1
000E+00
mNBI
1
000E+00
2410 2415 2420 2425 2430 2435 2440 2445 2450[ms]
-200
-100
0
100
200
300
103
Zoom da Figura ao lado mostrando a
tensatildeo (fase A) no primaacuterio do
transformador TR-16 de 10 MVA
devido a manobra de abertura do
disjuntor do cubiacuteculo H13 no instante t
= 165 ms Up = 304 kV (fase A)
1667 MHz sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 31
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC mRD
160 175 190 205 220 235 250[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Detalhe da tensatildeo de repique(restrike)
entre os contatos dos polos do disjuntor o
Cub 5 devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms
ldquoRDrdquo refere-se a recuperaccedilatildeo do
dieleacutetrico durante a abertura do disjuntor
(36 Vμs) sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cZA -YA
236 238 240 242 244 246[ms]-1200
-800
-400
0
400
800
1200
[A]
Detalhe da corrente entre os
contatos do polo A do disjuntor do
Cub5 devido a manobra de
abertura do disjuntor no instante t =
165 ms sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 32
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
[kV]
Tensotildees no primaacuterio do transformador
de 10 MVA devido a manobra de
abertura do disjuntor do Cubiacuteculo 5 no
instante t = 165 ms Up = 482 kV
(fase B) com snubbers
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-30
-8
14
36
58
80
[kV]
Detalhe da tensatildeo entre os contatos
dos polos do disjuntor do Cub5
devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms com
snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 33
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cTRAFOA-RESA cTRAFOB-RESB
cTRAFOC-RESC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]0
15
30
45
60
75
90
[A]
Energia absorvida pelos resistores dos snubbers
Fase A = 812 J
Fase B = 257 J
Fase C = 184 J
Com snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 34
9 - ESPECIFICACcedilAtildeO
Tipo MOV
Modelo POLIM-D-36-11 ou Equivalente
Fabricante ABB SIEMENS ALSTOM TOSHIBA
Uc 36 kV
Un 45 kV
High Impulse Current 100 kA (410ms)
Nominal Discharge Current 10 kA (820ms)
Energia 36 kJkV(Uc)
Tipo Surto
Capacitacircncia Nominal 02 mF
Tensatildeo Nominal 345 kV
Frequecircncia Nominal 60 Hz
NBI 200 kV
Norma IEC 60871-12005
Sugestatildeo de Fabricantes ABB IneparIESA LAELC Alstom Nokian
Resistecircncia = 33 Ohms
Un= 345 kV
Potecircncia (Continuous) = gt 370 W
Energia = gt 60 kJ
NBI (BIL) = 200 kV
Tipo Resistor ceracircmico tubular natildeo indutivo
Sugestatildeo de Fabricantes KanthalOhmicEletele
Especificaccedilatildeo do Snubber
Paacutera-Raios
Capacitor de Surto
Resistor
SLD 35
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
a) Componentes
Devem ser de fabricantes
reconhecidos no mercado
b) Montagem
Os componentes devem ser
montados o mais proacuteximo
possiacutevel um do outro para
evitar indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
Preferecircncia para cordoalhas e
barras chatas para
interligaccedilatildeo
SLD 36
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
c) Instalaccedilatildeo
O conjunto deve ser instalado
o mais proacuteximo possiacutevel das
buchas de alta para evitar
elevadas indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
SLD 37
[01] IEEE Std C57142TM-2010
ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence and Mitigation of Switching Transients
Induced by Transformers Switching Device and System Interactionrdquo
[02] Transformer Failure due to circuit breaker induced switching transients
Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference (IampCPS) 2011
IEEE - David D Shipp Fellow IEEE Thomas J Dionise Senior Member IEEE
Visuth Lorch and Bill G MacFarlane PE Member IEEE
[03] Analysis of Integral Snubber Circuit Design for Transformers in Urban High Rise
Office Building IEEE Transactions on Industry Applications
[04] Medium-Voltage Switching Transient-Induced Potential Transformer Failures
Prediction Measurement and Practical Solutions
IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS VOL 49 NO 4
JULYAUGUST 2013 - Daniel C McDermit David D Shipp Fellow IEEE
Thomas J Dionise Senior Member IEEE and Visuth Lorch
[05] IEEE Std 1100 ndash IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding
Electronic Equipment (Emerald Book)
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 38
[06] IEEE Std 1159 ndash 1995
IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 39
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 40
httpecmwebcomcontentbasics-large-dry-type-transformers
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 11
(c) Surtos
Surtos devidos a descargas Atmosfeacutericas
Os surtos atmosfeacutericos quando caem sobre uma linha normalmente se divide em
dois I I2I2
As tensotildees que iratildeo se sobrepor agrave tensatildeo da rede seratildeo dadas por
Da mesma maneira que no chaveamento a descarga atmosfeacuterica tira o sistema
eleacutetrico do regime permanente e a nova situaccedilatildeo iraacute criar tambeacutem uma oscilaccedilatildeo
das energias armazenadas entre as capacitacircncias e a as indutacircncias do sistema
ateacute que esta energia seja dissipada por efeito Joule nas resistecircncias dos sistema
119881 = 119885119862 times119868
2ZC = Impedacircncia de Surto
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 12
(d) RESSONAcircNCIA PARALELA
Eacute sabido que as cargas natildeo lineares se
comportam como fontes de corrente
harmocircnica Nos sistemas eleacutetricos as
impedacircncias satildeo praticamente indutivas
representada pela reatacircncia das
maacutequinasequipamentos tais como
transformadores motores geradores cabos
etc Ao se introduzir um banco de capacitores
no sistema a fonte harmocircnica ldquoenxergardquo a
indutacircncia equivalente do sistema em
paralelo com a capacitacircncia como indicado
na figura seguinte visto que parte de sua
corrente vai para o sistema e parte para o
capacitor
IhC
L
Ressonacircncia Acuacutestica
Ressonacircncia pelo Vento
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 13
(d) RESSONAcircNCIA PARALELA
Ih
L
ZL =+jwL
ZC =-j [1(wC)]=-jXC
|Zh |= [XL XC ] [XL - XC ]
No plano W x w Reta pela Origem
No plano W x w Hipeacuterbole
w
W
XL
=XC
XC
=1 wC
wo
Conforme aumenta o tamanho do Capacitor
muda o ponto de ressonacircncia (Banco Autom)
XL
= wL Zh
wrsquoo
wrsquorsquoo
A fonte de corrente
harmocircnica Ih enxerga
uma impedacircncia Zh que
corresponde ao +jXL (=
jwL) em paralelo com -
jXC (= -j1wC)
Qdo XL =XC Zh LC
fLCC
L oo
ww
w2
111===
C
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 14
(d) RESSONAcircNCIA PARALELA
Mesmo com uma pequena corrente harmocircnica pode-se ter a ocorrecircncia da
ressonacircncia paralela entretanto esta ressonacircncia pode se tornar mais criacutetica
quando a frequecircncia de ressonacircncia wo (ou fo) coincidir ou ficar proacutexima de uma
frequecircncia caracteriacutestica (p ex 5 7 11 13 etc)
Caacutelculo simplificado da frequecircncia provaacutevel da ressonacircncia
A ordem da frequecircncia de ressonacircncia pode ser estimada de uma forma
simplificada atraveacutes da equaccedilatildeo abaixo
MVAr
MVAcch
EI
EI
I
I
X
E
E
Xh
X
Xh
Cf
CC
Cf
CC
Lf
Cf
Lf
Cf
=
====
3
32
h
XXh
ChLh
CL
XX
aressonacircncidecondiccedilatildeoNa
Cf
Lf
o
o
ChLh
=
=
=
=
ww
ww
1
1
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 15
(e) RESSONAcircNCIA SEacuteRIE
Sabe-se que a impedacircncia em um dado ponto pode ser escrita na forma
apresentada abaixo
Zp = R + j (XL ndash XC)
Quando XL = XC ter-se-aacute um valor de impedacircncia miacutenimo e igual a
Zp = R
Diferentemente da ressonacircncia paralela em que a impedacircncia eacute maacutexima a
impedacircncia na ressonacircncia seacuterie eacute miacutenima
0
02
04
06
08
1
12
14
0 5 10 15 20 25 30 35
Imp
eacircn
cia
(O
hm
s)
Ordem Harmocircnica
Ressonacircncia Seacuterie Trafo 1500 kVA-480V-250kVAr-535V
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 16
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Todo corpo fiacutesico possui uma ou mais frequecircncias proacuteprias a partir das quais o
mesmo pode entrar em ressonacircncia Apresenta-se a seguir um Graacutefico de Anaacutelise
do Scan de Frequecircncias de um transformador
As frequecircncias de ressonacircncia do
transformador satildeo 1087 kHz 346
kHz 4559 kHz 6002 kHz e 020
kHz Veja graacutefico ao lado
Como pode ser observado no graacutefico
fornecido pelo fabricante os mesmos
enfatizam os pontos correspondentes
os valores maacuteximos das
impedacircncias que representam as
ressonacircncias paralelas que vatildeo
causar sobretensotildees
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 17
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
A publicaccedilatildeo do IEEE Std C57142TM-2010 ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence
and Mitigation of Switching Transients Induced by Transformers Switching Device
and System Interactionrdquo [01]
Este Guia mostra a importacircncia de se
fazer a anaacutelise do Scan de Frequecircncia
enfatizando a importacircncia das
ressonacircncias seacuteries ou seja os valores
miacutenimos
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 18
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Qual das duas consideraccedilotildees eacute mais importante Ambas Veja comentaacuterio de um
dos maiores especialistas do mundo sobre o assunto
a) O Guia do IEEE C57142[01] foi a primeira boa tentativa de cobrir este assunto
b) Eu investiguei mais de 65 falhas em transformadores realizei mais de 400
estudos de transitoacuterios de chaveamento e construiacute mais de 1200 snubbers e
posso dizer que a anaacutelise do FSRA realmente nos revela muita coisa
c) O primeiro pico do graacutefico corresponde a um ponto de ressonacircncia paralela
Neste ponto ocorreraacute uma amplificaccedilatildeo da tensatildeo para as altas frequecircncias e
normalmente iraacute danificar a bucha ou as primeiras espiras do enrolamento
(curto entre espiras)
d) O primeiro vale corresponde a uma ressonacircncia seacuterie e nos diz em qual
frequecircncia ter-se-aacute frac12 onda Tipicamente resulta numa ressonacircncia interna que
danifica os enrolamentos em pontos proacuteximos a 13 da extremidade do
enrolamento a partir da bucha
e) O segundo vale tambeacutem corresponde a uma ressonacircncia seacuterie ocorrendo
uma amplificaccedilatildeo em frac34 da onda e danificando numa posiccedilatildeo proacutexima a 23
do enrolamento a partir da bucha
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 19
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Qual das duas consideraccedilotildees eacute mais importante Ambas Veja comentaacuterio de um
dos maiores especialistas do mundo sobre o assunto
f) Os transformadores enrolado em camadas (Layer Wound) e Cast Coil satildeo mais
susceptiacuteveis a essas condiccedilotildees de ressonacircncia interna
g) Transformadores de construccedilatildeo VPI (Vacuum Pressure Impregnated) satildeo mais
propensos a falhas de dvdt e as magnitudes da sobretensatildeo do que agraves
ressonacircncias internas
h) Este graacutefico nos daacute uma visatildeo interna da ressonacircncia do transformador para
eventos de alta frequecircncia decorrentes de chaveamento sem modelagens
complexas do transformador que cujas informaccedilotildees quase nunca satildeo
disponiacuteveis
i) Assim o trabalho do engenheiro especialista em sistema de potecircncia eacute fazer
com que estas ondas de alta frequecircncia natildeo atinjam o transformador sejam
nos picos sejam nos vales
Nota
A isolaccedilatildeo dos enrolamentos pode ser Open-wound vacuum pressure impregnation (VPI) vacuum
pressure encapsulated (VPE) encapsulated and cast coil
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 20
2009 ndash USA ndash Data Center ndash 30004500 kVA
2012 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash 6000kVA - Queima de 11
transformadores
2012 ndash Brasil ndash Planta Quiacutemica ndash 138 kV ndash Queima de 1 transformador
2013 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash 6000 kVA ndash Queima de 3
transformadores
2014 ndash Brasil ndash Induacutestria de Armas ndash 138 kV ndash 1250 kVA - Queima de 1
transformador
2014 ndash Brasil ndash Industria de equipamentos Eletrocircnicos ndash 138 kV ndash Queima de 1
Transformador
2014 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash Queima de 2 transformadores um de
6000 kVA e outro de 225 kVA
2014 ndash Brasil ndash Preacutedio Comercial ndash 345 kV ndash Queima de 1 transformador -2500kVA
3 - CASOS REAIS OCORRIDOS NO BRASIL E USA
SLD 21
Considere um transformador de trecircs enrolamentos como o do unifilar seguinte
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se
o seguinte
a) Transformador seco sem carenagem
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2
HVN
uacutecle
oLV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
HV
LV1 LV2
SLD 22
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se o seguinte
b) Transformador seco com carenagem
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2 HV
Nuacutecle
o
LV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
CH-T = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o invoacutelucro
CH-TC
xM
etaacute
lica I
nvoacutelu
cro
Meio isolante = Ar
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 23
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se o seguinte
c) Transformador a oacuteleo
LV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
CH-T = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o tanque (invoacutelucro)
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2 HV
Nuacutecle
o CH-TC
xM
etaacute
lica I
nvoacutelu
cro
Meio isolante = Oacuteleo
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 24
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 25
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 26
5 - O FENOcircMENO
O FENOcircMENO
Durante o processo de interrupccedilatildeo de corrente (processo eletromagneacutetico) natildeo
se consegue variar a corrente instantaneamente em um indutor (V = L didt) pois
teria que ter uma tensatildeo infinita o que eacute impossiacutevel fisicamente Entretanto esta
tensatildeo se eleva rapidamente e carrega entatildeo as capacitacircncias com uma energia
igual a
Ou seja a energia que estava armazenada nas indutacircncias iraacute ser transferida para
as capacitacircncias ou seja como C eacute constante o aumento da energia implica no
aumento da tensatildeo
Apoacutes a interrupccedilatildeo o capacitor iraacute tentar um novo estado de equiliacutebrio no sistema e
comeccedila entatildeo a trocar energias com as indutacircncias (do novo sistema devido agrave
nova configuraccedilatildeo) no caso a bobina do transformador
Devido agraves elevadas magnitudes e valores de dVdt do processo acima
mencionado os isolamentos natildeo suportam o ldquostressrdquo danificando-se
119864119862 =1
2times 119862 times 1198812
SLD 27
O FENOcircMENO
Como descrito nas normas e literaturas pertinentes o BIL eacute um ensaio destrutivo
para impulso atmosfeacuterico que o transformador somente deveraacute suportar poucas
vezes em sua vida uacutetil
Os chaveamentos dos disjuntores inuacutemeras vezes na vida uacutetil e mesmo natildeo se
atingindo o valor do BIL devido agraves elevadas magnitudes e dVdt vai-se
envelhecendo a isolaccedilatildeo ateacute que em determinado momento a mesma poderaacute
falhar
Na praacutetica este processo eacute ateacute um pouco mais complexo pois este fenocircmeno pode
ocorrer na energizaccedilatildeo no desligamento ou devido aos re-strikes (reacendimento
do arco quando a tensatildeo de TRV-Transient Recovery Voltage ultrapassa o limite
dieleacutetrico suportaacutevel pelo meio de extinccedilatildeo do disjuntor durante a abertura) Outro
fato que corrobora para agravar o problema eacute a interrupccedilatildeo de corrente antes da
mesma atingir o zero (chop current)
A interrupccedilatildeo da corrente provoca o aumento do moacutedulo da tensatildeo na carga e o re-
strike provoca um aumento do dVdt do lado carga ou seja da frequecircncia
5 - O FENOcircMENO
SLD 28
6 - MITIGACcedilAtildeO
MITIGACcedilAtildeO
Para a mitigaccedilatildeo utilizam-se paacutera-raios e snubbers como mostrado na figura
seguinte
SLD 29
7 - MODELAGEM
MODELAGEM
a) Modelagem do sistema
Para a modelagem do sistema eacute utilizado um programa de Transitoacuterios
Eletromagneacuteticos (p ex ATP EMTP-RV etc)
b) Modelagem dos componentes do Sistema
Cabos e Linhas
Transformadores
Disjuntores
Concessionaacuteria
Paacutera-raios
Resistores de Aterramento
Capacitores
Filtros
Carga
SLD 30
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC mNBI
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Tensotildees no primaacuterio de um
transformador de 10 MVA345kV
devido a manobra de abertura de
disjuntor no instante t = 165 ms
Up = 304 kV (fase A) 1667 MHz
sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t)
factors
offsets
1
000E+00
v TRAFOA
-1
000E+00
mNBI
1
000E+00
2410 2415 2420 2425 2430 2435 2440 2445 2450[ms]
-200
-100
0
100
200
300
103
Zoom da Figura ao lado mostrando a
tensatildeo (fase A) no primaacuterio do
transformador TR-16 de 10 MVA
devido a manobra de abertura do
disjuntor do cubiacuteculo H13 no instante t
= 165 ms Up = 304 kV (fase A)
1667 MHz sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 31
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC mRD
160 175 190 205 220 235 250[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Detalhe da tensatildeo de repique(restrike)
entre os contatos dos polos do disjuntor o
Cub 5 devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms
ldquoRDrdquo refere-se a recuperaccedilatildeo do
dieleacutetrico durante a abertura do disjuntor
(36 Vμs) sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cZA -YA
236 238 240 242 244 246[ms]-1200
-800
-400
0
400
800
1200
[A]
Detalhe da corrente entre os
contatos do polo A do disjuntor do
Cub5 devido a manobra de
abertura do disjuntor no instante t =
165 ms sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 32
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
[kV]
Tensotildees no primaacuterio do transformador
de 10 MVA devido a manobra de
abertura do disjuntor do Cubiacuteculo 5 no
instante t = 165 ms Up = 482 kV
(fase B) com snubbers
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-30
-8
14
36
58
80
[kV]
Detalhe da tensatildeo entre os contatos
dos polos do disjuntor do Cub5
devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms com
snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 33
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cTRAFOA-RESA cTRAFOB-RESB
cTRAFOC-RESC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]0
15
30
45
60
75
90
[A]
Energia absorvida pelos resistores dos snubbers
Fase A = 812 J
Fase B = 257 J
Fase C = 184 J
Com snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 34
9 - ESPECIFICACcedilAtildeO
Tipo MOV
Modelo POLIM-D-36-11 ou Equivalente
Fabricante ABB SIEMENS ALSTOM TOSHIBA
Uc 36 kV
Un 45 kV
High Impulse Current 100 kA (410ms)
Nominal Discharge Current 10 kA (820ms)
Energia 36 kJkV(Uc)
Tipo Surto
Capacitacircncia Nominal 02 mF
Tensatildeo Nominal 345 kV
Frequecircncia Nominal 60 Hz
NBI 200 kV
Norma IEC 60871-12005
Sugestatildeo de Fabricantes ABB IneparIESA LAELC Alstom Nokian
Resistecircncia = 33 Ohms
Un= 345 kV
Potecircncia (Continuous) = gt 370 W
Energia = gt 60 kJ
NBI (BIL) = 200 kV
Tipo Resistor ceracircmico tubular natildeo indutivo
Sugestatildeo de Fabricantes KanthalOhmicEletele
Especificaccedilatildeo do Snubber
Paacutera-Raios
Capacitor de Surto
Resistor
SLD 35
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
a) Componentes
Devem ser de fabricantes
reconhecidos no mercado
b) Montagem
Os componentes devem ser
montados o mais proacuteximo
possiacutevel um do outro para
evitar indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
Preferecircncia para cordoalhas e
barras chatas para
interligaccedilatildeo
SLD 36
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
c) Instalaccedilatildeo
O conjunto deve ser instalado
o mais proacuteximo possiacutevel das
buchas de alta para evitar
elevadas indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
SLD 37
[01] IEEE Std C57142TM-2010
ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence and Mitigation of Switching Transients
Induced by Transformers Switching Device and System Interactionrdquo
[02] Transformer Failure due to circuit breaker induced switching transients
Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference (IampCPS) 2011
IEEE - David D Shipp Fellow IEEE Thomas J Dionise Senior Member IEEE
Visuth Lorch and Bill G MacFarlane PE Member IEEE
[03] Analysis of Integral Snubber Circuit Design for Transformers in Urban High Rise
Office Building IEEE Transactions on Industry Applications
[04] Medium-Voltage Switching Transient-Induced Potential Transformer Failures
Prediction Measurement and Practical Solutions
IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS VOL 49 NO 4
JULYAUGUST 2013 - Daniel C McDermit David D Shipp Fellow IEEE
Thomas J Dionise Senior Member IEEE and Visuth Lorch
[05] IEEE Std 1100 ndash IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding
Electronic Equipment (Emerald Book)
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 38
[06] IEEE Std 1159 ndash 1995
IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 39
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 40
httpecmwebcomcontentbasics-large-dry-type-transformers
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 12
(d) RESSONAcircNCIA PARALELA
Eacute sabido que as cargas natildeo lineares se
comportam como fontes de corrente
harmocircnica Nos sistemas eleacutetricos as
impedacircncias satildeo praticamente indutivas
representada pela reatacircncia das
maacutequinasequipamentos tais como
transformadores motores geradores cabos
etc Ao se introduzir um banco de capacitores
no sistema a fonte harmocircnica ldquoenxergardquo a
indutacircncia equivalente do sistema em
paralelo com a capacitacircncia como indicado
na figura seguinte visto que parte de sua
corrente vai para o sistema e parte para o
capacitor
IhC
L
Ressonacircncia Acuacutestica
Ressonacircncia pelo Vento
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 13
(d) RESSONAcircNCIA PARALELA
Ih
L
ZL =+jwL
ZC =-j [1(wC)]=-jXC
|Zh |= [XL XC ] [XL - XC ]
No plano W x w Reta pela Origem
No plano W x w Hipeacuterbole
w
W
XL
=XC
XC
=1 wC
wo
Conforme aumenta o tamanho do Capacitor
muda o ponto de ressonacircncia (Banco Autom)
XL
= wL Zh
wrsquoo
wrsquorsquoo
A fonte de corrente
harmocircnica Ih enxerga
uma impedacircncia Zh que
corresponde ao +jXL (=
jwL) em paralelo com -
jXC (= -j1wC)
Qdo XL =XC Zh LC
fLCC
L oo
ww
w2
111===
C
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 14
(d) RESSONAcircNCIA PARALELA
Mesmo com uma pequena corrente harmocircnica pode-se ter a ocorrecircncia da
ressonacircncia paralela entretanto esta ressonacircncia pode se tornar mais criacutetica
quando a frequecircncia de ressonacircncia wo (ou fo) coincidir ou ficar proacutexima de uma
frequecircncia caracteriacutestica (p ex 5 7 11 13 etc)
Caacutelculo simplificado da frequecircncia provaacutevel da ressonacircncia
A ordem da frequecircncia de ressonacircncia pode ser estimada de uma forma
simplificada atraveacutes da equaccedilatildeo abaixo
MVAr
MVAcch
EI
EI
I
I
X
E
E
Xh
X
Xh
Cf
CC
Cf
CC
Lf
Cf
Lf
Cf
=
====
3
32
h
XXh
ChLh
CL
XX
aressonacircncidecondiccedilatildeoNa
Cf
Lf
o
o
ChLh
=
=
=
=
ww
ww
1
1
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 15
(e) RESSONAcircNCIA SEacuteRIE
Sabe-se que a impedacircncia em um dado ponto pode ser escrita na forma
apresentada abaixo
Zp = R + j (XL ndash XC)
Quando XL = XC ter-se-aacute um valor de impedacircncia miacutenimo e igual a
Zp = R
Diferentemente da ressonacircncia paralela em que a impedacircncia eacute maacutexima a
impedacircncia na ressonacircncia seacuterie eacute miacutenima
0
02
04
06
08
1
12
14
0 5 10 15 20 25 30 35
Imp
eacircn
cia
(O
hm
s)
Ordem Harmocircnica
Ressonacircncia Seacuterie Trafo 1500 kVA-480V-250kVAr-535V
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 16
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Todo corpo fiacutesico possui uma ou mais frequecircncias proacuteprias a partir das quais o
mesmo pode entrar em ressonacircncia Apresenta-se a seguir um Graacutefico de Anaacutelise
do Scan de Frequecircncias de um transformador
As frequecircncias de ressonacircncia do
transformador satildeo 1087 kHz 346
kHz 4559 kHz 6002 kHz e 020
kHz Veja graacutefico ao lado
Como pode ser observado no graacutefico
fornecido pelo fabricante os mesmos
enfatizam os pontos correspondentes
os valores maacuteximos das
impedacircncias que representam as
ressonacircncias paralelas que vatildeo
causar sobretensotildees
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 17
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
A publicaccedilatildeo do IEEE Std C57142TM-2010 ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence
and Mitigation of Switching Transients Induced by Transformers Switching Device
and System Interactionrdquo [01]
Este Guia mostra a importacircncia de se
fazer a anaacutelise do Scan de Frequecircncia
enfatizando a importacircncia das
ressonacircncias seacuteries ou seja os valores
miacutenimos
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 18
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Qual das duas consideraccedilotildees eacute mais importante Ambas Veja comentaacuterio de um
dos maiores especialistas do mundo sobre o assunto
a) O Guia do IEEE C57142[01] foi a primeira boa tentativa de cobrir este assunto
b) Eu investiguei mais de 65 falhas em transformadores realizei mais de 400
estudos de transitoacuterios de chaveamento e construiacute mais de 1200 snubbers e
posso dizer que a anaacutelise do FSRA realmente nos revela muita coisa
c) O primeiro pico do graacutefico corresponde a um ponto de ressonacircncia paralela
Neste ponto ocorreraacute uma amplificaccedilatildeo da tensatildeo para as altas frequecircncias e
normalmente iraacute danificar a bucha ou as primeiras espiras do enrolamento
(curto entre espiras)
d) O primeiro vale corresponde a uma ressonacircncia seacuterie e nos diz em qual
frequecircncia ter-se-aacute frac12 onda Tipicamente resulta numa ressonacircncia interna que
danifica os enrolamentos em pontos proacuteximos a 13 da extremidade do
enrolamento a partir da bucha
e) O segundo vale tambeacutem corresponde a uma ressonacircncia seacuterie ocorrendo
uma amplificaccedilatildeo em frac34 da onda e danificando numa posiccedilatildeo proacutexima a 23
do enrolamento a partir da bucha
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 19
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Qual das duas consideraccedilotildees eacute mais importante Ambas Veja comentaacuterio de um
dos maiores especialistas do mundo sobre o assunto
f) Os transformadores enrolado em camadas (Layer Wound) e Cast Coil satildeo mais
susceptiacuteveis a essas condiccedilotildees de ressonacircncia interna
g) Transformadores de construccedilatildeo VPI (Vacuum Pressure Impregnated) satildeo mais
propensos a falhas de dvdt e as magnitudes da sobretensatildeo do que agraves
ressonacircncias internas
h) Este graacutefico nos daacute uma visatildeo interna da ressonacircncia do transformador para
eventos de alta frequecircncia decorrentes de chaveamento sem modelagens
complexas do transformador que cujas informaccedilotildees quase nunca satildeo
disponiacuteveis
i) Assim o trabalho do engenheiro especialista em sistema de potecircncia eacute fazer
com que estas ondas de alta frequecircncia natildeo atinjam o transformador sejam
nos picos sejam nos vales
Nota
A isolaccedilatildeo dos enrolamentos pode ser Open-wound vacuum pressure impregnation (VPI) vacuum
pressure encapsulated (VPE) encapsulated and cast coil
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 20
2009 ndash USA ndash Data Center ndash 30004500 kVA
2012 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash 6000kVA - Queima de 11
transformadores
2012 ndash Brasil ndash Planta Quiacutemica ndash 138 kV ndash Queima de 1 transformador
2013 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash 6000 kVA ndash Queima de 3
transformadores
2014 ndash Brasil ndash Induacutestria de Armas ndash 138 kV ndash 1250 kVA - Queima de 1
transformador
2014 ndash Brasil ndash Industria de equipamentos Eletrocircnicos ndash 138 kV ndash Queima de 1
Transformador
2014 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash Queima de 2 transformadores um de
6000 kVA e outro de 225 kVA
2014 ndash Brasil ndash Preacutedio Comercial ndash 345 kV ndash Queima de 1 transformador -2500kVA
3 - CASOS REAIS OCORRIDOS NO BRASIL E USA
SLD 21
Considere um transformador de trecircs enrolamentos como o do unifilar seguinte
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se
o seguinte
a) Transformador seco sem carenagem
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2
HVN
uacutecle
oLV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
HV
LV1 LV2
SLD 22
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se o seguinte
b) Transformador seco com carenagem
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2 HV
Nuacutecle
o
LV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
CH-T = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o invoacutelucro
CH-TC
xM
etaacute
lica I
nvoacutelu
cro
Meio isolante = Ar
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 23
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se o seguinte
c) Transformador a oacuteleo
LV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
CH-T = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o tanque (invoacutelucro)
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2 HV
Nuacutecle
o CH-TC
xM
etaacute
lica I
nvoacutelu
cro
Meio isolante = Oacuteleo
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 24
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 25
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 26
5 - O FENOcircMENO
O FENOcircMENO
Durante o processo de interrupccedilatildeo de corrente (processo eletromagneacutetico) natildeo
se consegue variar a corrente instantaneamente em um indutor (V = L didt) pois
teria que ter uma tensatildeo infinita o que eacute impossiacutevel fisicamente Entretanto esta
tensatildeo se eleva rapidamente e carrega entatildeo as capacitacircncias com uma energia
igual a
Ou seja a energia que estava armazenada nas indutacircncias iraacute ser transferida para
as capacitacircncias ou seja como C eacute constante o aumento da energia implica no
aumento da tensatildeo
Apoacutes a interrupccedilatildeo o capacitor iraacute tentar um novo estado de equiliacutebrio no sistema e
comeccedila entatildeo a trocar energias com as indutacircncias (do novo sistema devido agrave
nova configuraccedilatildeo) no caso a bobina do transformador
Devido agraves elevadas magnitudes e valores de dVdt do processo acima
mencionado os isolamentos natildeo suportam o ldquostressrdquo danificando-se
119864119862 =1
2times 119862 times 1198812
SLD 27
O FENOcircMENO
Como descrito nas normas e literaturas pertinentes o BIL eacute um ensaio destrutivo
para impulso atmosfeacuterico que o transformador somente deveraacute suportar poucas
vezes em sua vida uacutetil
Os chaveamentos dos disjuntores inuacutemeras vezes na vida uacutetil e mesmo natildeo se
atingindo o valor do BIL devido agraves elevadas magnitudes e dVdt vai-se
envelhecendo a isolaccedilatildeo ateacute que em determinado momento a mesma poderaacute
falhar
Na praacutetica este processo eacute ateacute um pouco mais complexo pois este fenocircmeno pode
ocorrer na energizaccedilatildeo no desligamento ou devido aos re-strikes (reacendimento
do arco quando a tensatildeo de TRV-Transient Recovery Voltage ultrapassa o limite
dieleacutetrico suportaacutevel pelo meio de extinccedilatildeo do disjuntor durante a abertura) Outro
fato que corrobora para agravar o problema eacute a interrupccedilatildeo de corrente antes da
mesma atingir o zero (chop current)
A interrupccedilatildeo da corrente provoca o aumento do moacutedulo da tensatildeo na carga e o re-
strike provoca um aumento do dVdt do lado carga ou seja da frequecircncia
5 - O FENOcircMENO
SLD 28
6 - MITIGACcedilAtildeO
MITIGACcedilAtildeO
Para a mitigaccedilatildeo utilizam-se paacutera-raios e snubbers como mostrado na figura
seguinte
SLD 29
7 - MODELAGEM
MODELAGEM
a) Modelagem do sistema
Para a modelagem do sistema eacute utilizado um programa de Transitoacuterios
Eletromagneacuteticos (p ex ATP EMTP-RV etc)
b) Modelagem dos componentes do Sistema
Cabos e Linhas
Transformadores
Disjuntores
Concessionaacuteria
Paacutera-raios
Resistores de Aterramento
Capacitores
Filtros
Carga
SLD 30
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC mNBI
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Tensotildees no primaacuterio de um
transformador de 10 MVA345kV
devido a manobra de abertura de
disjuntor no instante t = 165 ms
Up = 304 kV (fase A) 1667 MHz
sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t)
factors
offsets
1
000E+00
v TRAFOA
-1
000E+00
mNBI
1
000E+00
2410 2415 2420 2425 2430 2435 2440 2445 2450[ms]
-200
-100
0
100
200
300
103
Zoom da Figura ao lado mostrando a
tensatildeo (fase A) no primaacuterio do
transformador TR-16 de 10 MVA
devido a manobra de abertura do
disjuntor do cubiacuteculo H13 no instante t
= 165 ms Up = 304 kV (fase A)
1667 MHz sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 31
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC mRD
160 175 190 205 220 235 250[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Detalhe da tensatildeo de repique(restrike)
entre os contatos dos polos do disjuntor o
Cub 5 devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms
ldquoRDrdquo refere-se a recuperaccedilatildeo do
dieleacutetrico durante a abertura do disjuntor
(36 Vμs) sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cZA -YA
236 238 240 242 244 246[ms]-1200
-800
-400
0
400
800
1200
[A]
Detalhe da corrente entre os
contatos do polo A do disjuntor do
Cub5 devido a manobra de
abertura do disjuntor no instante t =
165 ms sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 32
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
[kV]
Tensotildees no primaacuterio do transformador
de 10 MVA devido a manobra de
abertura do disjuntor do Cubiacuteculo 5 no
instante t = 165 ms Up = 482 kV
(fase B) com snubbers
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-30
-8
14
36
58
80
[kV]
Detalhe da tensatildeo entre os contatos
dos polos do disjuntor do Cub5
devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms com
snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 33
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cTRAFOA-RESA cTRAFOB-RESB
cTRAFOC-RESC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]0
15
30
45
60
75
90
[A]
Energia absorvida pelos resistores dos snubbers
Fase A = 812 J
Fase B = 257 J
Fase C = 184 J
Com snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 34
9 - ESPECIFICACcedilAtildeO
Tipo MOV
Modelo POLIM-D-36-11 ou Equivalente
Fabricante ABB SIEMENS ALSTOM TOSHIBA
Uc 36 kV
Un 45 kV
High Impulse Current 100 kA (410ms)
Nominal Discharge Current 10 kA (820ms)
Energia 36 kJkV(Uc)
Tipo Surto
Capacitacircncia Nominal 02 mF
Tensatildeo Nominal 345 kV
Frequecircncia Nominal 60 Hz
NBI 200 kV
Norma IEC 60871-12005
Sugestatildeo de Fabricantes ABB IneparIESA LAELC Alstom Nokian
Resistecircncia = 33 Ohms
Un= 345 kV
Potecircncia (Continuous) = gt 370 W
Energia = gt 60 kJ
NBI (BIL) = 200 kV
Tipo Resistor ceracircmico tubular natildeo indutivo
Sugestatildeo de Fabricantes KanthalOhmicEletele
Especificaccedilatildeo do Snubber
Paacutera-Raios
Capacitor de Surto
Resistor
SLD 35
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
a) Componentes
Devem ser de fabricantes
reconhecidos no mercado
b) Montagem
Os componentes devem ser
montados o mais proacuteximo
possiacutevel um do outro para
evitar indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
Preferecircncia para cordoalhas e
barras chatas para
interligaccedilatildeo
SLD 36
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
c) Instalaccedilatildeo
O conjunto deve ser instalado
o mais proacuteximo possiacutevel das
buchas de alta para evitar
elevadas indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
SLD 37
[01] IEEE Std C57142TM-2010
ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence and Mitigation of Switching Transients
Induced by Transformers Switching Device and System Interactionrdquo
[02] Transformer Failure due to circuit breaker induced switching transients
Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference (IampCPS) 2011
IEEE - David D Shipp Fellow IEEE Thomas J Dionise Senior Member IEEE
Visuth Lorch and Bill G MacFarlane PE Member IEEE
[03] Analysis of Integral Snubber Circuit Design for Transformers in Urban High Rise
Office Building IEEE Transactions on Industry Applications
[04] Medium-Voltage Switching Transient-Induced Potential Transformer Failures
Prediction Measurement and Practical Solutions
IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS VOL 49 NO 4
JULYAUGUST 2013 - Daniel C McDermit David D Shipp Fellow IEEE
Thomas J Dionise Senior Member IEEE and Visuth Lorch
[05] IEEE Std 1100 ndash IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding
Electronic Equipment (Emerald Book)
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 38
[06] IEEE Std 1159 ndash 1995
IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 39
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 40
httpecmwebcomcontentbasics-large-dry-type-transformers
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 13
(d) RESSONAcircNCIA PARALELA
Ih
L
ZL =+jwL
ZC =-j [1(wC)]=-jXC
|Zh |= [XL XC ] [XL - XC ]
No plano W x w Reta pela Origem
No plano W x w Hipeacuterbole
w
W
XL
=XC
XC
=1 wC
wo
Conforme aumenta o tamanho do Capacitor
muda o ponto de ressonacircncia (Banco Autom)
XL
= wL Zh
wrsquoo
wrsquorsquoo
A fonte de corrente
harmocircnica Ih enxerga
uma impedacircncia Zh que
corresponde ao +jXL (=
jwL) em paralelo com -
jXC (= -j1wC)
Qdo XL =XC Zh LC
fLCC
L oo
ww
w2
111===
C
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 14
(d) RESSONAcircNCIA PARALELA
Mesmo com uma pequena corrente harmocircnica pode-se ter a ocorrecircncia da
ressonacircncia paralela entretanto esta ressonacircncia pode se tornar mais criacutetica
quando a frequecircncia de ressonacircncia wo (ou fo) coincidir ou ficar proacutexima de uma
frequecircncia caracteriacutestica (p ex 5 7 11 13 etc)
Caacutelculo simplificado da frequecircncia provaacutevel da ressonacircncia
A ordem da frequecircncia de ressonacircncia pode ser estimada de uma forma
simplificada atraveacutes da equaccedilatildeo abaixo
MVAr
MVAcch
EI
EI
I
I
X
E
E
Xh
X
Xh
Cf
CC
Cf
CC
Lf
Cf
Lf
Cf
=
====
3
32
h
XXh
ChLh
CL
XX
aressonacircncidecondiccedilatildeoNa
Cf
Lf
o
o
ChLh
=
=
=
=
ww
ww
1
1
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 15
(e) RESSONAcircNCIA SEacuteRIE
Sabe-se que a impedacircncia em um dado ponto pode ser escrita na forma
apresentada abaixo
Zp = R + j (XL ndash XC)
Quando XL = XC ter-se-aacute um valor de impedacircncia miacutenimo e igual a
Zp = R
Diferentemente da ressonacircncia paralela em que a impedacircncia eacute maacutexima a
impedacircncia na ressonacircncia seacuterie eacute miacutenima
0
02
04
06
08
1
12
14
0 5 10 15 20 25 30 35
Imp
eacircn
cia
(O
hm
s)
Ordem Harmocircnica
Ressonacircncia Seacuterie Trafo 1500 kVA-480V-250kVAr-535V
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 16
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Todo corpo fiacutesico possui uma ou mais frequecircncias proacuteprias a partir das quais o
mesmo pode entrar em ressonacircncia Apresenta-se a seguir um Graacutefico de Anaacutelise
do Scan de Frequecircncias de um transformador
As frequecircncias de ressonacircncia do
transformador satildeo 1087 kHz 346
kHz 4559 kHz 6002 kHz e 020
kHz Veja graacutefico ao lado
Como pode ser observado no graacutefico
fornecido pelo fabricante os mesmos
enfatizam os pontos correspondentes
os valores maacuteximos das
impedacircncias que representam as
ressonacircncias paralelas que vatildeo
causar sobretensotildees
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 17
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
A publicaccedilatildeo do IEEE Std C57142TM-2010 ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence
and Mitigation of Switching Transients Induced by Transformers Switching Device
and System Interactionrdquo [01]
Este Guia mostra a importacircncia de se
fazer a anaacutelise do Scan de Frequecircncia
enfatizando a importacircncia das
ressonacircncias seacuteries ou seja os valores
miacutenimos
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 18
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Qual das duas consideraccedilotildees eacute mais importante Ambas Veja comentaacuterio de um
dos maiores especialistas do mundo sobre o assunto
a) O Guia do IEEE C57142[01] foi a primeira boa tentativa de cobrir este assunto
b) Eu investiguei mais de 65 falhas em transformadores realizei mais de 400
estudos de transitoacuterios de chaveamento e construiacute mais de 1200 snubbers e
posso dizer que a anaacutelise do FSRA realmente nos revela muita coisa
c) O primeiro pico do graacutefico corresponde a um ponto de ressonacircncia paralela
Neste ponto ocorreraacute uma amplificaccedilatildeo da tensatildeo para as altas frequecircncias e
normalmente iraacute danificar a bucha ou as primeiras espiras do enrolamento
(curto entre espiras)
d) O primeiro vale corresponde a uma ressonacircncia seacuterie e nos diz em qual
frequecircncia ter-se-aacute frac12 onda Tipicamente resulta numa ressonacircncia interna que
danifica os enrolamentos em pontos proacuteximos a 13 da extremidade do
enrolamento a partir da bucha
e) O segundo vale tambeacutem corresponde a uma ressonacircncia seacuterie ocorrendo
uma amplificaccedilatildeo em frac34 da onda e danificando numa posiccedilatildeo proacutexima a 23
do enrolamento a partir da bucha
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 19
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Qual das duas consideraccedilotildees eacute mais importante Ambas Veja comentaacuterio de um
dos maiores especialistas do mundo sobre o assunto
f) Os transformadores enrolado em camadas (Layer Wound) e Cast Coil satildeo mais
susceptiacuteveis a essas condiccedilotildees de ressonacircncia interna
g) Transformadores de construccedilatildeo VPI (Vacuum Pressure Impregnated) satildeo mais
propensos a falhas de dvdt e as magnitudes da sobretensatildeo do que agraves
ressonacircncias internas
h) Este graacutefico nos daacute uma visatildeo interna da ressonacircncia do transformador para
eventos de alta frequecircncia decorrentes de chaveamento sem modelagens
complexas do transformador que cujas informaccedilotildees quase nunca satildeo
disponiacuteveis
i) Assim o trabalho do engenheiro especialista em sistema de potecircncia eacute fazer
com que estas ondas de alta frequecircncia natildeo atinjam o transformador sejam
nos picos sejam nos vales
Nota
A isolaccedilatildeo dos enrolamentos pode ser Open-wound vacuum pressure impregnation (VPI) vacuum
pressure encapsulated (VPE) encapsulated and cast coil
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 20
2009 ndash USA ndash Data Center ndash 30004500 kVA
2012 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash 6000kVA - Queima de 11
transformadores
2012 ndash Brasil ndash Planta Quiacutemica ndash 138 kV ndash Queima de 1 transformador
2013 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash 6000 kVA ndash Queima de 3
transformadores
2014 ndash Brasil ndash Induacutestria de Armas ndash 138 kV ndash 1250 kVA - Queima de 1
transformador
2014 ndash Brasil ndash Industria de equipamentos Eletrocircnicos ndash 138 kV ndash Queima de 1
Transformador
2014 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash Queima de 2 transformadores um de
6000 kVA e outro de 225 kVA
2014 ndash Brasil ndash Preacutedio Comercial ndash 345 kV ndash Queima de 1 transformador -2500kVA
3 - CASOS REAIS OCORRIDOS NO BRASIL E USA
SLD 21
Considere um transformador de trecircs enrolamentos como o do unifilar seguinte
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se
o seguinte
a) Transformador seco sem carenagem
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2
HVN
uacutecle
oLV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
HV
LV1 LV2
SLD 22
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se o seguinte
b) Transformador seco com carenagem
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2 HV
Nuacutecle
o
LV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
CH-T = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o invoacutelucro
CH-TC
xM
etaacute
lica I
nvoacutelu
cro
Meio isolante = Ar
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 23
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se o seguinte
c) Transformador a oacuteleo
LV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
CH-T = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o tanque (invoacutelucro)
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2 HV
Nuacutecle
o CH-TC
xM
etaacute
lica I
nvoacutelu
cro
Meio isolante = Oacuteleo
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 24
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 25
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 26
5 - O FENOcircMENO
O FENOcircMENO
Durante o processo de interrupccedilatildeo de corrente (processo eletromagneacutetico) natildeo
se consegue variar a corrente instantaneamente em um indutor (V = L didt) pois
teria que ter uma tensatildeo infinita o que eacute impossiacutevel fisicamente Entretanto esta
tensatildeo se eleva rapidamente e carrega entatildeo as capacitacircncias com uma energia
igual a
Ou seja a energia que estava armazenada nas indutacircncias iraacute ser transferida para
as capacitacircncias ou seja como C eacute constante o aumento da energia implica no
aumento da tensatildeo
Apoacutes a interrupccedilatildeo o capacitor iraacute tentar um novo estado de equiliacutebrio no sistema e
comeccedila entatildeo a trocar energias com as indutacircncias (do novo sistema devido agrave
nova configuraccedilatildeo) no caso a bobina do transformador
Devido agraves elevadas magnitudes e valores de dVdt do processo acima
mencionado os isolamentos natildeo suportam o ldquostressrdquo danificando-se
119864119862 =1
2times 119862 times 1198812
SLD 27
O FENOcircMENO
Como descrito nas normas e literaturas pertinentes o BIL eacute um ensaio destrutivo
para impulso atmosfeacuterico que o transformador somente deveraacute suportar poucas
vezes em sua vida uacutetil
Os chaveamentos dos disjuntores inuacutemeras vezes na vida uacutetil e mesmo natildeo se
atingindo o valor do BIL devido agraves elevadas magnitudes e dVdt vai-se
envelhecendo a isolaccedilatildeo ateacute que em determinado momento a mesma poderaacute
falhar
Na praacutetica este processo eacute ateacute um pouco mais complexo pois este fenocircmeno pode
ocorrer na energizaccedilatildeo no desligamento ou devido aos re-strikes (reacendimento
do arco quando a tensatildeo de TRV-Transient Recovery Voltage ultrapassa o limite
dieleacutetrico suportaacutevel pelo meio de extinccedilatildeo do disjuntor durante a abertura) Outro
fato que corrobora para agravar o problema eacute a interrupccedilatildeo de corrente antes da
mesma atingir o zero (chop current)
A interrupccedilatildeo da corrente provoca o aumento do moacutedulo da tensatildeo na carga e o re-
strike provoca um aumento do dVdt do lado carga ou seja da frequecircncia
5 - O FENOcircMENO
SLD 28
6 - MITIGACcedilAtildeO
MITIGACcedilAtildeO
Para a mitigaccedilatildeo utilizam-se paacutera-raios e snubbers como mostrado na figura
seguinte
SLD 29
7 - MODELAGEM
MODELAGEM
a) Modelagem do sistema
Para a modelagem do sistema eacute utilizado um programa de Transitoacuterios
Eletromagneacuteticos (p ex ATP EMTP-RV etc)
b) Modelagem dos componentes do Sistema
Cabos e Linhas
Transformadores
Disjuntores
Concessionaacuteria
Paacutera-raios
Resistores de Aterramento
Capacitores
Filtros
Carga
SLD 30
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC mNBI
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Tensotildees no primaacuterio de um
transformador de 10 MVA345kV
devido a manobra de abertura de
disjuntor no instante t = 165 ms
Up = 304 kV (fase A) 1667 MHz
sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t)
factors
offsets
1
000E+00
v TRAFOA
-1
000E+00
mNBI
1
000E+00
2410 2415 2420 2425 2430 2435 2440 2445 2450[ms]
-200
-100
0
100
200
300
103
Zoom da Figura ao lado mostrando a
tensatildeo (fase A) no primaacuterio do
transformador TR-16 de 10 MVA
devido a manobra de abertura do
disjuntor do cubiacuteculo H13 no instante t
= 165 ms Up = 304 kV (fase A)
1667 MHz sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 31
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC mRD
160 175 190 205 220 235 250[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Detalhe da tensatildeo de repique(restrike)
entre os contatos dos polos do disjuntor o
Cub 5 devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms
ldquoRDrdquo refere-se a recuperaccedilatildeo do
dieleacutetrico durante a abertura do disjuntor
(36 Vμs) sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cZA -YA
236 238 240 242 244 246[ms]-1200
-800
-400
0
400
800
1200
[A]
Detalhe da corrente entre os
contatos do polo A do disjuntor do
Cub5 devido a manobra de
abertura do disjuntor no instante t =
165 ms sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 32
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
[kV]
Tensotildees no primaacuterio do transformador
de 10 MVA devido a manobra de
abertura do disjuntor do Cubiacuteculo 5 no
instante t = 165 ms Up = 482 kV
(fase B) com snubbers
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-30
-8
14
36
58
80
[kV]
Detalhe da tensatildeo entre os contatos
dos polos do disjuntor do Cub5
devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms com
snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 33
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cTRAFOA-RESA cTRAFOB-RESB
cTRAFOC-RESC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]0
15
30
45
60
75
90
[A]
Energia absorvida pelos resistores dos snubbers
Fase A = 812 J
Fase B = 257 J
Fase C = 184 J
Com snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 34
9 - ESPECIFICACcedilAtildeO
Tipo MOV
Modelo POLIM-D-36-11 ou Equivalente
Fabricante ABB SIEMENS ALSTOM TOSHIBA
Uc 36 kV
Un 45 kV
High Impulse Current 100 kA (410ms)
Nominal Discharge Current 10 kA (820ms)
Energia 36 kJkV(Uc)
Tipo Surto
Capacitacircncia Nominal 02 mF
Tensatildeo Nominal 345 kV
Frequecircncia Nominal 60 Hz
NBI 200 kV
Norma IEC 60871-12005
Sugestatildeo de Fabricantes ABB IneparIESA LAELC Alstom Nokian
Resistecircncia = 33 Ohms
Un= 345 kV
Potecircncia (Continuous) = gt 370 W
Energia = gt 60 kJ
NBI (BIL) = 200 kV
Tipo Resistor ceracircmico tubular natildeo indutivo
Sugestatildeo de Fabricantes KanthalOhmicEletele
Especificaccedilatildeo do Snubber
Paacutera-Raios
Capacitor de Surto
Resistor
SLD 35
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
a) Componentes
Devem ser de fabricantes
reconhecidos no mercado
b) Montagem
Os componentes devem ser
montados o mais proacuteximo
possiacutevel um do outro para
evitar indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
Preferecircncia para cordoalhas e
barras chatas para
interligaccedilatildeo
SLD 36
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
c) Instalaccedilatildeo
O conjunto deve ser instalado
o mais proacuteximo possiacutevel das
buchas de alta para evitar
elevadas indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
SLD 37
[01] IEEE Std C57142TM-2010
ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence and Mitigation of Switching Transients
Induced by Transformers Switching Device and System Interactionrdquo
[02] Transformer Failure due to circuit breaker induced switching transients
Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference (IampCPS) 2011
IEEE - David D Shipp Fellow IEEE Thomas J Dionise Senior Member IEEE
Visuth Lorch and Bill G MacFarlane PE Member IEEE
[03] Analysis of Integral Snubber Circuit Design for Transformers in Urban High Rise
Office Building IEEE Transactions on Industry Applications
[04] Medium-Voltage Switching Transient-Induced Potential Transformer Failures
Prediction Measurement and Practical Solutions
IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS VOL 49 NO 4
JULYAUGUST 2013 - Daniel C McDermit David D Shipp Fellow IEEE
Thomas J Dionise Senior Member IEEE and Visuth Lorch
[05] IEEE Std 1100 ndash IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding
Electronic Equipment (Emerald Book)
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 38
[06] IEEE Std 1159 ndash 1995
IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 39
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 40
httpecmwebcomcontentbasics-large-dry-type-transformers
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 14
(d) RESSONAcircNCIA PARALELA
Mesmo com uma pequena corrente harmocircnica pode-se ter a ocorrecircncia da
ressonacircncia paralela entretanto esta ressonacircncia pode se tornar mais criacutetica
quando a frequecircncia de ressonacircncia wo (ou fo) coincidir ou ficar proacutexima de uma
frequecircncia caracteriacutestica (p ex 5 7 11 13 etc)
Caacutelculo simplificado da frequecircncia provaacutevel da ressonacircncia
A ordem da frequecircncia de ressonacircncia pode ser estimada de uma forma
simplificada atraveacutes da equaccedilatildeo abaixo
MVAr
MVAcch
EI
EI
I
I
X
E
E
Xh
X
Xh
Cf
CC
Cf
CC
Lf
Cf
Lf
Cf
=
====
3
32
h
XXh
ChLh
CL
XX
aressonacircncidecondiccedilatildeoNa
Cf
Lf
o
o
ChLh
=
=
=
=
ww
ww
1
1
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 15
(e) RESSONAcircNCIA SEacuteRIE
Sabe-se que a impedacircncia em um dado ponto pode ser escrita na forma
apresentada abaixo
Zp = R + j (XL ndash XC)
Quando XL = XC ter-se-aacute um valor de impedacircncia miacutenimo e igual a
Zp = R
Diferentemente da ressonacircncia paralela em que a impedacircncia eacute maacutexima a
impedacircncia na ressonacircncia seacuterie eacute miacutenima
0
02
04
06
08
1
12
14
0 5 10 15 20 25 30 35
Imp
eacircn
cia
(O
hm
s)
Ordem Harmocircnica
Ressonacircncia Seacuterie Trafo 1500 kVA-480V-250kVAr-535V
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 16
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Todo corpo fiacutesico possui uma ou mais frequecircncias proacuteprias a partir das quais o
mesmo pode entrar em ressonacircncia Apresenta-se a seguir um Graacutefico de Anaacutelise
do Scan de Frequecircncias de um transformador
As frequecircncias de ressonacircncia do
transformador satildeo 1087 kHz 346
kHz 4559 kHz 6002 kHz e 020
kHz Veja graacutefico ao lado
Como pode ser observado no graacutefico
fornecido pelo fabricante os mesmos
enfatizam os pontos correspondentes
os valores maacuteximos das
impedacircncias que representam as
ressonacircncias paralelas que vatildeo
causar sobretensotildees
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 17
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
A publicaccedilatildeo do IEEE Std C57142TM-2010 ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence
and Mitigation of Switching Transients Induced by Transformers Switching Device
and System Interactionrdquo [01]
Este Guia mostra a importacircncia de se
fazer a anaacutelise do Scan de Frequecircncia
enfatizando a importacircncia das
ressonacircncias seacuteries ou seja os valores
miacutenimos
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 18
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Qual das duas consideraccedilotildees eacute mais importante Ambas Veja comentaacuterio de um
dos maiores especialistas do mundo sobre o assunto
a) O Guia do IEEE C57142[01] foi a primeira boa tentativa de cobrir este assunto
b) Eu investiguei mais de 65 falhas em transformadores realizei mais de 400
estudos de transitoacuterios de chaveamento e construiacute mais de 1200 snubbers e
posso dizer que a anaacutelise do FSRA realmente nos revela muita coisa
c) O primeiro pico do graacutefico corresponde a um ponto de ressonacircncia paralela
Neste ponto ocorreraacute uma amplificaccedilatildeo da tensatildeo para as altas frequecircncias e
normalmente iraacute danificar a bucha ou as primeiras espiras do enrolamento
(curto entre espiras)
d) O primeiro vale corresponde a uma ressonacircncia seacuterie e nos diz em qual
frequecircncia ter-se-aacute frac12 onda Tipicamente resulta numa ressonacircncia interna que
danifica os enrolamentos em pontos proacuteximos a 13 da extremidade do
enrolamento a partir da bucha
e) O segundo vale tambeacutem corresponde a uma ressonacircncia seacuterie ocorrendo
uma amplificaccedilatildeo em frac34 da onda e danificando numa posiccedilatildeo proacutexima a 23
do enrolamento a partir da bucha
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 19
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Qual das duas consideraccedilotildees eacute mais importante Ambas Veja comentaacuterio de um
dos maiores especialistas do mundo sobre o assunto
f) Os transformadores enrolado em camadas (Layer Wound) e Cast Coil satildeo mais
susceptiacuteveis a essas condiccedilotildees de ressonacircncia interna
g) Transformadores de construccedilatildeo VPI (Vacuum Pressure Impregnated) satildeo mais
propensos a falhas de dvdt e as magnitudes da sobretensatildeo do que agraves
ressonacircncias internas
h) Este graacutefico nos daacute uma visatildeo interna da ressonacircncia do transformador para
eventos de alta frequecircncia decorrentes de chaveamento sem modelagens
complexas do transformador que cujas informaccedilotildees quase nunca satildeo
disponiacuteveis
i) Assim o trabalho do engenheiro especialista em sistema de potecircncia eacute fazer
com que estas ondas de alta frequecircncia natildeo atinjam o transformador sejam
nos picos sejam nos vales
Nota
A isolaccedilatildeo dos enrolamentos pode ser Open-wound vacuum pressure impregnation (VPI) vacuum
pressure encapsulated (VPE) encapsulated and cast coil
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 20
2009 ndash USA ndash Data Center ndash 30004500 kVA
2012 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash 6000kVA - Queima de 11
transformadores
2012 ndash Brasil ndash Planta Quiacutemica ndash 138 kV ndash Queima de 1 transformador
2013 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash 6000 kVA ndash Queima de 3
transformadores
2014 ndash Brasil ndash Induacutestria de Armas ndash 138 kV ndash 1250 kVA - Queima de 1
transformador
2014 ndash Brasil ndash Industria de equipamentos Eletrocircnicos ndash 138 kV ndash Queima de 1
Transformador
2014 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash Queima de 2 transformadores um de
6000 kVA e outro de 225 kVA
2014 ndash Brasil ndash Preacutedio Comercial ndash 345 kV ndash Queima de 1 transformador -2500kVA
3 - CASOS REAIS OCORRIDOS NO BRASIL E USA
SLD 21
Considere um transformador de trecircs enrolamentos como o do unifilar seguinte
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se
o seguinte
a) Transformador seco sem carenagem
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2
HVN
uacutecle
oLV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
HV
LV1 LV2
SLD 22
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se o seguinte
b) Transformador seco com carenagem
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2 HV
Nuacutecle
o
LV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
CH-T = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o invoacutelucro
CH-TC
xM
etaacute
lica I
nvoacutelu
cro
Meio isolante = Ar
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 23
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se o seguinte
c) Transformador a oacuteleo
LV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
CH-T = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o tanque (invoacutelucro)
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2 HV
Nuacutecle
o CH-TC
xM
etaacute
lica I
nvoacutelu
cro
Meio isolante = Oacuteleo
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 24
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 25
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 26
5 - O FENOcircMENO
O FENOcircMENO
Durante o processo de interrupccedilatildeo de corrente (processo eletromagneacutetico) natildeo
se consegue variar a corrente instantaneamente em um indutor (V = L didt) pois
teria que ter uma tensatildeo infinita o que eacute impossiacutevel fisicamente Entretanto esta
tensatildeo se eleva rapidamente e carrega entatildeo as capacitacircncias com uma energia
igual a
Ou seja a energia que estava armazenada nas indutacircncias iraacute ser transferida para
as capacitacircncias ou seja como C eacute constante o aumento da energia implica no
aumento da tensatildeo
Apoacutes a interrupccedilatildeo o capacitor iraacute tentar um novo estado de equiliacutebrio no sistema e
comeccedila entatildeo a trocar energias com as indutacircncias (do novo sistema devido agrave
nova configuraccedilatildeo) no caso a bobina do transformador
Devido agraves elevadas magnitudes e valores de dVdt do processo acima
mencionado os isolamentos natildeo suportam o ldquostressrdquo danificando-se
119864119862 =1
2times 119862 times 1198812
SLD 27
O FENOcircMENO
Como descrito nas normas e literaturas pertinentes o BIL eacute um ensaio destrutivo
para impulso atmosfeacuterico que o transformador somente deveraacute suportar poucas
vezes em sua vida uacutetil
Os chaveamentos dos disjuntores inuacutemeras vezes na vida uacutetil e mesmo natildeo se
atingindo o valor do BIL devido agraves elevadas magnitudes e dVdt vai-se
envelhecendo a isolaccedilatildeo ateacute que em determinado momento a mesma poderaacute
falhar
Na praacutetica este processo eacute ateacute um pouco mais complexo pois este fenocircmeno pode
ocorrer na energizaccedilatildeo no desligamento ou devido aos re-strikes (reacendimento
do arco quando a tensatildeo de TRV-Transient Recovery Voltage ultrapassa o limite
dieleacutetrico suportaacutevel pelo meio de extinccedilatildeo do disjuntor durante a abertura) Outro
fato que corrobora para agravar o problema eacute a interrupccedilatildeo de corrente antes da
mesma atingir o zero (chop current)
A interrupccedilatildeo da corrente provoca o aumento do moacutedulo da tensatildeo na carga e o re-
strike provoca um aumento do dVdt do lado carga ou seja da frequecircncia
5 - O FENOcircMENO
SLD 28
6 - MITIGACcedilAtildeO
MITIGACcedilAtildeO
Para a mitigaccedilatildeo utilizam-se paacutera-raios e snubbers como mostrado na figura
seguinte
SLD 29
7 - MODELAGEM
MODELAGEM
a) Modelagem do sistema
Para a modelagem do sistema eacute utilizado um programa de Transitoacuterios
Eletromagneacuteticos (p ex ATP EMTP-RV etc)
b) Modelagem dos componentes do Sistema
Cabos e Linhas
Transformadores
Disjuntores
Concessionaacuteria
Paacutera-raios
Resistores de Aterramento
Capacitores
Filtros
Carga
SLD 30
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC mNBI
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Tensotildees no primaacuterio de um
transformador de 10 MVA345kV
devido a manobra de abertura de
disjuntor no instante t = 165 ms
Up = 304 kV (fase A) 1667 MHz
sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t)
factors
offsets
1
000E+00
v TRAFOA
-1
000E+00
mNBI
1
000E+00
2410 2415 2420 2425 2430 2435 2440 2445 2450[ms]
-200
-100
0
100
200
300
103
Zoom da Figura ao lado mostrando a
tensatildeo (fase A) no primaacuterio do
transformador TR-16 de 10 MVA
devido a manobra de abertura do
disjuntor do cubiacuteculo H13 no instante t
= 165 ms Up = 304 kV (fase A)
1667 MHz sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 31
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC mRD
160 175 190 205 220 235 250[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Detalhe da tensatildeo de repique(restrike)
entre os contatos dos polos do disjuntor o
Cub 5 devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms
ldquoRDrdquo refere-se a recuperaccedilatildeo do
dieleacutetrico durante a abertura do disjuntor
(36 Vμs) sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cZA -YA
236 238 240 242 244 246[ms]-1200
-800
-400
0
400
800
1200
[A]
Detalhe da corrente entre os
contatos do polo A do disjuntor do
Cub5 devido a manobra de
abertura do disjuntor no instante t =
165 ms sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 32
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
[kV]
Tensotildees no primaacuterio do transformador
de 10 MVA devido a manobra de
abertura do disjuntor do Cubiacuteculo 5 no
instante t = 165 ms Up = 482 kV
(fase B) com snubbers
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-30
-8
14
36
58
80
[kV]
Detalhe da tensatildeo entre os contatos
dos polos do disjuntor do Cub5
devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms com
snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 33
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cTRAFOA-RESA cTRAFOB-RESB
cTRAFOC-RESC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]0
15
30
45
60
75
90
[A]
Energia absorvida pelos resistores dos snubbers
Fase A = 812 J
Fase B = 257 J
Fase C = 184 J
Com snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 34
9 - ESPECIFICACcedilAtildeO
Tipo MOV
Modelo POLIM-D-36-11 ou Equivalente
Fabricante ABB SIEMENS ALSTOM TOSHIBA
Uc 36 kV
Un 45 kV
High Impulse Current 100 kA (410ms)
Nominal Discharge Current 10 kA (820ms)
Energia 36 kJkV(Uc)
Tipo Surto
Capacitacircncia Nominal 02 mF
Tensatildeo Nominal 345 kV
Frequecircncia Nominal 60 Hz
NBI 200 kV
Norma IEC 60871-12005
Sugestatildeo de Fabricantes ABB IneparIESA LAELC Alstom Nokian
Resistecircncia = 33 Ohms
Un= 345 kV
Potecircncia (Continuous) = gt 370 W
Energia = gt 60 kJ
NBI (BIL) = 200 kV
Tipo Resistor ceracircmico tubular natildeo indutivo
Sugestatildeo de Fabricantes KanthalOhmicEletele
Especificaccedilatildeo do Snubber
Paacutera-Raios
Capacitor de Surto
Resistor
SLD 35
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
a) Componentes
Devem ser de fabricantes
reconhecidos no mercado
b) Montagem
Os componentes devem ser
montados o mais proacuteximo
possiacutevel um do outro para
evitar indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
Preferecircncia para cordoalhas e
barras chatas para
interligaccedilatildeo
SLD 36
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
c) Instalaccedilatildeo
O conjunto deve ser instalado
o mais proacuteximo possiacutevel das
buchas de alta para evitar
elevadas indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
SLD 37
[01] IEEE Std C57142TM-2010
ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence and Mitigation of Switching Transients
Induced by Transformers Switching Device and System Interactionrdquo
[02] Transformer Failure due to circuit breaker induced switching transients
Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference (IampCPS) 2011
IEEE - David D Shipp Fellow IEEE Thomas J Dionise Senior Member IEEE
Visuth Lorch and Bill G MacFarlane PE Member IEEE
[03] Analysis of Integral Snubber Circuit Design for Transformers in Urban High Rise
Office Building IEEE Transactions on Industry Applications
[04] Medium-Voltage Switching Transient-Induced Potential Transformer Failures
Prediction Measurement and Practical Solutions
IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS VOL 49 NO 4
JULYAUGUST 2013 - Daniel C McDermit David D Shipp Fellow IEEE
Thomas J Dionise Senior Member IEEE and Visuth Lorch
[05] IEEE Std 1100 ndash IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding
Electronic Equipment (Emerald Book)
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 38
[06] IEEE Std 1159 ndash 1995
IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 39
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 40
httpecmwebcomcontentbasics-large-dry-type-transformers
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 15
(e) RESSONAcircNCIA SEacuteRIE
Sabe-se que a impedacircncia em um dado ponto pode ser escrita na forma
apresentada abaixo
Zp = R + j (XL ndash XC)
Quando XL = XC ter-se-aacute um valor de impedacircncia miacutenimo e igual a
Zp = R
Diferentemente da ressonacircncia paralela em que a impedacircncia eacute maacutexima a
impedacircncia na ressonacircncia seacuterie eacute miacutenima
0
02
04
06
08
1
12
14
0 5 10 15 20 25 30 35
Imp
eacircn
cia
(O
hm
s)
Ordem Harmocircnica
Ressonacircncia Seacuterie Trafo 1500 kVA-480V-250kVAr-535V
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 16
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Todo corpo fiacutesico possui uma ou mais frequecircncias proacuteprias a partir das quais o
mesmo pode entrar em ressonacircncia Apresenta-se a seguir um Graacutefico de Anaacutelise
do Scan de Frequecircncias de um transformador
As frequecircncias de ressonacircncia do
transformador satildeo 1087 kHz 346
kHz 4559 kHz 6002 kHz e 020
kHz Veja graacutefico ao lado
Como pode ser observado no graacutefico
fornecido pelo fabricante os mesmos
enfatizam os pontos correspondentes
os valores maacuteximos das
impedacircncias que representam as
ressonacircncias paralelas que vatildeo
causar sobretensotildees
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 17
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
A publicaccedilatildeo do IEEE Std C57142TM-2010 ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence
and Mitigation of Switching Transients Induced by Transformers Switching Device
and System Interactionrdquo [01]
Este Guia mostra a importacircncia de se
fazer a anaacutelise do Scan de Frequecircncia
enfatizando a importacircncia das
ressonacircncias seacuteries ou seja os valores
miacutenimos
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 18
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Qual das duas consideraccedilotildees eacute mais importante Ambas Veja comentaacuterio de um
dos maiores especialistas do mundo sobre o assunto
a) O Guia do IEEE C57142[01] foi a primeira boa tentativa de cobrir este assunto
b) Eu investiguei mais de 65 falhas em transformadores realizei mais de 400
estudos de transitoacuterios de chaveamento e construiacute mais de 1200 snubbers e
posso dizer que a anaacutelise do FSRA realmente nos revela muita coisa
c) O primeiro pico do graacutefico corresponde a um ponto de ressonacircncia paralela
Neste ponto ocorreraacute uma amplificaccedilatildeo da tensatildeo para as altas frequecircncias e
normalmente iraacute danificar a bucha ou as primeiras espiras do enrolamento
(curto entre espiras)
d) O primeiro vale corresponde a uma ressonacircncia seacuterie e nos diz em qual
frequecircncia ter-se-aacute frac12 onda Tipicamente resulta numa ressonacircncia interna que
danifica os enrolamentos em pontos proacuteximos a 13 da extremidade do
enrolamento a partir da bucha
e) O segundo vale tambeacutem corresponde a uma ressonacircncia seacuterie ocorrendo
uma amplificaccedilatildeo em frac34 da onda e danificando numa posiccedilatildeo proacutexima a 23
do enrolamento a partir da bucha
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 19
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Qual das duas consideraccedilotildees eacute mais importante Ambas Veja comentaacuterio de um
dos maiores especialistas do mundo sobre o assunto
f) Os transformadores enrolado em camadas (Layer Wound) e Cast Coil satildeo mais
susceptiacuteveis a essas condiccedilotildees de ressonacircncia interna
g) Transformadores de construccedilatildeo VPI (Vacuum Pressure Impregnated) satildeo mais
propensos a falhas de dvdt e as magnitudes da sobretensatildeo do que agraves
ressonacircncias internas
h) Este graacutefico nos daacute uma visatildeo interna da ressonacircncia do transformador para
eventos de alta frequecircncia decorrentes de chaveamento sem modelagens
complexas do transformador que cujas informaccedilotildees quase nunca satildeo
disponiacuteveis
i) Assim o trabalho do engenheiro especialista em sistema de potecircncia eacute fazer
com que estas ondas de alta frequecircncia natildeo atinjam o transformador sejam
nos picos sejam nos vales
Nota
A isolaccedilatildeo dos enrolamentos pode ser Open-wound vacuum pressure impregnation (VPI) vacuum
pressure encapsulated (VPE) encapsulated and cast coil
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 20
2009 ndash USA ndash Data Center ndash 30004500 kVA
2012 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash 6000kVA - Queima de 11
transformadores
2012 ndash Brasil ndash Planta Quiacutemica ndash 138 kV ndash Queima de 1 transformador
2013 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash 6000 kVA ndash Queima de 3
transformadores
2014 ndash Brasil ndash Induacutestria de Armas ndash 138 kV ndash 1250 kVA - Queima de 1
transformador
2014 ndash Brasil ndash Industria de equipamentos Eletrocircnicos ndash 138 kV ndash Queima de 1
Transformador
2014 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash Queima de 2 transformadores um de
6000 kVA e outro de 225 kVA
2014 ndash Brasil ndash Preacutedio Comercial ndash 345 kV ndash Queima de 1 transformador -2500kVA
3 - CASOS REAIS OCORRIDOS NO BRASIL E USA
SLD 21
Considere um transformador de trecircs enrolamentos como o do unifilar seguinte
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se
o seguinte
a) Transformador seco sem carenagem
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2
HVN
uacutecle
oLV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
HV
LV1 LV2
SLD 22
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se o seguinte
b) Transformador seco com carenagem
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2 HV
Nuacutecle
o
LV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
CH-T = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o invoacutelucro
CH-TC
xM
etaacute
lica I
nvoacutelu
cro
Meio isolante = Ar
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 23
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se o seguinte
c) Transformador a oacuteleo
LV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
CH-T = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o tanque (invoacutelucro)
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2 HV
Nuacutecle
o CH-TC
xM
etaacute
lica I
nvoacutelu
cro
Meio isolante = Oacuteleo
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 24
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 25
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 26
5 - O FENOcircMENO
O FENOcircMENO
Durante o processo de interrupccedilatildeo de corrente (processo eletromagneacutetico) natildeo
se consegue variar a corrente instantaneamente em um indutor (V = L didt) pois
teria que ter uma tensatildeo infinita o que eacute impossiacutevel fisicamente Entretanto esta
tensatildeo se eleva rapidamente e carrega entatildeo as capacitacircncias com uma energia
igual a
Ou seja a energia que estava armazenada nas indutacircncias iraacute ser transferida para
as capacitacircncias ou seja como C eacute constante o aumento da energia implica no
aumento da tensatildeo
Apoacutes a interrupccedilatildeo o capacitor iraacute tentar um novo estado de equiliacutebrio no sistema e
comeccedila entatildeo a trocar energias com as indutacircncias (do novo sistema devido agrave
nova configuraccedilatildeo) no caso a bobina do transformador
Devido agraves elevadas magnitudes e valores de dVdt do processo acima
mencionado os isolamentos natildeo suportam o ldquostressrdquo danificando-se
119864119862 =1
2times 119862 times 1198812
SLD 27
O FENOcircMENO
Como descrito nas normas e literaturas pertinentes o BIL eacute um ensaio destrutivo
para impulso atmosfeacuterico que o transformador somente deveraacute suportar poucas
vezes em sua vida uacutetil
Os chaveamentos dos disjuntores inuacutemeras vezes na vida uacutetil e mesmo natildeo se
atingindo o valor do BIL devido agraves elevadas magnitudes e dVdt vai-se
envelhecendo a isolaccedilatildeo ateacute que em determinado momento a mesma poderaacute
falhar
Na praacutetica este processo eacute ateacute um pouco mais complexo pois este fenocircmeno pode
ocorrer na energizaccedilatildeo no desligamento ou devido aos re-strikes (reacendimento
do arco quando a tensatildeo de TRV-Transient Recovery Voltage ultrapassa o limite
dieleacutetrico suportaacutevel pelo meio de extinccedilatildeo do disjuntor durante a abertura) Outro
fato que corrobora para agravar o problema eacute a interrupccedilatildeo de corrente antes da
mesma atingir o zero (chop current)
A interrupccedilatildeo da corrente provoca o aumento do moacutedulo da tensatildeo na carga e o re-
strike provoca um aumento do dVdt do lado carga ou seja da frequecircncia
5 - O FENOcircMENO
SLD 28
6 - MITIGACcedilAtildeO
MITIGACcedilAtildeO
Para a mitigaccedilatildeo utilizam-se paacutera-raios e snubbers como mostrado na figura
seguinte
SLD 29
7 - MODELAGEM
MODELAGEM
a) Modelagem do sistema
Para a modelagem do sistema eacute utilizado um programa de Transitoacuterios
Eletromagneacuteticos (p ex ATP EMTP-RV etc)
b) Modelagem dos componentes do Sistema
Cabos e Linhas
Transformadores
Disjuntores
Concessionaacuteria
Paacutera-raios
Resistores de Aterramento
Capacitores
Filtros
Carga
SLD 30
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC mNBI
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Tensotildees no primaacuterio de um
transformador de 10 MVA345kV
devido a manobra de abertura de
disjuntor no instante t = 165 ms
Up = 304 kV (fase A) 1667 MHz
sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t)
factors
offsets
1
000E+00
v TRAFOA
-1
000E+00
mNBI
1
000E+00
2410 2415 2420 2425 2430 2435 2440 2445 2450[ms]
-200
-100
0
100
200
300
103
Zoom da Figura ao lado mostrando a
tensatildeo (fase A) no primaacuterio do
transformador TR-16 de 10 MVA
devido a manobra de abertura do
disjuntor do cubiacuteculo H13 no instante t
= 165 ms Up = 304 kV (fase A)
1667 MHz sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 31
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC mRD
160 175 190 205 220 235 250[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Detalhe da tensatildeo de repique(restrike)
entre os contatos dos polos do disjuntor o
Cub 5 devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms
ldquoRDrdquo refere-se a recuperaccedilatildeo do
dieleacutetrico durante a abertura do disjuntor
(36 Vμs) sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cZA -YA
236 238 240 242 244 246[ms]-1200
-800
-400
0
400
800
1200
[A]
Detalhe da corrente entre os
contatos do polo A do disjuntor do
Cub5 devido a manobra de
abertura do disjuntor no instante t =
165 ms sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 32
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
[kV]
Tensotildees no primaacuterio do transformador
de 10 MVA devido a manobra de
abertura do disjuntor do Cubiacuteculo 5 no
instante t = 165 ms Up = 482 kV
(fase B) com snubbers
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-30
-8
14
36
58
80
[kV]
Detalhe da tensatildeo entre os contatos
dos polos do disjuntor do Cub5
devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms com
snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 33
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cTRAFOA-RESA cTRAFOB-RESB
cTRAFOC-RESC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]0
15
30
45
60
75
90
[A]
Energia absorvida pelos resistores dos snubbers
Fase A = 812 J
Fase B = 257 J
Fase C = 184 J
Com snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 34
9 - ESPECIFICACcedilAtildeO
Tipo MOV
Modelo POLIM-D-36-11 ou Equivalente
Fabricante ABB SIEMENS ALSTOM TOSHIBA
Uc 36 kV
Un 45 kV
High Impulse Current 100 kA (410ms)
Nominal Discharge Current 10 kA (820ms)
Energia 36 kJkV(Uc)
Tipo Surto
Capacitacircncia Nominal 02 mF
Tensatildeo Nominal 345 kV
Frequecircncia Nominal 60 Hz
NBI 200 kV
Norma IEC 60871-12005
Sugestatildeo de Fabricantes ABB IneparIESA LAELC Alstom Nokian
Resistecircncia = 33 Ohms
Un= 345 kV
Potecircncia (Continuous) = gt 370 W
Energia = gt 60 kJ
NBI (BIL) = 200 kV
Tipo Resistor ceracircmico tubular natildeo indutivo
Sugestatildeo de Fabricantes KanthalOhmicEletele
Especificaccedilatildeo do Snubber
Paacutera-Raios
Capacitor de Surto
Resistor
SLD 35
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
a) Componentes
Devem ser de fabricantes
reconhecidos no mercado
b) Montagem
Os componentes devem ser
montados o mais proacuteximo
possiacutevel um do outro para
evitar indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
Preferecircncia para cordoalhas e
barras chatas para
interligaccedilatildeo
SLD 36
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
c) Instalaccedilatildeo
O conjunto deve ser instalado
o mais proacuteximo possiacutevel das
buchas de alta para evitar
elevadas indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
SLD 37
[01] IEEE Std C57142TM-2010
ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence and Mitigation of Switching Transients
Induced by Transformers Switching Device and System Interactionrdquo
[02] Transformer Failure due to circuit breaker induced switching transients
Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference (IampCPS) 2011
IEEE - David D Shipp Fellow IEEE Thomas J Dionise Senior Member IEEE
Visuth Lorch and Bill G MacFarlane PE Member IEEE
[03] Analysis of Integral Snubber Circuit Design for Transformers in Urban High Rise
Office Building IEEE Transactions on Industry Applications
[04] Medium-Voltage Switching Transient-Induced Potential Transformer Failures
Prediction Measurement and Practical Solutions
IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS VOL 49 NO 4
JULYAUGUST 2013 - Daniel C McDermit David D Shipp Fellow IEEE
Thomas J Dionise Senior Member IEEE and Visuth Lorch
[05] IEEE Std 1100 ndash IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding
Electronic Equipment (Emerald Book)
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 38
[06] IEEE Std 1159 ndash 1995
IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 39
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 40
httpecmwebcomcontentbasics-large-dry-type-transformers
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 16
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Todo corpo fiacutesico possui uma ou mais frequecircncias proacuteprias a partir das quais o
mesmo pode entrar em ressonacircncia Apresenta-se a seguir um Graacutefico de Anaacutelise
do Scan de Frequecircncias de um transformador
As frequecircncias de ressonacircncia do
transformador satildeo 1087 kHz 346
kHz 4559 kHz 6002 kHz e 020
kHz Veja graacutefico ao lado
Como pode ser observado no graacutefico
fornecido pelo fabricante os mesmos
enfatizam os pontos correspondentes
os valores maacuteximos das
impedacircncias que representam as
ressonacircncias paralelas que vatildeo
causar sobretensotildees
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 17
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
A publicaccedilatildeo do IEEE Std C57142TM-2010 ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence
and Mitigation of Switching Transients Induced by Transformers Switching Device
and System Interactionrdquo [01]
Este Guia mostra a importacircncia de se
fazer a anaacutelise do Scan de Frequecircncia
enfatizando a importacircncia das
ressonacircncias seacuteries ou seja os valores
miacutenimos
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 18
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Qual das duas consideraccedilotildees eacute mais importante Ambas Veja comentaacuterio de um
dos maiores especialistas do mundo sobre o assunto
a) O Guia do IEEE C57142[01] foi a primeira boa tentativa de cobrir este assunto
b) Eu investiguei mais de 65 falhas em transformadores realizei mais de 400
estudos de transitoacuterios de chaveamento e construiacute mais de 1200 snubbers e
posso dizer que a anaacutelise do FSRA realmente nos revela muita coisa
c) O primeiro pico do graacutefico corresponde a um ponto de ressonacircncia paralela
Neste ponto ocorreraacute uma amplificaccedilatildeo da tensatildeo para as altas frequecircncias e
normalmente iraacute danificar a bucha ou as primeiras espiras do enrolamento
(curto entre espiras)
d) O primeiro vale corresponde a uma ressonacircncia seacuterie e nos diz em qual
frequecircncia ter-se-aacute frac12 onda Tipicamente resulta numa ressonacircncia interna que
danifica os enrolamentos em pontos proacuteximos a 13 da extremidade do
enrolamento a partir da bucha
e) O segundo vale tambeacutem corresponde a uma ressonacircncia seacuterie ocorrendo
uma amplificaccedilatildeo em frac34 da onda e danificando numa posiccedilatildeo proacutexima a 23
do enrolamento a partir da bucha
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 19
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Qual das duas consideraccedilotildees eacute mais importante Ambas Veja comentaacuterio de um
dos maiores especialistas do mundo sobre o assunto
f) Os transformadores enrolado em camadas (Layer Wound) e Cast Coil satildeo mais
susceptiacuteveis a essas condiccedilotildees de ressonacircncia interna
g) Transformadores de construccedilatildeo VPI (Vacuum Pressure Impregnated) satildeo mais
propensos a falhas de dvdt e as magnitudes da sobretensatildeo do que agraves
ressonacircncias internas
h) Este graacutefico nos daacute uma visatildeo interna da ressonacircncia do transformador para
eventos de alta frequecircncia decorrentes de chaveamento sem modelagens
complexas do transformador que cujas informaccedilotildees quase nunca satildeo
disponiacuteveis
i) Assim o trabalho do engenheiro especialista em sistema de potecircncia eacute fazer
com que estas ondas de alta frequecircncia natildeo atinjam o transformador sejam
nos picos sejam nos vales
Nota
A isolaccedilatildeo dos enrolamentos pode ser Open-wound vacuum pressure impregnation (VPI) vacuum
pressure encapsulated (VPE) encapsulated and cast coil
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 20
2009 ndash USA ndash Data Center ndash 30004500 kVA
2012 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash 6000kVA - Queima de 11
transformadores
2012 ndash Brasil ndash Planta Quiacutemica ndash 138 kV ndash Queima de 1 transformador
2013 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash 6000 kVA ndash Queima de 3
transformadores
2014 ndash Brasil ndash Induacutestria de Armas ndash 138 kV ndash 1250 kVA - Queima de 1
transformador
2014 ndash Brasil ndash Industria de equipamentos Eletrocircnicos ndash 138 kV ndash Queima de 1
Transformador
2014 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash Queima de 2 transformadores um de
6000 kVA e outro de 225 kVA
2014 ndash Brasil ndash Preacutedio Comercial ndash 345 kV ndash Queima de 1 transformador -2500kVA
3 - CASOS REAIS OCORRIDOS NO BRASIL E USA
SLD 21
Considere um transformador de trecircs enrolamentos como o do unifilar seguinte
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se
o seguinte
a) Transformador seco sem carenagem
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2
HVN
uacutecle
oLV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
HV
LV1 LV2
SLD 22
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se o seguinte
b) Transformador seco com carenagem
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2 HV
Nuacutecle
o
LV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
CH-T = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o invoacutelucro
CH-TC
xM
etaacute
lica I
nvoacutelu
cro
Meio isolante = Ar
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 23
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se o seguinte
c) Transformador a oacuteleo
LV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
CH-T = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o tanque (invoacutelucro)
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2 HV
Nuacutecle
o CH-TC
xM
etaacute
lica I
nvoacutelu
cro
Meio isolante = Oacuteleo
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 24
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 25
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 26
5 - O FENOcircMENO
O FENOcircMENO
Durante o processo de interrupccedilatildeo de corrente (processo eletromagneacutetico) natildeo
se consegue variar a corrente instantaneamente em um indutor (V = L didt) pois
teria que ter uma tensatildeo infinita o que eacute impossiacutevel fisicamente Entretanto esta
tensatildeo se eleva rapidamente e carrega entatildeo as capacitacircncias com uma energia
igual a
Ou seja a energia que estava armazenada nas indutacircncias iraacute ser transferida para
as capacitacircncias ou seja como C eacute constante o aumento da energia implica no
aumento da tensatildeo
Apoacutes a interrupccedilatildeo o capacitor iraacute tentar um novo estado de equiliacutebrio no sistema e
comeccedila entatildeo a trocar energias com as indutacircncias (do novo sistema devido agrave
nova configuraccedilatildeo) no caso a bobina do transformador
Devido agraves elevadas magnitudes e valores de dVdt do processo acima
mencionado os isolamentos natildeo suportam o ldquostressrdquo danificando-se
119864119862 =1
2times 119862 times 1198812
SLD 27
O FENOcircMENO
Como descrito nas normas e literaturas pertinentes o BIL eacute um ensaio destrutivo
para impulso atmosfeacuterico que o transformador somente deveraacute suportar poucas
vezes em sua vida uacutetil
Os chaveamentos dos disjuntores inuacutemeras vezes na vida uacutetil e mesmo natildeo se
atingindo o valor do BIL devido agraves elevadas magnitudes e dVdt vai-se
envelhecendo a isolaccedilatildeo ateacute que em determinado momento a mesma poderaacute
falhar
Na praacutetica este processo eacute ateacute um pouco mais complexo pois este fenocircmeno pode
ocorrer na energizaccedilatildeo no desligamento ou devido aos re-strikes (reacendimento
do arco quando a tensatildeo de TRV-Transient Recovery Voltage ultrapassa o limite
dieleacutetrico suportaacutevel pelo meio de extinccedilatildeo do disjuntor durante a abertura) Outro
fato que corrobora para agravar o problema eacute a interrupccedilatildeo de corrente antes da
mesma atingir o zero (chop current)
A interrupccedilatildeo da corrente provoca o aumento do moacutedulo da tensatildeo na carga e o re-
strike provoca um aumento do dVdt do lado carga ou seja da frequecircncia
5 - O FENOcircMENO
SLD 28
6 - MITIGACcedilAtildeO
MITIGACcedilAtildeO
Para a mitigaccedilatildeo utilizam-se paacutera-raios e snubbers como mostrado na figura
seguinte
SLD 29
7 - MODELAGEM
MODELAGEM
a) Modelagem do sistema
Para a modelagem do sistema eacute utilizado um programa de Transitoacuterios
Eletromagneacuteticos (p ex ATP EMTP-RV etc)
b) Modelagem dos componentes do Sistema
Cabos e Linhas
Transformadores
Disjuntores
Concessionaacuteria
Paacutera-raios
Resistores de Aterramento
Capacitores
Filtros
Carga
SLD 30
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC mNBI
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Tensotildees no primaacuterio de um
transformador de 10 MVA345kV
devido a manobra de abertura de
disjuntor no instante t = 165 ms
Up = 304 kV (fase A) 1667 MHz
sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t)
factors
offsets
1
000E+00
v TRAFOA
-1
000E+00
mNBI
1
000E+00
2410 2415 2420 2425 2430 2435 2440 2445 2450[ms]
-200
-100
0
100
200
300
103
Zoom da Figura ao lado mostrando a
tensatildeo (fase A) no primaacuterio do
transformador TR-16 de 10 MVA
devido a manobra de abertura do
disjuntor do cubiacuteculo H13 no instante t
= 165 ms Up = 304 kV (fase A)
1667 MHz sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 31
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC mRD
160 175 190 205 220 235 250[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Detalhe da tensatildeo de repique(restrike)
entre os contatos dos polos do disjuntor o
Cub 5 devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms
ldquoRDrdquo refere-se a recuperaccedilatildeo do
dieleacutetrico durante a abertura do disjuntor
(36 Vμs) sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cZA -YA
236 238 240 242 244 246[ms]-1200
-800
-400
0
400
800
1200
[A]
Detalhe da corrente entre os
contatos do polo A do disjuntor do
Cub5 devido a manobra de
abertura do disjuntor no instante t =
165 ms sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 32
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
[kV]
Tensotildees no primaacuterio do transformador
de 10 MVA devido a manobra de
abertura do disjuntor do Cubiacuteculo 5 no
instante t = 165 ms Up = 482 kV
(fase B) com snubbers
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-30
-8
14
36
58
80
[kV]
Detalhe da tensatildeo entre os contatos
dos polos do disjuntor do Cub5
devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms com
snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 33
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cTRAFOA-RESA cTRAFOB-RESB
cTRAFOC-RESC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]0
15
30
45
60
75
90
[A]
Energia absorvida pelos resistores dos snubbers
Fase A = 812 J
Fase B = 257 J
Fase C = 184 J
Com snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 34
9 - ESPECIFICACcedilAtildeO
Tipo MOV
Modelo POLIM-D-36-11 ou Equivalente
Fabricante ABB SIEMENS ALSTOM TOSHIBA
Uc 36 kV
Un 45 kV
High Impulse Current 100 kA (410ms)
Nominal Discharge Current 10 kA (820ms)
Energia 36 kJkV(Uc)
Tipo Surto
Capacitacircncia Nominal 02 mF
Tensatildeo Nominal 345 kV
Frequecircncia Nominal 60 Hz
NBI 200 kV
Norma IEC 60871-12005
Sugestatildeo de Fabricantes ABB IneparIESA LAELC Alstom Nokian
Resistecircncia = 33 Ohms
Un= 345 kV
Potecircncia (Continuous) = gt 370 W
Energia = gt 60 kJ
NBI (BIL) = 200 kV
Tipo Resistor ceracircmico tubular natildeo indutivo
Sugestatildeo de Fabricantes KanthalOhmicEletele
Especificaccedilatildeo do Snubber
Paacutera-Raios
Capacitor de Surto
Resistor
SLD 35
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
a) Componentes
Devem ser de fabricantes
reconhecidos no mercado
b) Montagem
Os componentes devem ser
montados o mais proacuteximo
possiacutevel um do outro para
evitar indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
Preferecircncia para cordoalhas e
barras chatas para
interligaccedilatildeo
SLD 36
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
c) Instalaccedilatildeo
O conjunto deve ser instalado
o mais proacuteximo possiacutevel das
buchas de alta para evitar
elevadas indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
SLD 37
[01] IEEE Std C57142TM-2010
ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence and Mitigation of Switching Transients
Induced by Transformers Switching Device and System Interactionrdquo
[02] Transformer Failure due to circuit breaker induced switching transients
Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference (IampCPS) 2011
IEEE - David D Shipp Fellow IEEE Thomas J Dionise Senior Member IEEE
Visuth Lorch and Bill G MacFarlane PE Member IEEE
[03] Analysis of Integral Snubber Circuit Design for Transformers in Urban High Rise
Office Building IEEE Transactions on Industry Applications
[04] Medium-Voltage Switching Transient-Induced Potential Transformer Failures
Prediction Measurement and Practical Solutions
IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS VOL 49 NO 4
JULYAUGUST 2013 - Daniel C McDermit David D Shipp Fellow IEEE
Thomas J Dionise Senior Member IEEE and Visuth Lorch
[05] IEEE Std 1100 ndash IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding
Electronic Equipment (Emerald Book)
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 38
[06] IEEE Std 1159 ndash 1995
IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 39
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 40
httpecmwebcomcontentbasics-large-dry-type-transformers
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 17
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
A publicaccedilatildeo do IEEE Std C57142TM-2010 ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence
and Mitigation of Switching Transients Induced by Transformers Switching Device
and System Interactionrdquo [01]
Este Guia mostra a importacircncia de se
fazer a anaacutelise do Scan de Frequecircncia
enfatizando a importacircncia das
ressonacircncias seacuteries ou seja os valores
miacutenimos
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 18
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Qual das duas consideraccedilotildees eacute mais importante Ambas Veja comentaacuterio de um
dos maiores especialistas do mundo sobre o assunto
a) O Guia do IEEE C57142[01] foi a primeira boa tentativa de cobrir este assunto
b) Eu investiguei mais de 65 falhas em transformadores realizei mais de 400
estudos de transitoacuterios de chaveamento e construiacute mais de 1200 snubbers e
posso dizer que a anaacutelise do FSRA realmente nos revela muita coisa
c) O primeiro pico do graacutefico corresponde a um ponto de ressonacircncia paralela
Neste ponto ocorreraacute uma amplificaccedilatildeo da tensatildeo para as altas frequecircncias e
normalmente iraacute danificar a bucha ou as primeiras espiras do enrolamento
(curto entre espiras)
d) O primeiro vale corresponde a uma ressonacircncia seacuterie e nos diz em qual
frequecircncia ter-se-aacute frac12 onda Tipicamente resulta numa ressonacircncia interna que
danifica os enrolamentos em pontos proacuteximos a 13 da extremidade do
enrolamento a partir da bucha
e) O segundo vale tambeacutem corresponde a uma ressonacircncia seacuterie ocorrendo
uma amplificaccedilatildeo em frac34 da onda e danificando numa posiccedilatildeo proacutexima a 23
do enrolamento a partir da bucha
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 19
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Qual das duas consideraccedilotildees eacute mais importante Ambas Veja comentaacuterio de um
dos maiores especialistas do mundo sobre o assunto
f) Os transformadores enrolado em camadas (Layer Wound) e Cast Coil satildeo mais
susceptiacuteveis a essas condiccedilotildees de ressonacircncia interna
g) Transformadores de construccedilatildeo VPI (Vacuum Pressure Impregnated) satildeo mais
propensos a falhas de dvdt e as magnitudes da sobretensatildeo do que agraves
ressonacircncias internas
h) Este graacutefico nos daacute uma visatildeo interna da ressonacircncia do transformador para
eventos de alta frequecircncia decorrentes de chaveamento sem modelagens
complexas do transformador que cujas informaccedilotildees quase nunca satildeo
disponiacuteveis
i) Assim o trabalho do engenheiro especialista em sistema de potecircncia eacute fazer
com que estas ondas de alta frequecircncia natildeo atinjam o transformador sejam
nos picos sejam nos vales
Nota
A isolaccedilatildeo dos enrolamentos pode ser Open-wound vacuum pressure impregnation (VPI) vacuum
pressure encapsulated (VPE) encapsulated and cast coil
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 20
2009 ndash USA ndash Data Center ndash 30004500 kVA
2012 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash 6000kVA - Queima de 11
transformadores
2012 ndash Brasil ndash Planta Quiacutemica ndash 138 kV ndash Queima de 1 transformador
2013 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash 6000 kVA ndash Queima de 3
transformadores
2014 ndash Brasil ndash Induacutestria de Armas ndash 138 kV ndash 1250 kVA - Queima de 1
transformador
2014 ndash Brasil ndash Industria de equipamentos Eletrocircnicos ndash 138 kV ndash Queima de 1
Transformador
2014 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash Queima de 2 transformadores um de
6000 kVA e outro de 225 kVA
2014 ndash Brasil ndash Preacutedio Comercial ndash 345 kV ndash Queima de 1 transformador -2500kVA
3 - CASOS REAIS OCORRIDOS NO BRASIL E USA
SLD 21
Considere um transformador de trecircs enrolamentos como o do unifilar seguinte
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se
o seguinte
a) Transformador seco sem carenagem
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2
HVN
uacutecle
oLV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
HV
LV1 LV2
SLD 22
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se o seguinte
b) Transformador seco com carenagem
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2 HV
Nuacutecle
o
LV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
CH-T = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o invoacutelucro
CH-TC
xM
etaacute
lica I
nvoacutelu
cro
Meio isolante = Ar
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 23
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se o seguinte
c) Transformador a oacuteleo
LV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
CH-T = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o tanque (invoacutelucro)
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2 HV
Nuacutecle
o CH-TC
xM
etaacute
lica I
nvoacutelu
cro
Meio isolante = Oacuteleo
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 24
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 25
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 26
5 - O FENOcircMENO
O FENOcircMENO
Durante o processo de interrupccedilatildeo de corrente (processo eletromagneacutetico) natildeo
se consegue variar a corrente instantaneamente em um indutor (V = L didt) pois
teria que ter uma tensatildeo infinita o que eacute impossiacutevel fisicamente Entretanto esta
tensatildeo se eleva rapidamente e carrega entatildeo as capacitacircncias com uma energia
igual a
Ou seja a energia que estava armazenada nas indutacircncias iraacute ser transferida para
as capacitacircncias ou seja como C eacute constante o aumento da energia implica no
aumento da tensatildeo
Apoacutes a interrupccedilatildeo o capacitor iraacute tentar um novo estado de equiliacutebrio no sistema e
comeccedila entatildeo a trocar energias com as indutacircncias (do novo sistema devido agrave
nova configuraccedilatildeo) no caso a bobina do transformador
Devido agraves elevadas magnitudes e valores de dVdt do processo acima
mencionado os isolamentos natildeo suportam o ldquostressrdquo danificando-se
119864119862 =1
2times 119862 times 1198812
SLD 27
O FENOcircMENO
Como descrito nas normas e literaturas pertinentes o BIL eacute um ensaio destrutivo
para impulso atmosfeacuterico que o transformador somente deveraacute suportar poucas
vezes em sua vida uacutetil
Os chaveamentos dos disjuntores inuacutemeras vezes na vida uacutetil e mesmo natildeo se
atingindo o valor do BIL devido agraves elevadas magnitudes e dVdt vai-se
envelhecendo a isolaccedilatildeo ateacute que em determinado momento a mesma poderaacute
falhar
Na praacutetica este processo eacute ateacute um pouco mais complexo pois este fenocircmeno pode
ocorrer na energizaccedilatildeo no desligamento ou devido aos re-strikes (reacendimento
do arco quando a tensatildeo de TRV-Transient Recovery Voltage ultrapassa o limite
dieleacutetrico suportaacutevel pelo meio de extinccedilatildeo do disjuntor durante a abertura) Outro
fato que corrobora para agravar o problema eacute a interrupccedilatildeo de corrente antes da
mesma atingir o zero (chop current)
A interrupccedilatildeo da corrente provoca o aumento do moacutedulo da tensatildeo na carga e o re-
strike provoca um aumento do dVdt do lado carga ou seja da frequecircncia
5 - O FENOcircMENO
SLD 28
6 - MITIGACcedilAtildeO
MITIGACcedilAtildeO
Para a mitigaccedilatildeo utilizam-se paacutera-raios e snubbers como mostrado na figura
seguinte
SLD 29
7 - MODELAGEM
MODELAGEM
a) Modelagem do sistema
Para a modelagem do sistema eacute utilizado um programa de Transitoacuterios
Eletromagneacuteticos (p ex ATP EMTP-RV etc)
b) Modelagem dos componentes do Sistema
Cabos e Linhas
Transformadores
Disjuntores
Concessionaacuteria
Paacutera-raios
Resistores de Aterramento
Capacitores
Filtros
Carga
SLD 30
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC mNBI
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Tensotildees no primaacuterio de um
transformador de 10 MVA345kV
devido a manobra de abertura de
disjuntor no instante t = 165 ms
Up = 304 kV (fase A) 1667 MHz
sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t)
factors
offsets
1
000E+00
v TRAFOA
-1
000E+00
mNBI
1
000E+00
2410 2415 2420 2425 2430 2435 2440 2445 2450[ms]
-200
-100
0
100
200
300
103
Zoom da Figura ao lado mostrando a
tensatildeo (fase A) no primaacuterio do
transformador TR-16 de 10 MVA
devido a manobra de abertura do
disjuntor do cubiacuteculo H13 no instante t
= 165 ms Up = 304 kV (fase A)
1667 MHz sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 31
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC mRD
160 175 190 205 220 235 250[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Detalhe da tensatildeo de repique(restrike)
entre os contatos dos polos do disjuntor o
Cub 5 devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms
ldquoRDrdquo refere-se a recuperaccedilatildeo do
dieleacutetrico durante a abertura do disjuntor
(36 Vμs) sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cZA -YA
236 238 240 242 244 246[ms]-1200
-800
-400
0
400
800
1200
[A]
Detalhe da corrente entre os
contatos do polo A do disjuntor do
Cub5 devido a manobra de
abertura do disjuntor no instante t =
165 ms sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 32
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
[kV]
Tensotildees no primaacuterio do transformador
de 10 MVA devido a manobra de
abertura do disjuntor do Cubiacuteculo 5 no
instante t = 165 ms Up = 482 kV
(fase B) com snubbers
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-30
-8
14
36
58
80
[kV]
Detalhe da tensatildeo entre os contatos
dos polos do disjuntor do Cub5
devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms com
snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 33
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cTRAFOA-RESA cTRAFOB-RESB
cTRAFOC-RESC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]0
15
30
45
60
75
90
[A]
Energia absorvida pelos resistores dos snubbers
Fase A = 812 J
Fase B = 257 J
Fase C = 184 J
Com snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 34
9 - ESPECIFICACcedilAtildeO
Tipo MOV
Modelo POLIM-D-36-11 ou Equivalente
Fabricante ABB SIEMENS ALSTOM TOSHIBA
Uc 36 kV
Un 45 kV
High Impulse Current 100 kA (410ms)
Nominal Discharge Current 10 kA (820ms)
Energia 36 kJkV(Uc)
Tipo Surto
Capacitacircncia Nominal 02 mF
Tensatildeo Nominal 345 kV
Frequecircncia Nominal 60 Hz
NBI 200 kV
Norma IEC 60871-12005
Sugestatildeo de Fabricantes ABB IneparIESA LAELC Alstom Nokian
Resistecircncia = 33 Ohms
Un= 345 kV
Potecircncia (Continuous) = gt 370 W
Energia = gt 60 kJ
NBI (BIL) = 200 kV
Tipo Resistor ceracircmico tubular natildeo indutivo
Sugestatildeo de Fabricantes KanthalOhmicEletele
Especificaccedilatildeo do Snubber
Paacutera-Raios
Capacitor de Surto
Resistor
SLD 35
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
a) Componentes
Devem ser de fabricantes
reconhecidos no mercado
b) Montagem
Os componentes devem ser
montados o mais proacuteximo
possiacutevel um do outro para
evitar indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
Preferecircncia para cordoalhas e
barras chatas para
interligaccedilatildeo
SLD 36
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
c) Instalaccedilatildeo
O conjunto deve ser instalado
o mais proacuteximo possiacutevel das
buchas de alta para evitar
elevadas indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
SLD 37
[01] IEEE Std C57142TM-2010
ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence and Mitigation of Switching Transients
Induced by Transformers Switching Device and System Interactionrdquo
[02] Transformer Failure due to circuit breaker induced switching transients
Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference (IampCPS) 2011
IEEE - David D Shipp Fellow IEEE Thomas J Dionise Senior Member IEEE
Visuth Lorch and Bill G MacFarlane PE Member IEEE
[03] Analysis of Integral Snubber Circuit Design for Transformers in Urban High Rise
Office Building IEEE Transactions on Industry Applications
[04] Medium-Voltage Switching Transient-Induced Potential Transformer Failures
Prediction Measurement and Practical Solutions
IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS VOL 49 NO 4
JULYAUGUST 2013 - Daniel C McDermit David D Shipp Fellow IEEE
Thomas J Dionise Senior Member IEEE and Visuth Lorch
[05] IEEE Std 1100 ndash IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding
Electronic Equipment (Emerald Book)
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 38
[06] IEEE Std 1159 ndash 1995
IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 39
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 40
httpecmwebcomcontentbasics-large-dry-type-transformers
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 18
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Qual das duas consideraccedilotildees eacute mais importante Ambas Veja comentaacuterio de um
dos maiores especialistas do mundo sobre o assunto
a) O Guia do IEEE C57142[01] foi a primeira boa tentativa de cobrir este assunto
b) Eu investiguei mais de 65 falhas em transformadores realizei mais de 400
estudos de transitoacuterios de chaveamento e construiacute mais de 1200 snubbers e
posso dizer que a anaacutelise do FSRA realmente nos revela muita coisa
c) O primeiro pico do graacutefico corresponde a um ponto de ressonacircncia paralela
Neste ponto ocorreraacute uma amplificaccedilatildeo da tensatildeo para as altas frequecircncias e
normalmente iraacute danificar a bucha ou as primeiras espiras do enrolamento
(curto entre espiras)
d) O primeiro vale corresponde a uma ressonacircncia seacuterie e nos diz em qual
frequecircncia ter-se-aacute frac12 onda Tipicamente resulta numa ressonacircncia interna que
danifica os enrolamentos em pontos proacuteximos a 13 da extremidade do
enrolamento a partir da bucha
e) O segundo vale tambeacutem corresponde a uma ressonacircncia seacuterie ocorrendo
uma amplificaccedilatildeo em frac34 da onda e danificando numa posiccedilatildeo proacutexima a 23
do enrolamento a partir da bucha
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 19
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Qual das duas consideraccedilotildees eacute mais importante Ambas Veja comentaacuterio de um
dos maiores especialistas do mundo sobre o assunto
f) Os transformadores enrolado em camadas (Layer Wound) e Cast Coil satildeo mais
susceptiacuteveis a essas condiccedilotildees de ressonacircncia interna
g) Transformadores de construccedilatildeo VPI (Vacuum Pressure Impregnated) satildeo mais
propensos a falhas de dvdt e as magnitudes da sobretensatildeo do que agraves
ressonacircncias internas
h) Este graacutefico nos daacute uma visatildeo interna da ressonacircncia do transformador para
eventos de alta frequecircncia decorrentes de chaveamento sem modelagens
complexas do transformador que cujas informaccedilotildees quase nunca satildeo
disponiacuteveis
i) Assim o trabalho do engenheiro especialista em sistema de potecircncia eacute fazer
com que estas ondas de alta frequecircncia natildeo atinjam o transformador sejam
nos picos sejam nos vales
Nota
A isolaccedilatildeo dos enrolamentos pode ser Open-wound vacuum pressure impregnation (VPI) vacuum
pressure encapsulated (VPE) encapsulated and cast coil
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 20
2009 ndash USA ndash Data Center ndash 30004500 kVA
2012 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash 6000kVA - Queima de 11
transformadores
2012 ndash Brasil ndash Planta Quiacutemica ndash 138 kV ndash Queima de 1 transformador
2013 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash 6000 kVA ndash Queima de 3
transformadores
2014 ndash Brasil ndash Induacutestria de Armas ndash 138 kV ndash 1250 kVA - Queima de 1
transformador
2014 ndash Brasil ndash Industria de equipamentos Eletrocircnicos ndash 138 kV ndash Queima de 1
Transformador
2014 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash Queima de 2 transformadores um de
6000 kVA e outro de 225 kVA
2014 ndash Brasil ndash Preacutedio Comercial ndash 345 kV ndash Queima de 1 transformador -2500kVA
3 - CASOS REAIS OCORRIDOS NO BRASIL E USA
SLD 21
Considere um transformador de trecircs enrolamentos como o do unifilar seguinte
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se
o seguinte
a) Transformador seco sem carenagem
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2
HVN
uacutecle
oLV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
HV
LV1 LV2
SLD 22
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se o seguinte
b) Transformador seco com carenagem
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2 HV
Nuacutecle
o
LV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
CH-T = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o invoacutelucro
CH-TC
xM
etaacute
lica I
nvoacutelu
cro
Meio isolante = Ar
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 23
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se o seguinte
c) Transformador a oacuteleo
LV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
CH-T = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o tanque (invoacutelucro)
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2 HV
Nuacutecle
o CH-TC
xM
etaacute
lica I
nvoacutelu
cro
Meio isolante = Oacuteleo
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 24
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 25
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 26
5 - O FENOcircMENO
O FENOcircMENO
Durante o processo de interrupccedilatildeo de corrente (processo eletromagneacutetico) natildeo
se consegue variar a corrente instantaneamente em um indutor (V = L didt) pois
teria que ter uma tensatildeo infinita o que eacute impossiacutevel fisicamente Entretanto esta
tensatildeo se eleva rapidamente e carrega entatildeo as capacitacircncias com uma energia
igual a
Ou seja a energia que estava armazenada nas indutacircncias iraacute ser transferida para
as capacitacircncias ou seja como C eacute constante o aumento da energia implica no
aumento da tensatildeo
Apoacutes a interrupccedilatildeo o capacitor iraacute tentar um novo estado de equiliacutebrio no sistema e
comeccedila entatildeo a trocar energias com as indutacircncias (do novo sistema devido agrave
nova configuraccedilatildeo) no caso a bobina do transformador
Devido agraves elevadas magnitudes e valores de dVdt do processo acima
mencionado os isolamentos natildeo suportam o ldquostressrdquo danificando-se
119864119862 =1
2times 119862 times 1198812
SLD 27
O FENOcircMENO
Como descrito nas normas e literaturas pertinentes o BIL eacute um ensaio destrutivo
para impulso atmosfeacuterico que o transformador somente deveraacute suportar poucas
vezes em sua vida uacutetil
Os chaveamentos dos disjuntores inuacutemeras vezes na vida uacutetil e mesmo natildeo se
atingindo o valor do BIL devido agraves elevadas magnitudes e dVdt vai-se
envelhecendo a isolaccedilatildeo ateacute que em determinado momento a mesma poderaacute
falhar
Na praacutetica este processo eacute ateacute um pouco mais complexo pois este fenocircmeno pode
ocorrer na energizaccedilatildeo no desligamento ou devido aos re-strikes (reacendimento
do arco quando a tensatildeo de TRV-Transient Recovery Voltage ultrapassa o limite
dieleacutetrico suportaacutevel pelo meio de extinccedilatildeo do disjuntor durante a abertura) Outro
fato que corrobora para agravar o problema eacute a interrupccedilatildeo de corrente antes da
mesma atingir o zero (chop current)
A interrupccedilatildeo da corrente provoca o aumento do moacutedulo da tensatildeo na carga e o re-
strike provoca um aumento do dVdt do lado carga ou seja da frequecircncia
5 - O FENOcircMENO
SLD 28
6 - MITIGACcedilAtildeO
MITIGACcedilAtildeO
Para a mitigaccedilatildeo utilizam-se paacutera-raios e snubbers como mostrado na figura
seguinte
SLD 29
7 - MODELAGEM
MODELAGEM
a) Modelagem do sistema
Para a modelagem do sistema eacute utilizado um programa de Transitoacuterios
Eletromagneacuteticos (p ex ATP EMTP-RV etc)
b) Modelagem dos componentes do Sistema
Cabos e Linhas
Transformadores
Disjuntores
Concessionaacuteria
Paacutera-raios
Resistores de Aterramento
Capacitores
Filtros
Carga
SLD 30
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC mNBI
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Tensotildees no primaacuterio de um
transformador de 10 MVA345kV
devido a manobra de abertura de
disjuntor no instante t = 165 ms
Up = 304 kV (fase A) 1667 MHz
sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t)
factors
offsets
1
000E+00
v TRAFOA
-1
000E+00
mNBI
1
000E+00
2410 2415 2420 2425 2430 2435 2440 2445 2450[ms]
-200
-100
0
100
200
300
103
Zoom da Figura ao lado mostrando a
tensatildeo (fase A) no primaacuterio do
transformador TR-16 de 10 MVA
devido a manobra de abertura do
disjuntor do cubiacuteculo H13 no instante t
= 165 ms Up = 304 kV (fase A)
1667 MHz sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 31
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC mRD
160 175 190 205 220 235 250[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Detalhe da tensatildeo de repique(restrike)
entre os contatos dos polos do disjuntor o
Cub 5 devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms
ldquoRDrdquo refere-se a recuperaccedilatildeo do
dieleacutetrico durante a abertura do disjuntor
(36 Vμs) sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cZA -YA
236 238 240 242 244 246[ms]-1200
-800
-400
0
400
800
1200
[A]
Detalhe da corrente entre os
contatos do polo A do disjuntor do
Cub5 devido a manobra de
abertura do disjuntor no instante t =
165 ms sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 32
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
[kV]
Tensotildees no primaacuterio do transformador
de 10 MVA devido a manobra de
abertura do disjuntor do Cubiacuteculo 5 no
instante t = 165 ms Up = 482 kV
(fase B) com snubbers
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-30
-8
14
36
58
80
[kV]
Detalhe da tensatildeo entre os contatos
dos polos do disjuntor do Cub5
devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms com
snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 33
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cTRAFOA-RESA cTRAFOB-RESB
cTRAFOC-RESC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]0
15
30
45
60
75
90
[A]
Energia absorvida pelos resistores dos snubbers
Fase A = 812 J
Fase B = 257 J
Fase C = 184 J
Com snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 34
9 - ESPECIFICACcedilAtildeO
Tipo MOV
Modelo POLIM-D-36-11 ou Equivalente
Fabricante ABB SIEMENS ALSTOM TOSHIBA
Uc 36 kV
Un 45 kV
High Impulse Current 100 kA (410ms)
Nominal Discharge Current 10 kA (820ms)
Energia 36 kJkV(Uc)
Tipo Surto
Capacitacircncia Nominal 02 mF
Tensatildeo Nominal 345 kV
Frequecircncia Nominal 60 Hz
NBI 200 kV
Norma IEC 60871-12005
Sugestatildeo de Fabricantes ABB IneparIESA LAELC Alstom Nokian
Resistecircncia = 33 Ohms
Un= 345 kV
Potecircncia (Continuous) = gt 370 W
Energia = gt 60 kJ
NBI (BIL) = 200 kV
Tipo Resistor ceracircmico tubular natildeo indutivo
Sugestatildeo de Fabricantes KanthalOhmicEletele
Especificaccedilatildeo do Snubber
Paacutera-Raios
Capacitor de Surto
Resistor
SLD 35
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
a) Componentes
Devem ser de fabricantes
reconhecidos no mercado
b) Montagem
Os componentes devem ser
montados o mais proacuteximo
possiacutevel um do outro para
evitar indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
Preferecircncia para cordoalhas e
barras chatas para
interligaccedilatildeo
SLD 36
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
c) Instalaccedilatildeo
O conjunto deve ser instalado
o mais proacuteximo possiacutevel das
buchas de alta para evitar
elevadas indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
SLD 37
[01] IEEE Std C57142TM-2010
ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence and Mitigation of Switching Transients
Induced by Transformers Switching Device and System Interactionrdquo
[02] Transformer Failure due to circuit breaker induced switching transients
Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference (IampCPS) 2011
IEEE - David D Shipp Fellow IEEE Thomas J Dionise Senior Member IEEE
Visuth Lorch and Bill G MacFarlane PE Member IEEE
[03] Analysis of Integral Snubber Circuit Design for Transformers in Urban High Rise
Office Building IEEE Transactions on Industry Applications
[04] Medium-Voltage Switching Transient-Induced Potential Transformer Failures
Prediction Measurement and Practical Solutions
IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS VOL 49 NO 4
JULYAUGUST 2013 - Daniel C McDermit David D Shipp Fellow IEEE
Thomas J Dionise Senior Member IEEE and Visuth Lorch
[05] IEEE Std 1100 ndash IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding
Electronic Equipment (Emerald Book)
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 38
[06] IEEE Std 1159 ndash 1995
IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 39
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 40
httpecmwebcomcontentbasics-large-dry-type-transformers
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 19
(f) FSRA ndash Frequency Scan Response Analysis
Qual das duas consideraccedilotildees eacute mais importante Ambas Veja comentaacuterio de um
dos maiores especialistas do mundo sobre o assunto
f) Os transformadores enrolado em camadas (Layer Wound) e Cast Coil satildeo mais
susceptiacuteveis a essas condiccedilotildees de ressonacircncia interna
g) Transformadores de construccedilatildeo VPI (Vacuum Pressure Impregnated) satildeo mais
propensos a falhas de dvdt e as magnitudes da sobretensatildeo do que agraves
ressonacircncias internas
h) Este graacutefico nos daacute uma visatildeo interna da ressonacircncia do transformador para
eventos de alta frequecircncia decorrentes de chaveamento sem modelagens
complexas do transformador que cujas informaccedilotildees quase nunca satildeo
disponiacuteveis
i) Assim o trabalho do engenheiro especialista em sistema de potecircncia eacute fazer
com que estas ondas de alta frequecircncia natildeo atinjam o transformador sejam
nos picos sejam nos vales
Nota
A isolaccedilatildeo dos enrolamentos pode ser Open-wound vacuum pressure impregnation (VPI) vacuum
pressure encapsulated (VPE) encapsulated and cast coil
2 - CONCEITOS BAacuteSICOS
SLD 20
2009 ndash USA ndash Data Center ndash 30004500 kVA
2012 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash 6000kVA - Queima de 11
transformadores
2012 ndash Brasil ndash Planta Quiacutemica ndash 138 kV ndash Queima de 1 transformador
2013 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash 6000 kVA ndash Queima de 3
transformadores
2014 ndash Brasil ndash Induacutestria de Armas ndash 138 kV ndash 1250 kVA - Queima de 1
transformador
2014 ndash Brasil ndash Industria de equipamentos Eletrocircnicos ndash 138 kV ndash Queima de 1
Transformador
2014 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash Queima de 2 transformadores um de
6000 kVA e outro de 225 kVA
2014 ndash Brasil ndash Preacutedio Comercial ndash 345 kV ndash Queima de 1 transformador -2500kVA
3 - CASOS REAIS OCORRIDOS NO BRASIL E USA
SLD 21
Considere um transformador de trecircs enrolamentos como o do unifilar seguinte
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se
o seguinte
a) Transformador seco sem carenagem
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2
HVN
uacutecle
oLV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
HV
LV1 LV2
SLD 22
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se o seguinte
b) Transformador seco com carenagem
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2 HV
Nuacutecle
o
LV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
CH-T = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o invoacutelucro
CH-TC
xM
etaacute
lica I
nvoacutelu
cro
Meio isolante = Ar
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 23
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se o seguinte
c) Transformador a oacuteleo
LV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
CH-T = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o tanque (invoacutelucro)
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2 HV
Nuacutecle
o CH-TC
xM
etaacute
lica I
nvoacutelu
cro
Meio isolante = Oacuteleo
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 24
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 25
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 26
5 - O FENOcircMENO
O FENOcircMENO
Durante o processo de interrupccedilatildeo de corrente (processo eletromagneacutetico) natildeo
se consegue variar a corrente instantaneamente em um indutor (V = L didt) pois
teria que ter uma tensatildeo infinita o que eacute impossiacutevel fisicamente Entretanto esta
tensatildeo se eleva rapidamente e carrega entatildeo as capacitacircncias com uma energia
igual a
Ou seja a energia que estava armazenada nas indutacircncias iraacute ser transferida para
as capacitacircncias ou seja como C eacute constante o aumento da energia implica no
aumento da tensatildeo
Apoacutes a interrupccedilatildeo o capacitor iraacute tentar um novo estado de equiliacutebrio no sistema e
comeccedila entatildeo a trocar energias com as indutacircncias (do novo sistema devido agrave
nova configuraccedilatildeo) no caso a bobina do transformador
Devido agraves elevadas magnitudes e valores de dVdt do processo acima
mencionado os isolamentos natildeo suportam o ldquostressrdquo danificando-se
119864119862 =1
2times 119862 times 1198812
SLD 27
O FENOcircMENO
Como descrito nas normas e literaturas pertinentes o BIL eacute um ensaio destrutivo
para impulso atmosfeacuterico que o transformador somente deveraacute suportar poucas
vezes em sua vida uacutetil
Os chaveamentos dos disjuntores inuacutemeras vezes na vida uacutetil e mesmo natildeo se
atingindo o valor do BIL devido agraves elevadas magnitudes e dVdt vai-se
envelhecendo a isolaccedilatildeo ateacute que em determinado momento a mesma poderaacute
falhar
Na praacutetica este processo eacute ateacute um pouco mais complexo pois este fenocircmeno pode
ocorrer na energizaccedilatildeo no desligamento ou devido aos re-strikes (reacendimento
do arco quando a tensatildeo de TRV-Transient Recovery Voltage ultrapassa o limite
dieleacutetrico suportaacutevel pelo meio de extinccedilatildeo do disjuntor durante a abertura) Outro
fato que corrobora para agravar o problema eacute a interrupccedilatildeo de corrente antes da
mesma atingir o zero (chop current)
A interrupccedilatildeo da corrente provoca o aumento do moacutedulo da tensatildeo na carga e o re-
strike provoca um aumento do dVdt do lado carga ou seja da frequecircncia
5 - O FENOcircMENO
SLD 28
6 - MITIGACcedilAtildeO
MITIGACcedilAtildeO
Para a mitigaccedilatildeo utilizam-se paacutera-raios e snubbers como mostrado na figura
seguinte
SLD 29
7 - MODELAGEM
MODELAGEM
a) Modelagem do sistema
Para a modelagem do sistema eacute utilizado um programa de Transitoacuterios
Eletromagneacuteticos (p ex ATP EMTP-RV etc)
b) Modelagem dos componentes do Sistema
Cabos e Linhas
Transformadores
Disjuntores
Concessionaacuteria
Paacutera-raios
Resistores de Aterramento
Capacitores
Filtros
Carga
SLD 30
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC mNBI
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Tensotildees no primaacuterio de um
transformador de 10 MVA345kV
devido a manobra de abertura de
disjuntor no instante t = 165 ms
Up = 304 kV (fase A) 1667 MHz
sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t)
factors
offsets
1
000E+00
v TRAFOA
-1
000E+00
mNBI
1
000E+00
2410 2415 2420 2425 2430 2435 2440 2445 2450[ms]
-200
-100
0
100
200
300
103
Zoom da Figura ao lado mostrando a
tensatildeo (fase A) no primaacuterio do
transformador TR-16 de 10 MVA
devido a manobra de abertura do
disjuntor do cubiacuteculo H13 no instante t
= 165 ms Up = 304 kV (fase A)
1667 MHz sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 31
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC mRD
160 175 190 205 220 235 250[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Detalhe da tensatildeo de repique(restrike)
entre os contatos dos polos do disjuntor o
Cub 5 devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms
ldquoRDrdquo refere-se a recuperaccedilatildeo do
dieleacutetrico durante a abertura do disjuntor
(36 Vμs) sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cZA -YA
236 238 240 242 244 246[ms]-1200
-800
-400
0
400
800
1200
[A]
Detalhe da corrente entre os
contatos do polo A do disjuntor do
Cub5 devido a manobra de
abertura do disjuntor no instante t =
165 ms sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 32
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
[kV]
Tensotildees no primaacuterio do transformador
de 10 MVA devido a manobra de
abertura do disjuntor do Cubiacuteculo 5 no
instante t = 165 ms Up = 482 kV
(fase B) com snubbers
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-30
-8
14
36
58
80
[kV]
Detalhe da tensatildeo entre os contatos
dos polos do disjuntor do Cub5
devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms com
snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 33
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cTRAFOA-RESA cTRAFOB-RESB
cTRAFOC-RESC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]0
15
30
45
60
75
90
[A]
Energia absorvida pelos resistores dos snubbers
Fase A = 812 J
Fase B = 257 J
Fase C = 184 J
Com snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 34
9 - ESPECIFICACcedilAtildeO
Tipo MOV
Modelo POLIM-D-36-11 ou Equivalente
Fabricante ABB SIEMENS ALSTOM TOSHIBA
Uc 36 kV
Un 45 kV
High Impulse Current 100 kA (410ms)
Nominal Discharge Current 10 kA (820ms)
Energia 36 kJkV(Uc)
Tipo Surto
Capacitacircncia Nominal 02 mF
Tensatildeo Nominal 345 kV
Frequecircncia Nominal 60 Hz
NBI 200 kV
Norma IEC 60871-12005
Sugestatildeo de Fabricantes ABB IneparIESA LAELC Alstom Nokian
Resistecircncia = 33 Ohms
Un= 345 kV
Potecircncia (Continuous) = gt 370 W
Energia = gt 60 kJ
NBI (BIL) = 200 kV
Tipo Resistor ceracircmico tubular natildeo indutivo
Sugestatildeo de Fabricantes KanthalOhmicEletele
Especificaccedilatildeo do Snubber
Paacutera-Raios
Capacitor de Surto
Resistor
SLD 35
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
a) Componentes
Devem ser de fabricantes
reconhecidos no mercado
b) Montagem
Os componentes devem ser
montados o mais proacuteximo
possiacutevel um do outro para
evitar indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
Preferecircncia para cordoalhas e
barras chatas para
interligaccedilatildeo
SLD 36
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
c) Instalaccedilatildeo
O conjunto deve ser instalado
o mais proacuteximo possiacutevel das
buchas de alta para evitar
elevadas indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
SLD 37
[01] IEEE Std C57142TM-2010
ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence and Mitigation of Switching Transients
Induced by Transformers Switching Device and System Interactionrdquo
[02] Transformer Failure due to circuit breaker induced switching transients
Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference (IampCPS) 2011
IEEE - David D Shipp Fellow IEEE Thomas J Dionise Senior Member IEEE
Visuth Lorch and Bill G MacFarlane PE Member IEEE
[03] Analysis of Integral Snubber Circuit Design for Transformers in Urban High Rise
Office Building IEEE Transactions on Industry Applications
[04] Medium-Voltage Switching Transient-Induced Potential Transformer Failures
Prediction Measurement and Practical Solutions
IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS VOL 49 NO 4
JULYAUGUST 2013 - Daniel C McDermit David D Shipp Fellow IEEE
Thomas J Dionise Senior Member IEEE and Visuth Lorch
[05] IEEE Std 1100 ndash IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding
Electronic Equipment (Emerald Book)
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 38
[06] IEEE Std 1159 ndash 1995
IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 39
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 40
httpecmwebcomcontentbasics-large-dry-type-transformers
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 20
2009 ndash USA ndash Data Center ndash 30004500 kVA
2012 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash 6000kVA - Queima de 11
transformadores
2012 ndash Brasil ndash Planta Quiacutemica ndash 138 kV ndash Queima de 1 transformador
2013 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash 6000 kVA ndash Queima de 3
transformadores
2014 ndash Brasil ndash Induacutestria de Armas ndash 138 kV ndash 1250 kVA - Queima de 1
transformador
2014 ndash Brasil ndash Industria de equipamentos Eletrocircnicos ndash 138 kV ndash Queima de 1
Transformador
2014 ndash Brasil ndash Planta de Papel ndash 345 kV ndash Queima de 2 transformadores um de
6000 kVA e outro de 225 kVA
2014 ndash Brasil ndash Preacutedio Comercial ndash 345 kV ndash Queima de 1 transformador -2500kVA
3 - CASOS REAIS OCORRIDOS NO BRASIL E USA
SLD 21
Considere um transformador de trecircs enrolamentos como o do unifilar seguinte
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se
o seguinte
a) Transformador seco sem carenagem
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2
HVN
uacutecle
oLV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
HV
LV1 LV2
SLD 22
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se o seguinte
b) Transformador seco com carenagem
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2 HV
Nuacutecle
o
LV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
CH-T = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o invoacutelucro
CH-TC
xM
etaacute
lica I
nvoacutelu
cro
Meio isolante = Ar
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 23
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se o seguinte
c) Transformador a oacuteleo
LV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
CH-T = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o tanque (invoacutelucro)
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2 HV
Nuacutecle
o CH-TC
xM
etaacute
lica I
nvoacutelu
cro
Meio isolante = Oacuteleo
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 24
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 25
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 26
5 - O FENOcircMENO
O FENOcircMENO
Durante o processo de interrupccedilatildeo de corrente (processo eletromagneacutetico) natildeo
se consegue variar a corrente instantaneamente em um indutor (V = L didt) pois
teria que ter uma tensatildeo infinita o que eacute impossiacutevel fisicamente Entretanto esta
tensatildeo se eleva rapidamente e carrega entatildeo as capacitacircncias com uma energia
igual a
Ou seja a energia que estava armazenada nas indutacircncias iraacute ser transferida para
as capacitacircncias ou seja como C eacute constante o aumento da energia implica no
aumento da tensatildeo
Apoacutes a interrupccedilatildeo o capacitor iraacute tentar um novo estado de equiliacutebrio no sistema e
comeccedila entatildeo a trocar energias com as indutacircncias (do novo sistema devido agrave
nova configuraccedilatildeo) no caso a bobina do transformador
Devido agraves elevadas magnitudes e valores de dVdt do processo acima
mencionado os isolamentos natildeo suportam o ldquostressrdquo danificando-se
119864119862 =1
2times 119862 times 1198812
SLD 27
O FENOcircMENO
Como descrito nas normas e literaturas pertinentes o BIL eacute um ensaio destrutivo
para impulso atmosfeacuterico que o transformador somente deveraacute suportar poucas
vezes em sua vida uacutetil
Os chaveamentos dos disjuntores inuacutemeras vezes na vida uacutetil e mesmo natildeo se
atingindo o valor do BIL devido agraves elevadas magnitudes e dVdt vai-se
envelhecendo a isolaccedilatildeo ateacute que em determinado momento a mesma poderaacute
falhar
Na praacutetica este processo eacute ateacute um pouco mais complexo pois este fenocircmeno pode
ocorrer na energizaccedilatildeo no desligamento ou devido aos re-strikes (reacendimento
do arco quando a tensatildeo de TRV-Transient Recovery Voltage ultrapassa o limite
dieleacutetrico suportaacutevel pelo meio de extinccedilatildeo do disjuntor durante a abertura) Outro
fato que corrobora para agravar o problema eacute a interrupccedilatildeo de corrente antes da
mesma atingir o zero (chop current)
A interrupccedilatildeo da corrente provoca o aumento do moacutedulo da tensatildeo na carga e o re-
strike provoca um aumento do dVdt do lado carga ou seja da frequecircncia
5 - O FENOcircMENO
SLD 28
6 - MITIGACcedilAtildeO
MITIGACcedilAtildeO
Para a mitigaccedilatildeo utilizam-se paacutera-raios e snubbers como mostrado na figura
seguinte
SLD 29
7 - MODELAGEM
MODELAGEM
a) Modelagem do sistema
Para a modelagem do sistema eacute utilizado um programa de Transitoacuterios
Eletromagneacuteticos (p ex ATP EMTP-RV etc)
b) Modelagem dos componentes do Sistema
Cabos e Linhas
Transformadores
Disjuntores
Concessionaacuteria
Paacutera-raios
Resistores de Aterramento
Capacitores
Filtros
Carga
SLD 30
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC mNBI
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Tensotildees no primaacuterio de um
transformador de 10 MVA345kV
devido a manobra de abertura de
disjuntor no instante t = 165 ms
Up = 304 kV (fase A) 1667 MHz
sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t)
factors
offsets
1
000E+00
v TRAFOA
-1
000E+00
mNBI
1
000E+00
2410 2415 2420 2425 2430 2435 2440 2445 2450[ms]
-200
-100
0
100
200
300
103
Zoom da Figura ao lado mostrando a
tensatildeo (fase A) no primaacuterio do
transformador TR-16 de 10 MVA
devido a manobra de abertura do
disjuntor do cubiacuteculo H13 no instante t
= 165 ms Up = 304 kV (fase A)
1667 MHz sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 31
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC mRD
160 175 190 205 220 235 250[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Detalhe da tensatildeo de repique(restrike)
entre os contatos dos polos do disjuntor o
Cub 5 devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms
ldquoRDrdquo refere-se a recuperaccedilatildeo do
dieleacutetrico durante a abertura do disjuntor
(36 Vμs) sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cZA -YA
236 238 240 242 244 246[ms]-1200
-800
-400
0
400
800
1200
[A]
Detalhe da corrente entre os
contatos do polo A do disjuntor do
Cub5 devido a manobra de
abertura do disjuntor no instante t =
165 ms sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 32
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
[kV]
Tensotildees no primaacuterio do transformador
de 10 MVA devido a manobra de
abertura do disjuntor do Cubiacuteculo 5 no
instante t = 165 ms Up = 482 kV
(fase B) com snubbers
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-30
-8
14
36
58
80
[kV]
Detalhe da tensatildeo entre os contatos
dos polos do disjuntor do Cub5
devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms com
snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 33
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cTRAFOA-RESA cTRAFOB-RESB
cTRAFOC-RESC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]0
15
30
45
60
75
90
[A]
Energia absorvida pelos resistores dos snubbers
Fase A = 812 J
Fase B = 257 J
Fase C = 184 J
Com snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 34
9 - ESPECIFICACcedilAtildeO
Tipo MOV
Modelo POLIM-D-36-11 ou Equivalente
Fabricante ABB SIEMENS ALSTOM TOSHIBA
Uc 36 kV
Un 45 kV
High Impulse Current 100 kA (410ms)
Nominal Discharge Current 10 kA (820ms)
Energia 36 kJkV(Uc)
Tipo Surto
Capacitacircncia Nominal 02 mF
Tensatildeo Nominal 345 kV
Frequecircncia Nominal 60 Hz
NBI 200 kV
Norma IEC 60871-12005
Sugestatildeo de Fabricantes ABB IneparIESA LAELC Alstom Nokian
Resistecircncia = 33 Ohms
Un= 345 kV
Potecircncia (Continuous) = gt 370 W
Energia = gt 60 kJ
NBI (BIL) = 200 kV
Tipo Resistor ceracircmico tubular natildeo indutivo
Sugestatildeo de Fabricantes KanthalOhmicEletele
Especificaccedilatildeo do Snubber
Paacutera-Raios
Capacitor de Surto
Resistor
SLD 35
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
a) Componentes
Devem ser de fabricantes
reconhecidos no mercado
b) Montagem
Os componentes devem ser
montados o mais proacuteximo
possiacutevel um do outro para
evitar indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
Preferecircncia para cordoalhas e
barras chatas para
interligaccedilatildeo
SLD 36
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
c) Instalaccedilatildeo
O conjunto deve ser instalado
o mais proacuteximo possiacutevel das
buchas de alta para evitar
elevadas indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
SLD 37
[01] IEEE Std C57142TM-2010
ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence and Mitigation of Switching Transients
Induced by Transformers Switching Device and System Interactionrdquo
[02] Transformer Failure due to circuit breaker induced switching transients
Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference (IampCPS) 2011
IEEE - David D Shipp Fellow IEEE Thomas J Dionise Senior Member IEEE
Visuth Lorch and Bill G MacFarlane PE Member IEEE
[03] Analysis of Integral Snubber Circuit Design for Transformers in Urban High Rise
Office Building IEEE Transactions on Industry Applications
[04] Medium-Voltage Switching Transient-Induced Potential Transformer Failures
Prediction Measurement and Practical Solutions
IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS VOL 49 NO 4
JULYAUGUST 2013 - Daniel C McDermit David D Shipp Fellow IEEE
Thomas J Dionise Senior Member IEEE and Visuth Lorch
[05] IEEE Std 1100 ndash IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding
Electronic Equipment (Emerald Book)
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 38
[06] IEEE Std 1159 ndash 1995
IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 39
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 40
httpecmwebcomcontentbasics-large-dry-type-transformers
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 21
Considere um transformador de trecircs enrolamentos como o do unifilar seguinte
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se
o seguinte
a) Transformador seco sem carenagem
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2
HVN
uacutecle
oLV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
HV
LV1 LV2
SLD 22
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se o seguinte
b) Transformador seco com carenagem
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2 HV
Nuacutecle
o
LV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
CH-T = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o invoacutelucro
CH-TC
xM
etaacute
lica I
nvoacutelu
cro
Meio isolante = Ar
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 23
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se o seguinte
c) Transformador a oacuteleo
LV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
CH-T = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o tanque (invoacutelucro)
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2 HV
Nuacutecle
o CH-TC
xM
etaacute
lica I
nvoacutelu
cro
Meio isolante = Oacuteleo
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 24
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 25
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 26
5 - O FENOcircMENO
O FENOcircMENO
Durante o processo de interrupccedilatildeo de corrente (processo eletromagneacutetico) natildeo
se consegue variar a corrente instantaneamente em um indutor (V = L didt) pois
teria que ter uma tensatildeo infinita o que eacute impossiacutevel fisicamente Entretanto esta
tensatildeo se eleva rapidamente e carrega entatildeo as capacitacircncias com uma energia
igual a
Ou seja a energia que estava armazenada nas indutacircncias iraacute ser transferida para
as capacitacircncias ou seja como C eacute constante o aumento da energia implica no
aumento da tensatildeo
Apoacutes a interrupccedilatildeo o capacitor iraacute tentar um novo estado de equiliacutebrio no sistema e
comeccedila entatildeo a trocar energias com as indutacircncias (do novo sistema devido agrave
nova configuraccedilatildeo) no caso a bobina do transformador
Devido agraves elevadas magnitudes e valores de dVdt do processo acima
mencionado os isolamentos natildeo suportam o ldquostressrdquo danificando-se
119864119862 =1
2times 119862 times 1198812
SLD 27
O FENOcircMENO
Como descrito nas normas e literaturas pertinentes o BIL eacute um ensaio destrutivo
para impulso atmosfeacuterico que o transformador somente deveraacute suportar poucas
vezes em sua vida uacutetil
Os chaveamentos dos disjuntores inuacutemeras vezes na vida uacutetil e mesmo natildeo se
atingindo o valor do BIL devido agraves elevadas magnitudes e dVdt vai-se
envelhecendo a isolaccedilatildeo ateacute que em determinado momento a mesma poderaacute
falhar
Na praacutetica este processo eacute ateacute um pouco mais complexo pois este fenocircmeno pode
ocorrer na energizaccedilatildeo no desligamento ou devido aos re-strikes (reacendimento
do arco quando a tensatildeo de TRV-Transient Recovery Voltage ultrapassa o limite
dieleacutetrico suportaacutevel pelo meio de extinccedilatildeo do disjuntor durante a abertura) Outro
fato que corrobora para agravar o problema eacute a interrupccedilatildeo de corrente antes da
mesma atingir o zero (chop current)
A interrupccedilatildeo da corrente provoca o aumento do moacutedulo da tensatildeo na carga e o re-
strike provoca um aumento do dVdt do lado carga ou seja da frequecircncia
5 - O FENOcircMENO
SLD 28
6 - MITIGACcedilAtildeO
MITIGACcedilAtildeO
Para a mitigaccedilatildeo utilizam-se paacutera-raios e snubbers como mostrado na figura
seguinte
SLD 29
7 - MODELAGEM
MODELAGEM
a) Modelagem do sistema
Para a modelagem do sistema eacute utilizado um programa de Transitoacuterios
Eletromagneacuteticos (p ex ATP EMTP-RV etc)
b) Modelagem dos componentes do Sistema
Cabos e Linhas
Transformadores
Disjuntores
Concessionaacuteria
Paacutera-raios
Resistores de Aterramento
Capacitores
Filtros
Carga
SLD 30
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC mNBI
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Tensotildees no primaacuterio de um
transformador de 10 MVA345kV
devido a manobra de abertura de
disjuntor no instante t = 165 ms
Up = 304 kV (fase A) 1667 MHz
sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t)
factors
offsets
1
000E+00
v TRAFOA
-1
000E+00
mNBI
1
000E+00
2410 2415 2420 2425 2430 2435 2440 2445 2450[ms]
-200
-100
0
100
200
300
103
Zoom da Figura ao lado mostrando a
tensatildeo (fase A) no primaacuterio do
transformador TR-16 de 10 MVA
devido a manobra de abertura do
disjuntor do cubiacuteculo H13 no instante t
= 165 ms Up = 304 kV (fase A)
1667 MHz sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 31
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC mRD
160 175 190 205 220 235 250[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Detalhe da tensatildeo de repique(restrike)
entre os contatos dos polos do disjuntor o
Cub 5 devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms
ldquoRDrdquo refere-se a recuperaccedilatildeo do
dieleacutetrico durante a abertura do disjuntor
(36 Vμs) sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cZA -YA
236 238 240 242 244 246[ms]-1200
-800
-400
0
400
800
1200
[A]
Detalhe da corrente entre os
contatos do polo A do disjuntor do
Cub5 devido a manobra de
abertura do disjuntor no instante t =
165 ms sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 32
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
[kV]
Tensotildees no primaacuterio do transformador
de 10 MVA devido a manobra de
abertura do disjuntor do Cubiacuteculo 5 no
instante t = 165 ms Up = 482 kV
(fase B) com snubbers
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-30
-8
14
36
58
80
[kV]
Detalhe da tensatildeo entre os contatos
dos polos do disjuntor do Cub5
devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms com
snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 33
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cTRAFOA-RESA cTRAFOB-RESB
cTRAFOC-RESC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]0
15
30
45
60
75
90
[A]
Energia absorvida pelos resistores dos snubbers
Fase A = 812 J
Fase B = 257 J
Fase C = 184 J
Com snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 34
9 - ESPECIFICACcedilAtildeO
Tipo MOV
Modelo POLIM-D-36-11 ou Equivalente
Fabricante ABB SIEMENS ALSTOM TOSHIBA
Uc 36 kV
Un 45 kV
High Impulse Current 100 kA (410ms)
Nominal Discharge Current 10 kA (820ms)
Energia 36 kJkV(Uc)
Tipo Surto
Capacitacircncia Nominal 02 mF
Tensatildeo Nominal 345 kV
Frequecircncia Nominal 60 Hz
NBI 200 kV
Norma IEC 60871-12005
Sugestatildeo de Fabricantes ABB IneparIESA LAELC Alstom Nokian
Resistecircncia = 33 Ohms
Un= 345 kV
Potecircncia (Continuous) = gt 370 W
Energia = gt 60 kJ
NBI (BIL) = 200 kV
Tipo Resistor ceracircmico tubular natildeo indutivo
Sugestatildeo de Fabricantes KanthalOhmicEletele
Especificaccedilatildeo do Snubber
Paacutera-Raios
Capacitor de Surto
Resistor
SLD 35
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
a) Componentes
Devem ser de fabricantes
reconhecidos no mercado
b) Montagem
Os componentes devem ser
montados o mais proacuteximo
possiacutevel um do outro para
evitar indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
Preferecircncia para cordoalhas e
barras chatas para
interligaccedilatildeo
SLD 36
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
c) Instalaccedilatildeo
O conjunto deve ser instalado
o mais proacuteximo possiacutevel das
buchas de alta para evitar
elevadas indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
SLD 37
[01] IEEE Std C57142TM-2010
ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence and Mitigation of Switching Transients
Induced by Transformers Switching Device and System Interactionrdquo
[02] Transformer Failure due to circuit breaker induced switching transients
Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference (IampCPS) 2011
IEEE - David D Shipp Fellow IEEE Thomas J Dionise Senior Member IEEE
Visuth Lorch and Bill G MacFarlane PE Member IEEE
[03] Analysis of Integral Snubber Circuit Design for Transformers in Urban High Rise
Office Building IEEE Transactions on Industry Applications
[04] Medium-Voltage Switching Transient-Induced Potential Transformer Failures
Prediction Measurement and Practical Solutions
IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS VOL 49 NO 4
JULYAUGUST 2013 - Daniel C McDermit David D Shipp Fellow IEEE
Thomas J Dionise Senior Member IEEE and Visuth Lorch
[05] IEEE Std 1100 ndash IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding
Electronic Equipment (Emerald Book)
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 38
[06] IEEE Std 1159 ndash 1995
IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 39
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 40
httpecmwebcomcontentbasics-large-dry-type-transformers
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 22
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se o seguinte
b) Transformador seco com carenagem
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2 HV
Nuacutecle
o
LV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
CH-T = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o invoacutelucro
CH-TC
xM
etaacute
lica I
nvoacutelu
cro
Meio isolante = Ar
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 23
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se o seguinte
c) Transformador a oacuteleo
LV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
CH-T = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o tanque (invoacutelucro)
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2 HV
Nuacutecle
o CH-TC
xM
etaacute
lica I
nvoacutelu
cro
Meio isolante = Oacuteleo
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 24
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 25
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 26
5 - O FENOcircMENO
O FENOcircMENO
Durante o processo de interrupccedilatildeo de corrente (processo eletromagneacutetico) natildeo
se consegue variar a corrente instantaneamente em um indutor (V = L didt) pois
teria que ter uma tensatildeo infinita o que eacute impossiacutevel fisicamente Entretanto esta
tensatildeo se eleva rapidamente e carrega entatildeo as capacitacircncias com uma energia
igual a
Ou seja a energia que estava armazenada nas indutacircncias iraacute ser transferida para
as capacitacircncias ou seja como C eacute constante o aumento da energia implica no
aumento da tensatildeo
Apoacutes a interrupccedilatildeo o capacitor iraacute tentar um novo estado de equiliacutebrio no sistema e
comeccedila entatildeo a trocar energias com as indutacircncias (do novo sistema devido agrave
nova configuraccedilatildeo) no caso a bobina do transformador
Devido agraves elevadas magnitudes e valores de dVdt do processo acima
mencionado os isolamentos natildeo suportam o ldquostressrdquo danificando-se
119864119862 =1
2times 119862 times 1198812
SLD 27
O FENOcircMENO
Como descrito nas normas e literaturas pertinentes o BIL eacute um ensaio destrutivo
para impulso atmosfeacuterico que o transformador somente deveraacute suportar poucas
vezes em sua vida uacutetil
Os chaveamentos dos disjuntores inuacutemeras vezes na vida uacutetil e mesmo natildeo se
atingindo o valor do BIL devido agraves elevadas magnitudes e dVdt vai-se
envelhecendo a isolaccedilatildeo ateacute que em determinado momento a mesma poderaacute
falhar
Na praacutetica este processo eacute ateacute um pouco mais complexo pois este fenocircmeno pode
ocorrer na energizaccedilatildeo no desligamento ou devido aos re-strikes (reacendimento
do arco quando a tensatildeo de TRV-Transient Recovery Voltage ultrapassa o limite
dieleacutetrico suportaacutevel pelo meio de extinccedilatildeo do disjuntor durante a abertura) Outro
fato que corrobora para agravar o problema eacute a interrupccedilatildeo de corrente antes da
mesma atingir o zero (chop current)
A interrupccedilatildeo da corrente provoca o aumento do moacutedulo da tensatildeo na carga e o re-
strike provoca um aumento do dVdt do lado carga ou seja da frequecircncia
5 - O FENOcircMENO
SLD 28
6 - MITIGACcedilAtildeO
MITIGACcedilAtildeO
Para a mitigaccedilatildeo utilizam-se paacutera-raios e snubbers como mostrado na figura
seguinte
SLD 29
7 - MODELAGEM
MODELAGEM
a) Modelagem do sistema
Para a modelagem do sistema eacute utilizado um programa de Transitoacuterios
Eletromagneacuteticos (p ex ATP EMTP-RV etc)
b) Modelagem dos componentes do Sistema
Cabos e Linhas
Transformadores
Disjuntores
Concessionaacuteria
Paacutera-raios
Resistores de Aterramento
Capacitores
Filtros
Carga
SLD 30
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC mNBI
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Tensotildees no primaacuterio de um
transformador de 10 MVA345kV
devido a manobra de abertura de
disjuntor no instante t = 165 ms
Up = 304 kV (fase A) 1667 MHz
sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t)
factors
offsets
1
000E+00
v TRAFOA
-1
000E+00
mNBI
1
000E+00
2410 2415 2420 2425 2430 2435 2440 2445 2450[ms]
-200
-100
0
100
200
300
103
Zoom da Figura ao lado mostrando a
tensatildeo (fase A) no primaacuterio do
transformador TR-16 de 10 MVA
devido a manobra de abertura do
disjuntor do cubiacuteculo H13 no instante t
= 165 ms Up = 304 kV (fase A)
1667 MHz sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 31
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC mRD
160 175 190 205 220 235 250[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Detalhe da tensatildeo de repique(restrike)
entre os contatos dos polos do disjuntor o
Cub 5 devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms
ldquoRDrdquo refere-se a recuperaccedilatildeo do
dieleacutetrico durante a abertura do disjuntor
(36 Vμs) sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cZA -YA
236 238 240 242 244 246[ms]-1200
-800
-400
0
400
800
1200
[A]
Detalhe da corrente entre os
contatos do polo A do disjuntor do
Cub5 devido a manobra de
abertura do disjuntor no instante t =
165 ms sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 32
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
[kV]
Tensotildees no primaacuterio do transformador
de 10 MVA devido a manobra de
abertura do disjuntor do Cubiacuteculo 5 no
instante t = 165 ms Up = 482 kV
(fase B) com snubbers
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-30
-8
14
36
58
80
[kV]
Detalhe da tensatildeo entre os contatos
dos polos do disjuntor do Cub5
devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms com
snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 33
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cTRAFOA-RESA cTRAFOB-RESB
cTRAFOC-RESC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]0
15
30
45
60
75
90
[A]
Energia absorvida pelos resistores dos snubbers
Fase A = 812 J
Fase B = 257 J
Fase C = 184 J
Com snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 34
9 - ESPECIFICACcedilAtildeO
Tipo MOV
Modelo POLIM-D-36-11 ou Equivalente
Fabricante ABB SIEMENS ALSTOM TOSHIBA
Uc 36 kV
Un 45 kV
High Impulse Current 100 kA (410ms)
Nominal Discharge Current 10 kA (820ms)
Energia 36 kJkV(Uc)
Tipo Surto
Capacitacircncia Nominal 02 mF
Tensatildeo Nominal 345 kV
Frequecircncia Nominal 60 Hz
NBI 200 kV
Norma IEC 60871-12005
Sugestatildeo de Fabricantes ABB IneparIESA LAELC Alstom Nokian
Resistecircncia = 33 Ohms
Un= 345 kV
Potecircncia (Continuous) = gt 370 W
Energia = gt 60 kJ
NBI (BIL) = 200 kV
Tipo Resistor ceracircmico tubular natildeo indutivo
Sugestatildeo de Fabricantes KanthalOhmicEletele
Especificaccedilatildeo do Snubber
Paacutera-Raios
Capacitor de Surto
Resistor
SLD 35
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
a) Componentes
Devem ser de fabricantes
reconhecidos no mercado
b) Montagem
Os componentes devem ser
montados o mais proacuteximo
possiacutevel um do outro para
evitar indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
Preferecircncia para cordoalhas e
barras chatas para
interligaccedilatildeo
SLD 36
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
c) Instalaccedilatildeo
O conjunto deve ser instalado
o mais proacuteximo possiacutevel das
buchas de alta para evitar
elevadas indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
SLD 37
[01] IEEE Std C57142TM-2010
ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence and Mitigation of Switching Transients
Induced by Transformers Switching Device and System Interactionrdquo
[02] Transformer Failure due to circuit breaker induced switching transients
Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference (IampCPS) 2011
IEEE - David D Shipp Fellow IEEE Thomas J Dionise Senior Member IEEE
Visuth Lorch and Bill G MacFarlane PE Member IEEE
[03] Analysis of Integral Snubber Circuit Design for Transformers in Urban High Rise
Office Building IEEE Transactions on Industry Applications
[04] Medium-Voltage Switching Transient-Induced Potential Transformer Failures
Prediction Measurement and Practical Solutions
IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS VOL 49 NO 4
JULYAUGUST 2013 - Daniel C McDermit David D Shipp Fellow IEEE
Thomas J Dionise Senior Member IEEE and Visuth Lorch
[05] IEEE Std 1100 ndash IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding
Electronic Equipment (Emerald Book)
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 38
[06] IEEE Std 1159 ndash 1995
IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 39
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 40
httpecmwebcomcontentbasics-large-dry-type-transformers
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 23
Do ponto de vista de capacitacircncias tem-se o seguinte
c) Transformador a oacuteleo
LV1 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 1
LV2 ndash Enrolamento de baixa tensatildeo 2
HV ndash Enrolamento de alta tensatildeo
CL1-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 1 para terra
CL2-G = Capacitacircncia do enrolamento de
baixa tensatildeo 2 para terra
CH-L1 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 1
CH-L2 = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o de baixa tensatildeo 2
CH-T = Capacitacircncia do enrolamento de
alta para o tanque (invoacutelucro)
CL1-G CH-L1
CL2-G CH-L2
LV1
LV2 HV
Nuacutecle
o CH-TC
xM
etaacute
lica I
nvoacutelu
cro
Meio isolante = Oacuteleo
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 24
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 25
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 26
5 - O FENOcircMENO
O FENOcircMENO
Durante o processo de interrupccedilatildeo de corrente (processo eletromagneacutetico) natildeo
se consegue variar a corrente instantaneamente em um indutor (V = L didt) pois
teria que ter uma tensatildeo infinita o que eacute impossiacutevel fisicamente Entretanto esta
tensatildeo se eleva rapidamente e carrega entatildeo as capacitacircncias com uma energia
igual a
Ou seja a energia que estava armazenada nas indutacircncias iraacute ser transferida para
as capacitacircncias ou seja como C eacute constante o aumento da energia implica no
aumento da tensatildeo
Apoacutes a interrupccedilatildeo o capacitor iraacute tentar um novo estado de equiliacutebrio no sistema e
comeccedila entatildeo a trocar energias com as indutacircncias (do novo sistema devido agrave
nova configuraccedilatildeo) no caso a bobina do transformador
Devido agraves elevadas magnitudes e valores de dVdt do processo acima
mencionado os isolamentos natildeo suportam o ldquostressrdquo danificando-se
119864119862 =1
2times 119862 times 1198812
SLD 27
O FENOcircMENO
Como descrito nas normas e literaturas pertinentes o BIL eacute um ensaio destrutivo
para impulso atmosfeacuterico que o transformador somente deveraacute suportar poucas
vezes em sua vida uacutetil
Os chaveamentos dos disjuntores inuacutemeras vezes na vida uacutetil e mesmo natildeo se
atingindo o valor do BIL devido agraves elevadas magnitudes e dVdt vai-se
envelhecendo a isolaccedilatildeo ateacute que em determinado momento a mesma poderaacute
falhar
Na praacutetica este processo eacute ateacute um pouco mais complexo pois este fenocircmeno pode
ocorrer na energizaccedilatildeo no desligamento ou devido aos re-strikes (reacendimento
do arco quando a tensatildeo de TRV-Transient Recovery Voltage ultrapassa o limite
dieleacutetrico suportaacutevel pelo meio de extinccedilatildeo do disjuntor durante a abertura) Outro
fato que corrobora para agravar o problema eacute a interrupccedilatildeo de corrente antes da
mesma atingir o zero (chop current)
A interrupccedilatildeo da corrente provoca o aumento do moacutedulo da tensatildeo na carga e o re-
strike provoca um aumento do dVdt do lado carga ou seja da frequecircncia
5 - O FENOcircMENO
SLD 28
6 - MITIGACcedilAtildeO
MITIGACcedilAtildeO
Para a mitigaccedilatildeo utilizam-se paacutera-raios e snubbers como mostrado na figura
seguinte
SLD 29
7 - MODELAGEM
MODELAGEM
a) Modelagem do sistema
Para a modelagem do sistema eacute utilizado um programa de Transitoacuterios
Eletromagneacuteticos (p ex ATP EMTP-RV etc)
b) Modelagem dos componentes do Sistema
Cabos e Linhas
Transformadores
Disjuntores
Concessionaacuteria
Paacutera-raios
Resistores de Aterramento
Capacitores
Filtros
Carga
SLD 30
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC mNBI
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Tensotildees no primaacuterio de um
transformador de 10 MVA345kV
devido a manobra de abertura de
disjuntor no instante t = 165 ms
Up = 304 kV (fase A) 1667 MHz
sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t)
factors
offsets
1
000E+00
v TRAFOA
-1
000E+00
mNBI
1
000E+00
2410 2415 2420 2425 2430 2435 2440 2445 2450[ms]
-200
-100
0
100
200
300
103
Zoom da Figura ao lado mostrando a
tensatildeo (fase A) no primaacuterio do
transformador TR-16 de 10 MVA
devido a manobra de abertura do
disjuntor do cubiacuteculo H13 no instante t
= 165 ms Up = 304 kV (fase A)
1667 MHz sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 31
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC mRD
160 175 190 205 220 235 250[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Detalhe da tensatildeo de repique(restrike)
entre os contatos dos polos do disjuntor o
Cub 5 devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms
ldquoRDrdquo refere-se a recuperaccedilatildeo do
dieleacutetrico durante a abertura do disjuntor
(36 Vμs) sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cZA -YA
236 238 240 242 244 246[ms]-1200
-800
-400
0
400
800
1200
[A]
Detalhe da corrente entre os
contatos do polo A do disjuntor do
Cub5 devido a manobra de
abertura do disjuntor no instante t =
165 ms sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 32
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
[kV]
Tensotildees no primaacuterio do transformador
de 10 MVA devido a manobra de
abertura do disjuntor do Cubiacuteculo 5 no
instante t = 165 ms Up = 482 kV
(fase B) com snubbers
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-30
-8
14
36
58
80
[kV]
Detalhe da tensatildeo entre os contatos
dos polos do disjuntor do Cub5
devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms com
snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 33
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cTRAFOA-RESA cTRAFOB-RESB
cTRAFOC-RESC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]0
15
30
45
60
75
90
[A]
Energia absorvida pelos resistores dos snubbers
Fase A = 812 J
Fase B = 257 J
Fase C = 184 J
Com snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 34
9 - ESPECIFICACcedilAtildeO
Tipo MOV
Modelo POLIM-D-36-11 ou Equivalente
Fabricante ABB SIEMENS ALSTOM TOSHIBA
Uc 36 kV
Un 45 kV
High Impulse Current 100 kA (410ms)
Nominal Discharge Current 10 kA (820ms)
Energia 36 kJkV(Uc)
Tipo Surto
Capacitacircncia Nominal 02 mF
Tensatildeo Nominal 345 kV
Frequecircncia Nominal 60 Hz
NBI 200 kV
Norma IEC 60871-12005
Sugestatildeo de Fabricantes ABB IneparIESA LAELC Alstom Nokian
Resistecircncia = 33 Ohms
Un= 345 kV
Potecircncia (Continuous) = gt 370 W
Energia = gt 60 kJ
NBI (BIL) = 200 kV
Tipo Resistor ceracircmico tubular natildeo indutivo
Sugestatildeo de Fabricantes KanthalOhmicEletele
Especificaccedilatildeo do Snubber
Paacutera-Raios
Capacitor de Surto
Resistor
SLD 35
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
a) Componentes
Devem ser de fabricantes
reconhecidos no mercado
b) Montagem
Os componentes devem ser
montados o mais proacuteximo
possiacutevel um do outro para
evitar indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
Preferecircncia para cordoalhas e
barras chatas para
interligaccedilatildeo
SLD 36
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
c) Instalaccedilatildeo
O conjunto deve ser instalado
o mais proacuteximo possiacutevel das
buchas de alta para evitar
elevadas indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
SLD 37
[01] IEEE Std C57142TM-2010
ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence and Mitigation of Switching Transients
Induced by Transformers Switching Device and System Interactionrdquo
[02] Transformer Failure due to circuit breaker induced switching transients
Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference (IampCPS) 2011
IEEE - David D Shipp Fellow IEEE Thomas J Dionise Senior Member IEEE
Visuth Lorch and Bill G MacFarlane PE Member IEEE
[03] Analysis of Integral Snubber Circuit Design for Transformers in Urban High Rise
Office Building IEEE Transactions on Industry Applications
[04] Medium-Voltage Switching Transient-Induced Potential Transformer Failures
Prediction Measurement and Practical Solutions
IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS VOL 49 NO 4
JULYAUGUST 2013 - Daniel C McDermit David D Shipp Fellow IEEE
Thomas J Dionise Senior Member IEEE and Visuth Lorch
[05] IEEE Std 1100 ndash IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding
Electronic Equipment (Emerald Book)
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 38
[06] IEEE Std 1159 ndash 1995
IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 39
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 40
httpecmwebcomcontentbasics-large-dry-type-transformers
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 24
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 25
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 26
5 - O FENOcircMENO
O FENOcircMENO
Durante o processo de interrupccedilatildeo de corrente (processo eletromagneacutetico) natildeo
se consegue variar a corrente instantaneamente em um indutor (V = L didt) pois
teria que ter uma tensatildeo infinita o que eacute impossiacutevel fisicamente Entretanto esta
tensatildeo se eleva rapidamente e carrega entatildeo as capacitacircncias com uma energia
igual a
Ou seja a energia que estava armazenada nas indutacircncias iraacute ser transferida para
as capacitacircncias ou seja como C eacute constante o aumento da energia implica no
aumento da tensatildeo
Apoacutes a interrupccedilatildeo o capacitor iraacute tentar um novo estado de equiliacutebrio no sistema e
comeccedila entatildeo a trocar energias com as indutacircncias (do novo sistema devido agrave
nova configuraccedilatildeo) no caso a bobina do transformador
Devido agraves elevadas magnitudes e valores de dVdt do processo acima
mencionado os isolamentos natildeo suportam o ldquostressrdquo danificando-se
119864119862 =1
2times 119862 times 1198812
SLD 27
O FENOcircMENO
Como descrito nas normas e literaturas pertinentes o BIL eacute um ensaio destrutivo
para impulso atmosfeacuterico que o transformador somente deveraacute suportar poucas
vezes em sua vida uacutetil
Os chaveamentos dos disjuntores inuacutemeras vezes na vida uacutetil e mesmo natildeo se
atingindo o valor do BIL devido agraves elevadas magnitudes e dVdt vai-se
envelhecendo a isolaccedilatildeo ateacute que em determinado momento a mesma poderaacute
falhar
Na praacutetica este processo eacute ateacute um pouco mais complexo pois este fenocircmeno pode
ocorrer na energizaccedilatildeo no desligamento ou devido aos re-strikes (reacendimento
do arco quando a tensatildeo de TRV-Transient Recovery Voltage ultrapassa o limite
dieleacutetrico suportaacutevel pelo meio de extinccedilatildeo do disjuntor durante a abertura) Outro
fato que corrobora para agravar o problema eacute a interrupccedilatildeo de corrente antes da
mesma atingir o zero (chop current)
A interrupccedilatildeo da corrente provoca o aumento do moacutedulo da tensatildeo na carga e o re-
strike provoca um aumento do dVdt do lado carga ou seja da frequecircncia
5 - O FENOcircMENO
SLD 28
6 - MITIGACcedilAtildeO
MITIGACcedilAtildeO
Para a mitigaccedilatildeo utilizam-se paacutera-raios e snubbers como mostrado na figura
seguinte
SLD 29
7 - MODELAGEM
MODELAGEM
a) Modelagem do sistema
Para a modelagem do sistema eacute utilizado um programa de Transitoacuterios
Eletromagneacuteticos (p ex ATP EMTP-RV etc)
b) Modelagem dos componentes do Sistema
Cabos e Linhas
Transformadores
Disjuntores
Concessionaacuteria
Paacutera-raios
Resistores de Aterramento
Capacitores
Filtros
Carga
SLD 30
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC mNBI
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Tensotildees no primaacuterio de um
transformador de 10 MVA345kV
devido a manobra de abertura de
disjuntor no instante t = 165 ms
Up = 304 kV (fase A) 1667 MHz
sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t)
factors
offsets
1
000E+00
v TRAFOA
-1
000E+00
mNBI
1
000E+00
2410 2415 2420 2425 2430 2435 2440 2445 2450[ms]
-200
-100
0
100
200
300
103
Zoom da Figura ao lado mostrando a
tensatildeo (fase A) no primaacuterio do
transformador TR-16 de 10 MVA
devido a manobra de abertura do
disjuntor do cubiacuteculo H13 no instante t
= 165 ms Up = 304 kV (fase A)
1667 MHz sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 31
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC mRD
160 175 190 205 220 235 250[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Detalhe da tensatildeo de repique(restrike)
entre os contatos dos polos do disjuntor o
Cub 5 devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms
ldquoRDrdquo refere-se a recuperaccedilatildeo do
dieleacutetrico durante a abertura do disjuntor
(36 Vμs) sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cZA -YA
236 238 240 242 244 246[ms]-1200
-800
-400
0
400
800
1200
[A]
Detalhe da corrente entre os
contatos do polo A do disjuntor do
Cub5 devido a manobra de
abertura do disjuntor no instante t =
165 ms sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 32
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
[kV]
Tensotildees no primaacuterio do transformador
de 10 MVA devido a manobra de
abertura do disjuntor do Cubiacuteculo 5 no
instante t = 165 ms Up = 482 kV
(fase B) com snubbers
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-30
-8
14
36
58
80
[kV]
Detalhe da tensatildeo entre os contatos
dos polos do disjuntor do Cub5
devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms com
snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 33
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cTRAFOA-RESA cTRAFOB-RESB
cTRAFOC-RESC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]0
15
30
45
60
75
90
[A]
Energia absorvida pelos resistores dos snubbers
Fase A = 812 J
Fase B = 257 J
Fase C = 184 J
Com snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 34
9 - ESPECIFICACcedilAtildeO
Tipo MOV
Modelo POLIM-D-36-11 ou Equivalente
Fabricante ABB SIEMENS ALSTOM TOSHIBA
Uc 36 kV
Un 45 kV
High Impulse Current 100 kA (410ms)
Nominal Discharge Current 10 kA (820ms)
Energia 36 kJkV(Uc)
Tipo Surto
Capacitacircncia Nominal 02 mF
Tensatildeo Nominal 345 kV
Frequecircncia Nominal 60 Hz
NBI 200 kV
Norma IEC 60871-12005
Sugestatildeo de Fabricantes ABB IneparIESA LAELC Alstom Nokian
Resistecircncia = 33 Ohms
Un= 345 kV
Potecircncia (Continuous) = gt 370 W
Energia = gt 60 kJ
NBI (BIL) = 200 kV
Tipo Resistor ceracircmico tubular natildeo indutivo
Sugestatildeo de Fabricantes KanthalOhmicEletele
Especificaccedilatildeo do Snubber
Paacutera-Raios
Capacitor de Surto
Resistor
SLD 35
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
a) Componentes
Devem ser de fabricantes
reconhecidos no mercado
b) Montagem
Os componentes devem ser
montados o mais proacuteximo
possiacutevel um do outro para
evitar indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
Preferecircncia para cordoalhas e
barras chatas para
interligaccedilatildeo
SLD 36
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
c) Instalaccedilatildeo
O conjunto deve ser instalado
o mais proacuteximo possiacutevel das
buchas de alta para evitar
elevadas indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
SLD 37
[01] IEEE Std C57142TM-2010
ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence and Mitigation of Switching Transients
Induced by Transformers Switching Device and System Interactionrdquo
[02] Transformer Failure due to circuit breaker induced switching transients
Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference (IampCPS) 2011
IEEE - David D Shipp Fellow IEEE Thomas J Dionise Senior Member IEEE
Visuth Lorch and Bill G MacFarlane PE Member IEEE
[03] Analysis of Integral Snubber Circuit Design for Transformers in Urban High Rise
Office Building IEEE Transactions on Industry Applications
[04] Medium-Voltage Switching Transient-Induced Potential Transformer Failures
Prediction Measurement and Practical Solutions
IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS VOL 49 NO 4
JULYAUGUST 2013 - Daniel C McDermit David D Shipp Fellow IEEE
Thomas J Dionise Senior Member IEEE and Visuth Lorch
[05] IEEE Std 1100 ndash IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding
Electronic Equipment (Emerald Book)
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 38
[06] IEEE Std 1159 ndash 1995
IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 39
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 40
httpecmwebcomcontentbasics-large-dry-type-transformers
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 25
4 ndash POR QUE OS TRANSFORMADORES SECOS SAtildeO MAIS SUSCEPTIacuteVEIS
SLD 26
5 - O FENOcircMENO
O FENOcircMENO
Durante o processo de interrupccedilatildeo de corrente (processo eletromagneacutetico) natildeo
se consegue variar a corrente instantaneamente em um indutor (V = L didt) pois
teria que ter uma tensatildeo infinita o que eacute impossiacutevel fisicamente Entretanto esta
tensatildeo se eleva rapidamente e carrega entatildeo as capacitacircncias com uma energia
igual a
Ou seja a energia que estava armazenada nas indutacircncias iraacute ser transferida para
as capacitacircncias ou seja como C eacute constante o aumento da energia implica no
aumento da tensatildeo
Apoacutes a interrupccedilatildeo o capacitor iraacute tentar um novo estado de equiliacutebrio no sistema e
comeccedila entatildeo a trocar energias com as indutacircncias (do novo sistema devido agrave
nova configuraccedilatildeo) no caso a bobina do transformador
Devido agraves elevadas magnitudes e valores de dVdt do processo acima
mencionado os isolamentos natildeo suportam o ldquostressrdquo danificando-se
119864119862 =1
2times 119862 times 1198812
SLD 27
O FENOcircMENO
Como descrito nas normas e literaturas pertinentes o BIL eacute um ensaio destrutivo
para impulso atmosfeacuterico que o transformador somente deveraacute suportar poucas
vezes em sua vida uacutetil
Os chaveamentos dos disjuntores inuacutemeras vezes na vida uacutetil e mesmo natildeo se
atingindo o valor do BIL devido agraves elevadas magnitudes e dVdt vai-se
envelhecendo a isolaccedilatildeo ateacute que em determinado momento a mesma poderaacute
falhar
Na praacutetica este processo eacute ateacute um pouco mais complexo pois este fenocircmeno pode
ocorrer na energizaccedilatildeo no desligamento ou devido aos re-strikes (reacendimento
do arco quando a tensatildeo de TRV-Transient Recovery Voltage ultrapassa o limite
dieleacutetrico suportaacutevel pelo meio de extinccedilatildeo do disjuntor durante a abertura) Outro
fato que corrobora para agravar o problema eacute a interrupccedilatildeo de corrente antes da
mesma atingir o zero (chop current)
A interrupccedilatildeo da corrente provoca o aumento do moacutedulo da tensatildeo na carga e o re-
strike provoca um aumento do dVdt do lado carga ou seja da frequecircncia
5 - O FENOcircMENO
SLD 28
6 - MITIGACcedilAtildeO
MITIGACcedilAtildeO
Para a mitigaccedilatildeo utilizam-se paacutera-raios e snubbers como mostrado na figura
seguinte
SLD 29
7 - MODELAGEM
MODELAGEM
a) Modelagem do sistema
Para a modelagem do sistema eacute utilizado um programa de Transitoacuterios
Eletromagneacuteticos (p ex ATP EMTP-RV etc)
b) Modelagem dos componentes do Sistema
Cabos e Linhas
Transformadores
Disjuntores
Concessionaacuteria
Paacutera-raios
Resistores de Aterramento
Capacitores
Filtros
Carga
SLD 30
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC mNBI
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Tensotildees no primaacuterio de um
transformador de 10 MVA345kV
devido a manobra de abertura de
disjuntor no instante t = 165 ms
Up = 304 kV (fase A) 1667 MHz
sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t)
factors
offsets
1
000E+00
v TRAFOA
-1
000E+00
mNBI
1
000E+00
2410 2415 2420 2425 2430 2435 2440 2445 2450[ms]
-200
-100
0
100
200
300
103
Zoom da Figura ao lado mostrando a
tensatildeo (fase A) no primaacuterio do
transformador TR-16 de 10 MVA
devido a manobra de abertura do
disjuntor do cubiacuteculo H13 no instante t
= 165 ms Up = 304 kV (fase A)
1667 MHz sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 31
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC mRD
160 175 190 205 220 235 250[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Detalhe da tensatildeo de repique(restrike)
entre os contatos dos polos do disjuntor o
Cub 5 devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms
ldquoRDrdquo refere-se a recuperaccedilatildeo do
dieleacutetrico durante a abertura do disjuntor
(36 Vμs) sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cZA -YA
236 238 240 242 244 246[ms]-1200
-800
-400
0
400
800
1200
[A]
Detalhe da corrente entre os
contatos do polo A do disjuntor do
Cub5 devido a manobra de
abertura do disjuntor no instante t =
165 ms sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 32
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
[kV]
Tensotildees no primaacuterio do transformador
de 10 MVA devido a manobra de
abertura do disjuntor do Cubiacuteculo 5 no
instante t = 165 ms Up = 482 kV
(fase B) com snubbers
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-30
-8
14
36
58
80
[kV]
Detalhe da tensatildeo entre os contatos
dos polos do disjuntor do Cub5
devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms com
snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 33
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cTRAFOA-RESA cTRAFOB-RESB
cTRAFOC-RESC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]0
15
30
45
60
75
90
[A]
Energia absorvida pelos resistores dos snubbers
Fase A = 812 J
Fase B = 257 J
Fase C = 184 J
Com snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 34
9 - ESPECIFICACcedilAtildeO
Tipo MOV
Modelo POLIM-D-36-11 ou Equivalente
Fabricante ABB SIEMENS ALSTOM TOSHIBA
Uc 36 kV
Un 45 kV
High Impulse Current 100 kA (410ms)
Nominal Discharge Current 10 kA (820ms)
Energia 36 kJkV(Uc)
Tipo Surto
Capacitacircncia Nominal 02 mF
Tensatildeo Nominal 345 kV
Frequecircncia Nominal 60 Hz
NBI 200 kV
Norma IEC 60871-12005
Sugestatildeo de Fabricantes ABB IneparIESA LAELC Alstom Nokian
Resistecircncia = 33 Ohms
Un= 345 kV
Potecircncia (Continuous) = gt 370 W
Energia = gt 60 kJ
NBI (BIL) = 200 kV
Tipo Resistor ceracircmico tubular natildeo indutivo
Sugestatildeo de Fabricantes KanthalOhmicEletele
Especificaccedilatildeo do Snubber
Paacutera-Raios
Capacitor de Surto
Resistor
SLD 35
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
a) Componentes
Devem ser de fabricantes
reconhecidos no mercado
b) Montagem
Os componentes devem ser
montados o mais proacuteximo
possiacutevel um do outro para
evitar indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
Preferecircncia para cordoalhas e
barras chatas para
interligaccedilatildeo
SLD 36
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
c) Instalaccedilatildeo
O conjunto deve ser instalado
o mais proacuteximo possiacutevel das
buchas de alta para evitar
elevadas indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
SLD 37
[01] IEEE Std C57142TM-2010
ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence and Mitigation of Switching Transients
Induced by Transformers Switching Device and System Interactionrdquo
[02] Transformer Failure due to circuit breaker induced switching transients
Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference (IampCPS) 2011
IEEE - David D Shipp Fellow IEEE Thomas J Dionise Senior Member IEEE
Visuth Lorch and Bill G MacFarlane PE Member IEEE
[03] Analysis of Integral Snubber Circuit Design for Transformers in Urban High Rise
Office Building IEEE Transactions on Industry Applications
[04] Medium-Voltage Switching Transient-Induced Potential Transformer Failures
Prediction Measurement and Practical Solutions
IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS VOL 49 NO 4
JULYAUGUST 2013 - Daniel C McDermit David D Shipp Fellow IEEE
Thomas J Dionise Senior Member IEEE and Visuth Lorch
[05] IEEE Std 1100 ndash IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding
Electronic Equipment (Emerald Book)
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 38
[06] IEEE Std 1159 ndash 1995
IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 39
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 40
httpecmwebcomcontentbasics-large-dry-type-transformers
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 26
5 - O FENOcircMENO
O FENOcircMENO
Durante o processo de interrupccedilatildeo de corrente (processo eletromagneacutetico) natildeo
se consegue variar a corrente instantaneamente em um indutor (V = L didt) pois
teria que ter uma tensatildeo infinita o que eacute impossiacutevel fisicamente Entretanto esta
tensatildeo se eleva rapidamente e carrega entatildeo as capacitacircncias com uma energia
igual a
Ou seja a energia que estava armazenada nas indutacircncias iraacute ser transferida para
as capacitacircncias ou seja como C eacute constante o aumento da energia implica no
aumento da tensatildeo
Apoacutes a interrupccedilatildeo o capacitor iraacute tentar um novo estado de equiliacutebrio no sistema e
comeccedila entatildeo a trocar energias com as indutacircncias (do novo sistema devido agrave
nova configuraccedilatildeo) no caso a bobina do transformador
Devido agraves elevadas magnitudes e valores de dVdt do processo acima
mencionado os isolamentos natildeo suportam o ldquostressrdquo danificando-se
119864119862 =1
2times 119862 times 1198812
SLD 27
O FENOcircMENO
Como descrito nas normas e literaturas pertinentes o BIL eacute um ensaio destrutivo
para impulso atmosfeacuterico que o transformador somente deveraacute suportar poucas
vezes em sua vida uacutetil
Os chaveamentos dos disjuntores inuacutemeras vezes na vida uacutetil e mesmo natildeo se
atingindo o valor do BIL devido agraves elevadas magnitudes e dVdt vai-se
envelhecendo a isolaccedilatildeo ateacute que em determinado momento a mesma poderaacute
falhar
Na praacutetica este processo eacute ateacute um pouco mais complexo pois este fenocircmeno pode
ocorrer na energizaccedilatildeo no desligamento ou devido aos re-strikes (reacendimento
do arco quando a tensatildeo de TRV-Transient Recovery Voltage ultrapassa o limite
dieleacutetrico suportaacutevel pelo meio de extinccedilatildeo do disjuntor durante a abertura) Outro
fato que corrobora para agravar o problema eacute a interrupccedilatildeo de corrente antes da
mesma atingir o zero (chop current)
A interrupccedilatildeo da corrente provoca o aumento do moacutedulo da tensatildeo na carga e o re-
strike provoca um aumento do dVdt do lado carga ou seja da frequecircncia
5 - O FENOcircMENO
SLD 28
6 - MITIGACcedilAtildeO
MITIGACcedilAtildeO
Para a mitigaccedilatildeo utilizam-se paacutera-raios e snubbers como mostrado na figura
seguinte
SLD 29
7 - MODELAGEM
MODELAGEM
a) Modelagem do sistema
Para a modelagem do sistema eacute utilizado um programa de Transitoacuterios
Eletromagneacuteticos (p ex ATP EMTP-RV etc)
b) Modelagem dos componentes do Sistema
Cabos e Linhas
Transformadores
Disjuntores
Concessionaacuteria
Paacutera-raios
Resistores de Aterramento
Capacitores
Filtros
Carga
SLD 30
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC mNBI
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Tensotildees no primaacuterio de um
transformador de 10 MVA345kV
devido a manobra de abertura de
disjuntor no instante t = 165 ms
Up = 304 kV (fase A) 1667 MHz
sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t)
factors
offsets
1
000E+00
v TRAFOA
-1
000E+00
mNBI
1
000E+00
2410 2415 2420 2425 2430 2435 2440 2445 2450[ms]
-200
-100
0
100
200
300
103
Zoom da Figura ao lado mostrando a
tensatildeo (fase A) no primaacuterio do
transformador TR-16 de 10 MVA
devido a manobra de abertura do
disjuntor do cubiacuteculo H13 no instante t
= 165 ms Up = 304 kV (fase A)
1667 MHz sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 31
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC mRD
160 175 190 205 220 235 250[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Detalhe da tensatildeo de repique(restrike)
entre os contatos dos polos do disjuntor o
Cub 5 devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms
ldquoRDrdquo refere-se a recuperaccedilatildeo do
dieleacutetrico durante a abertura do disjuntor
(36 Vμs) sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cZA -YA
236 238 240 242 244 246[ms]-1200
-800
-400
0
400
800
1200
[A]
Detalhe da corrente entre os
contatos do polo A do disjuntor do
Cub5 devido a manobra de
abertura do disjuntor no instante t =
165 ms sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 32
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
[kV]
Tensotildees no primaacuterio do transformador
de 10 MVA devido a manobra de
abertura do disjuntor do Cubiacuteculo 5 no
instante t = 165 ms Up = 482 kV
(fase B) com snubbers
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-30
-8
14
36
58
80
[kV]
Detalhe da tensatildeo entre os contatos
dos polos do disjuntor do Cub5
devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms com
snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 33
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cTRAFOA-RESA cTRAFOB-RESB
cTRAFOC-RESC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]0
15
30
45
60
75
90
[A]
Energia absorvida pelos resistores dos snubbers
Fase A = 812 J
Fase B = 257 J
Fase C = 184 J
Com snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 34
9 - ESPECIFICACcedilAtildeO
Tipo MOV
Modelo POLIM-D-36-11 ou Equivalente
Fabricante ABB SIEMENS ALSTOM TOSHIBA
Uc 36 kV
Un 45 kV
High Impulse Current 100 kA (410ms)
Nominal Discharge Current 10 kA (820ms)
Energia 36 kJkV(Uc)
Tipo Surto
Capacitacircncia Nominal 02 mF
Tensatildeo Nominal 345 kV
Frequecircncia Nominal 60 Hz
NBI 200 kV
Norma IEC 60871-12005
Sugestatildeo de Fabricantes ABB IneparIESA LAELC Alstom Nokian
Resistecircncia = 33 Ohms
Un= 345 kV
Potecircncia (Continuous) = gt 370 W
Energia = gt 60 kJ
NBI (BIL) = 200 kV
Tipo Resistor ceracircmico tubular natildeo indutivo
Sugestatildeo de Fabricantes KanthalOhmicEletele
Especificaccedilatildeo do Snubber
Paacutera-Raios
Capacitor de Surto
Resistor
SLD 35
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
a) Componentes
Devem ser de fabricantes
reconhecidos no mercado
b) Montagem
Os componentes devem ser
montados o mais proacuteximo
possiacutevel um do outro para
evitar indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
Preferecircncia para cordoalhas e
barras chatas para
interligaccedilatildeo
SLD 36
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
c) Instalaccedilatildeo
O conjunto deve ser instalado
o mais proacuteximo possiacutevel das
buchas de alta para evitar
elevadas indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
SLD 37
[01] IEEE Std C57142TM-2010
ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence and Mitigation of Switching Transients
Induced by Transformers Switching Device and System Interactionrdquo
[02] Transformer Failure due to circuit breaker induced switching transients
Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference (IampCPS) 2011
IEEE - David D Shipp Fellow IEEE Thomas J Dionise Senior Member IEEE
Visuth Lorch and Bill G MacFarlane PE Member IEEE
[03] Analysis of Integral Snubber Circuit Design for Transformers in Urban High Rise
Office Building IEEE Transactions on Industry Applications
[04] Medium-Voltage Switching Transient-Induced Potential Transformer Failures
Prediction Measurement and Practical Solutions
IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS VOL 49 NO 4
JULYAUGUST 2013 - Daniel C McDermit David D Shipp Fellow IEEE
Thomas J Dionise Senior Member IEEE and Visuth Lorch
[05] IEEE Std 1100 ndash IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding
Electronic Equipment (Emerald Book)
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 38
[06] IEEE Std 1159 ndash 1995
IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 39
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 40
httpecmwebcomcontentbasics-large-dry-type-transformers
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 27
O FENOcircMENO
Como descrito nas normas e literaturas pertinentes o BIL eacute um ensaio destrutivo
para impulso atmosfeacuterico que o transformador somente deveraacute suportar poucas
vezes em sua vida uacutetil
Os chaveamentos dos disjuntores inuacutemeras vezes na vida uacutetil e mesmo natildeo se
atingindo o valor do BIL devido agraves elevadas magnitudes e dVdt vai-se
envelhecendo a isolaccedilatildeo ateacute que em determinado momento a mesma poderaacute
falhar
Na praacutetica este processo eacute ateacute um pouco mais complexo pois este fenocircmeno pode
ocorrer na energizaccedilatildeo no desligamento ou devido aos re-strikes (reacendimento
do arco quando a tensatildeo de TRV-Transient Recovery Voltage ultrapassa o limite
dieleacutetrico suportaacutevel pelo meio de extinccedilatildeo do disjuntor durante a abertura) Outro
fato que corrobora para agravar o problema eacute a interrupccedilatildeo de corrente antes da
mesma atingir o zero (chop current)
A interrupccedilatildeo da corrente provoca o aumento do moacutedulo da tensatildeo na carga e o re-
strike provoca um aumento do dVdt do lado carga ou seja da frequecircncia
5 - O FENOcircMENO
SLD 28
6 - MITIGACcedilAtildeO
MITIGACcedilAtildeO
Para a mitigaccedilatildeo utilizam-se paacutera-raios e snubbers como mostrado na figura
seguinte
SLD 29
7 - MODELAGEM
MODELAGEM
a) Modelagem do sistema
Para a modelagem do sistema eacute utilizado um programa de Transitoacuterios
Eletromagneacuteticos (p ex ATP EMTP-RV etc)
b) Modelagem dos componentes do Sistema
Cabos e Linhas
Transformadores
Disjuntores
Concessionaacuteria
Paacutera-raios
Resistores de Aterramento
Capacitores
Filtros
Carga
SLD 30
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC mNBI
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Tensotildees no primaacuterio de um
transformador de 10 MVA345kV
devido a manobra de abertura de
disjuntor no instante t = 165 ms
Up = 304 kV (fase A) 1667 MHz
sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t)
factors
offsets
1
000E+00
v TRAFOA
-1
000E+00
mNBI
1
000E+00
2410 2415 2420 2425 2430 2435 2440 2445 2450[ms]
-200
-100
0
100
200
300
103
Zoom da Figura ao lado mostrando a
tensatildeo (fase A) no primaacuterio do
transformador TR-16 de 10 MVA
devido a manobra de abertura do
disjuntor do cubiacuteculo H13 no instante t
= 165 ms Up = 304 kV (fase A)
1667 MHz sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 31
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC mRD
160 175 190 205 220 235 250[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Detalhe da tensatildeo de repique(restrike)
entre os contatos dos polos do disjuntor o
Cub 5 devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms
ldquoRDrdquo refere-se a recuperaccedilatildeo do
dieleacutetrico durante a abertura do disjuntor
(36 Vμs) sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cZA -YA
236 238 240 242 244 246[ms]-1200
-800
-400
0
400
800
1200
[A]
Detalhe da corrente entre os
contatos do polo A do disjuntor do
Cub5 devido a manobra de
abertura do disjuntor no instante t =
165 ms sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 32
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
[kV]
Tensotildees no primaacuterio do transformador
de 10 MVA devido a manobra de
abertura do disjuntor do Cubiacuteculo 5 no
instante t = 165 ms Up = 482 kV
(fase B) com snubbers
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-30
-8
14
36
58
80
[kV]
Detalhe da tensatildeo entre os contatos
dos polos do disjuntor do Cub5
devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms com
snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 33
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cTRAFOA-RESA cTRAFOB-RESB
cTRAFOC-RESC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]0
15
30
45
60
75
90
[A]
Energia absorvida pelos resistores dos snubbers
Fase A = 812 J
Fase B = 257 J
Fase C = 184 J
Com snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 34
9 - ESPECIFICACcedilAtildeO
Tipo MOV
Modelo POLIM-D-36-11 ou Equivalente
Fabricante ABB SIEMENS ALSTOM TOSHIBA
Uc 36 kV
Un 45 kV
High Impulse Current 100 kA (410ms)
Nominal Discharge Current 10 kA (820ms)
Energia 36 kJkV(Uc)
Tipo Surto
Capacitacircncia Nominal 02 mF
Tensatildeo Nominal 345 kV
Frequecircncia Nominal 60 Hz
NBI 200 kV
Norma IEC 60871-12005
Sugestatildeo de Fabricantes ABB IneparIESA LAELC Alstom Nokian
Resistecircncia = 33 Ohms
Un= 345 kV
Potecircncia (Continuous) = gt 370 W
Energia = gt 60 kJ
NBI (BIL) = 200 kV
Tipo Resistor ceracircmico tubular natildeo indutivo
Sugestatildeo de Fabricantes KanthalOhmicEletele
Especificaccedilatildeo do Snubber
Paacutera-Raios
Capacitor de Surto
Resistor
SLD 35
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
a) Componentes
Devem ser de fabricantes
reconhecidos no mercado
b) Montagem
Os componentes devem ser
montados o mais proacuteximo
possiacutevel um do outro para
evitar indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
Preferecircncia para cordoalhas e
barras chatas para
interligaccedilatildeo
SLD 36
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
c) Instalaccedilatildeo
O conjunto deve ser instalado
o mais proacuteximo possiacutevel das
buchas de alta para evitar
elevadas indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
SLD 37
[01] IEEE Std C57142TM-2010
ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence and Mitigation of Switching Transients
Induced by Transformers Switching Device and System Interactionrdquo
[02] Transformer Failure due to circuit breaker induced switching transients
Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference (IampCPS) 2011
IEEE - David D Shipp Fellow IEEE Thomas J Dionise Senior Member IEEE
Visuth Lorch and Bill G MacFarlane PE Member IEEE
[03] Analysis of Integral Snubber Circuit Design for Transformers in Urban High Rise
Office Building IEEE Transactions on Industry Applications
[04] Medium-Voltage Switching Transient-Induced Potential Transformer Failures
Prediction Measurement and Practical Solutions
IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS VOL 49 NO 4
JULYAUGUST 2013 - Daniel C McDermit David D Shipp Fellow IEEE
Thomas J Dionise Senior Member IEEE and Visuth Lorch
[05] IEEE Std 1100 ndash IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding
Electronic Equipment (Emerald Book)
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 38
[06] IEEE Std 1159 ndash 1995
IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 39
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 40
httpecmwebcomcontentbasics-large-dry-type-transformers
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 28
6 - MITIGACcedilAtildeO
MITIGACcedilAtildeO
Para a mitigaccedilatildeo utilizam-se paacutera-raios e snubbers como mostrado na figura
seguinte
SLD 29
7 - MODELAGEM
MODELAGEM
a) Modelagem do sistema
Para a modelagem do sistema eacute utilizado um programa de Transitoacuterios
Eletromagneacuteticos (p ex ATP EMTP-RV etc)
b) Modelagem dos componentes do Sistema
Cabos e Linhas
Transformadores
Disjuntores
Concessionaacuteria
Paacutera-raios
Resistores de Aterramento
Capacitores
Filtros
Carga
SLD 30
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC mNBI
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Tensotildees no primaacuterio de um
transformador de 10 MVA345kV
devido a manobra de abertura de
disjuntor no instante t = 165 ms
Up = 304 kV (fase A) 1667 MHz
sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t)
factors
offsets
1
000E+00
v TRAFOA
-1
000E+00
mNBI
1
000E+00
2410 2415 2420 2425 2430 2435 2440 2445 2450[ms]
-200
-100
0
100
200
300
103
Zoom da Figura ao lado mostrando a
tensatildeo (fase A) no primaacuterio do
transformador TR-16 de 10 MVA
devido a manobra de abertura do
disjuntor do cubiacuteculo H13 no instante t
= 165 ms Up = 304 kV (fase A)
1667 MHz sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 31
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC mRD
160 175 190 205 220 235 250[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Detalhe da tensatildeo de repique(restrike)
entre os contatos dos polos do disjuntor o
Cub 5 devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms
ldquoRDrdquo refere-se a recuperaccedilatildeo do
dieleacutetrico durante a abertura do disjuntor
(36 Vμs) sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cZA -YA
236 238 240 242 244 246[ms]-1200
-800
-400
0
400
800
1200
[A]
Detalhe da corrente entre os
contatos do polo A do disjuntor do
Cub5 devido a manobra de
abertura do disjuntor no instante t =
165 ms sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 32
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
[kV]
Tensotildees no primaacuterio do transformador
de 10 MVA devido a manobra de
abertura do disjuntor do Cubiacuteculo 5 no
instante t = 165 ms Up = 482 kV
(fase B) com snubbers
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-30
-8
14
36
58
80
[kV]
Detalhe da tensatildeo entre os contatos
dos polos do disjuntor do Cub5
devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms com
snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 33
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cTRAFOA-RESA cTRAFOB-RESB
cTRAFOC-RESC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]0
15
30
45
60
75
90
[A]
Energia absorvida pelos resistores dos snubbers
Fase A = 812 J
Fase B = 257 J
Fase C = 184 J
Com snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 34
9 - ESPECIFICACcedilAtildeO
Tipo MOV
Modelo POLIM-D-36-11 ou Equivalente
Fabricante ABB SIEMENS ALSTOM TOSHIBA
Uc 36 kV
Un 45 kV
High Impulse Current 100 kA (410ms)
Nominal Discharge Current 10 kA (820ms)
Energia 36 kJkV(Uc)
Tipo Surto
Capacitacircncia Nominal 02 mF
Tensatildeo Nominal 345 kV
Frequecircncia Nominal 60 Hz
NBI 200 kV
Norma IEC 60871-12005
Sugestatildeo de Fabricantes ABB IneparIESA LAELC Alstom Nokian
Resistecircncia = 33 Ohms
Un= 345 kV
Potecircncia (Continuous) = gt 370 W
Energia = gt 60 kJ
NBI (BIL) = 200 kV
Tipo Resistor ceracircmico tubular natildeo indutivo
Sugestatildeo de Fabricantes KanthalOhmicEletele
Especificaccedilatildeo do Snubber
Paacutera-Raios
Capacitor de Surto
Resistor
SLD 35
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
a) Componentes
Devem ser de fabricantes
reconhecidos no mercado
b) Montagem
Os componentes devem ser
montados o mais proacuteximo
possiacutevel um do outro para
evitar indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
Preferecircncia para cordoalhas e
barras chatas para
interligaccedilatildeo
SLD 36
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
c) Instalaccedilatildeo
O conjunto deve ser instalado
o mais proacuteximo possiacutevel das
buchas de alta para evitar
elevadas indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
SLD 37
[01] IEEE Std C57142TM-2010
ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence and Mitigation of Switching Transients
Induced by Transformers Switching Device and System Interactionrdquo
[02] Transformer Failure due to circuit breaker induced switching transients
Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference (IampCPS) 2011
IEEE - David D Shipp Fellow IEEE Thomas J Dionise Senior Member IEEE
Visuth Lorch and Bill G MacFarlane PE Member IEEE
[03] Analysis of Integral Snubber Circuit Design for Transformers in Urban High Rise
Office Building IEEE Transactions on Industry Applications
[04] Medium-Voltage Switching Transient-Induced Potential Transformer Failures
Prediction Measurement and Practical Solutions
IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS VOL 49 NO 4
JULYAUGUST 2013 - Daniel C McDermit David D Shipp Fellow IEEE
Thomas J Dionise Senior Member IEEE and Visuth Lorch
[05] IEEE Std 1100 ndash IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding
Electronic Equipment (Emerald Book)
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 38
[06] IEEE Std 1159 ndash 1995
IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 39
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 40
httpecmwebcomcontentbasics-large-dry-type-transformers
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 29
7 - MODELAGEM
MODELAGEM
a) Modelagem do sistema
Para a modelagem do sistema eacute utilizado um programa de Transitoacuterios
Eletromagneacuteticos (p ex ATP EMTP-RV etc)
b) Modelagem dos componentes do Sistema
Cabos e Linhas
Transformadores
Disjuntores
Concessionaacuteria
Paacutera-raios
Resistores de Aterramento
Capacitores
Filtros
Carga
SLD 30
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC mNBI
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Tensotildees no primaacuterio de um
transformador de 10 MVA345kV
devido a manobra de abertura de
disjuntor no instante t = 165 ms
Up = 304 kV (fase A) 1667 MHz
sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t)
factors
offsets
1
000E+00
v TRAFOA
-1
000E+00
mNBI
1
000E+00
2410 2415 2420 2425 2430 2435 2440 2445 2450[ms]
-200
-100
0
100
200
300
103
Zoom da Figura ao lado mostrando a
tensatildeo (fase A) no primaacuterio do
transformador TR-16 de 10 MVA
devido a manobra de abertura do
disjuntor do cubiacuteculo H13 no instante t
= 165 ms Up = 304 kV (fase A)
1667 MHz sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 31
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC mRD
160 175 190 205 220 235 250[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Detalhe da tensatildeo de repique(restrike)
entre os contatos dos polos do disjuntor o
Cub 5 devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms
ldquoRDrdquo refere-se a recuperaccedilatildeo do
dieleacutetrico durante a abertura do disjuntor
(36 Vμs) sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cZA -YA
236 238 240 242 244 246[ms]-1200
-800
-400
0
400
800
1200
[A]
Detalhe da corrente entre os
contatos do polo A do disjuntor do
Cub5 devido a manobra de
abertura do disjuntor no instante t =
165 ms sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 32
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
[kV]
Tensotildees no primaacuterio do transformador
de 10 MVA devido a manobra de
abertura do disjuntor do Cubiacuteculo 5 no
instante t = 165 ms Up = 482 kV
(fase B) com snubbers
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-30
-8
14
36
58
80
[kV]
Detalhe da tensatildeo entre os contatos
dos polos do disjuntor do Cub5
devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms com
snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 33
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cTRAFOA-RESA cTRAFOB-RESB
cTRAFOC-RESC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]0
15
30
45
60
75
90
[A]
Energia absorvida pelos resistores dos snubbers
Fase A = 812 J
Fase B = 257 J
Fase C = 184 J
Com snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 34
9 - ESPECIFICACcedilAtildeO
Tipo MOV
Modelo POLIM-D-36-11 ou Equivalente
Fabricante ABB SIEMENS ALSTOM TOSHIBA
Uc 36 kV
Un 45 kV
High Impulse Current 100 kA (410ms)
Nominal Discharge Current 10 kA (820ms)
Energia 36 kJkV(Uc)
Tipo Surto
Capacitacircncia Nominal 02 mF
Tensatildeo Nominal 345 kV
Frequecircncia Nominal 60 Hz
NBI 200 kV
Norma IEC 60871-12005
Sugestatildeo de Fabricantes ABB IneparIESA LAELC Alstom Nokian
Resistecircncia = 33 Ohms
Un= 345 kV
Potecircncia (Continuous) = gt 370 W
Energia = gt 60 kJ
NBI (BIL) = 200 kV
Tipo Resistor ceracircmico tubular natildeo indutivo
Sugestatildeo de Fabricantes KanthalOhmicEletele
Especificaccedilatildeo do Snubber
Paacutera-Raios
Capacitor de Surto
Resistor
SLD 35
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
a) Componentes
Devem ser de fabricantes
reconhecidos no mercado
b) Montagem
Os componentes devem ser
montados o mais proacuteximo
possiacutevel um do outro para
evitar indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
Preferecircncia para cordoalhas e
barras chatas para
interligaccedilatildeo
SLD 36
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
c) Instalaccedilatildeo
O conjunto deve ser instalado
o mais proacuteximo possiacutevel das
buchas de alta para evitar
elevadas indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
SLD 37
[01] IEEE Std C57142TM-2010
ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence and Mitigation of Switching Transients
Induced by Transformers Switching Device and System Interactionrdquo
[02] Transformer Failure due to circuit breaker induced switching transients
Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference (IampCPS) 2011
IEEE - David D Shipp Fellow IEEE Thomas J Dionise Senior Member IEEE
Visuth Lorch and Bill G MacFarlane PE Member IEEE
[03] Analysis of Integral Snubber Circuit Design for Transformers in Urban High Rise
Office Building IEEE Transactions on Industry Applications
[04] Medium-Voltage Switching Transient-Induced Potential Transformer Failures
Prediction Measurement and Practical Solutions
IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS VOL 49 NO 4
JULYAUGUST 2013 - Daniel C McDermit David D Shipp Fellow IEEE
Thomas J Dionise Senior Member IEEE and Visuth Lorch
[05] IEEE Std 1100 ndash IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding
Electronic Equipment (Emerald Book)
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 38
[06] IEEE Std 1159 ndash 1995
IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 39
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 40
httpecmwebcomcontentbasics-large-dry-type-transformers
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 30
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC mNBI
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Tensotildees no primaacuterio de um
transformador de 10 MVA345kV
devido a manobra de abertura de
disjuntor no instante t = 165 ms
Up = 304 kV (fase A) 1667 MHz
sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t)
factors
offsets
1
000E+00
v TRAFOA
-1
000E+00
mNBI
1
000E+00
2410 2415 2420 2425 2430 2435 2440 2445 2450[ms]
-200
-100
0
100
200
300
103
Zoom da Figura ao lado mostrando a
tensatildeo (fase A) no primaacuterio do
transformador TR-16 de 10 MVA
devido a manobra de abertura do
disjuntor do cubiacuteculo H13 no instante t
= 165 ms Up = 304 kV (fase A)
1667 MHz sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 31
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC mRD
160 175 190 205 220 235 250[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Detalhe da tensatildeo de repique(restrike)
entre os contatos dos polos do disjuntor o
Cub 5 devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms
ldquoRDrdquo refere-se a recuperaccedilatildeo do
dieleacutetrico durante a abertura do disjuntor
(36 Vμs) sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cZA -YA
236 238 240 242 244 246[ms]-1200
-800
-400
0
400
800
1200
[A]
Detalhe da corrente entre os
contatos do polo A do disjuntor do
Cub5 devido a manobra de
abertura do disjuntor no instante t =
165 ms sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 32
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
[kV]
Tensotildees no primaacuterio do transformador
de 10 MVA devido a manobra de
abertura do disjuntor do Cubiacuteculo 5 no
instante t = 165 ms Up = 482 kV
(fase B) com snubbers
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-30
-8
14
36
58
80
[kV]
Detalhe da tensatildeo entre os contatos
dos polos do disjuntor do Cub5
devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms com
snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 33
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cTRAFOA-RESA cTRAFOB-RESB
cTRAFOC-RESC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]0
15
30
45
60
75
90
[A]
Energia absorvida pelos resistores dos snubbers
Fase A = 812 J
Fase B = 257 J
Fase C = 184 J
Com snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 34
9 - ESPECIFICACcedilAtildeO
Tipo MOV
Modelo POLIM-D-36-11 ou Equivalente
Fabricante ABB SIEMENS ALSTOM TOSHIBA
Uc 36 kV
Un 45 kV
High Impulse Current 100 kA (410ms)
Nominal Discharge Current 10 kA (820ms)
Energia 36 kJkV(Uc)
Tipo Surto
Capacitacircncia Nominal 02 mF
Tensatildeo Nominal 345 kV
Frequecircncia Nominal 60 Hz
NBI 200 kV
Norma IEC 60871-12005
Sugestatildeo de Fabricantes ABB IneparIESA LAELC Alstom Nokian
Resistecircncia = 33 Ohms
Un= 345 kV
Potecircncia (Continuous) = gt 370 W
Energia = gt 60 kJ
NBI (BIL) = 200 kV
Tipo Resistor ceracircmico tubular natildeo indutivo
Sugestatildeo de Fabricantes KanthalOhmicEletele
Especificaccedilatildeo do Snubber
Paacutera-Raios
Capacitor de Surto
Resistor
SLD 35
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
a) Componentes
Devem ser de fabricantes
reconhecidos no mercado
b) Montagem
Os componentes devem ser
montados o mais proacuteximo
possiacutevel um do outro para
evitar indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
Preferecircncia para cordoalhas e
barras chatas para
interligaccedilatildeo
SLD 36
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
c) Instalaccedilatildeo
O conjunto deve ser instalado
o mais proacuteximo possiacutevel das
buchas de alta para evitar
elevadas indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
SLD 37
[01] IEEE Std C57142TM-2010
ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence and Mitigation of Switching Transients
Induced by Transformers Switching Device and System Interactionrdquo
[02] Transformer Failure due to circuit breaker induced switching transients
Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference (IampCPS) 2011
IEEE - David D Shipp Fellow IEEE Thomas J Dionise Senior Member IEEE
Visuth Lorch and Bill G MacFarlane PE Member IEEE
[03] Analysis of Integral Snubber Circuit Design for Transformers in Urban High Rise
Office Building IEEE Transactions on Industry Applications
[04] Medium-Voltage Switching Transient-Induced Potential Transformer Failures
Prediction Measurement and Practical Solutions
IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS VOL 49 NO 4
JULYAUGUST 2013 - Daniel C McDermit David D Shipp Fellow IEEE
Thomas J Dionise Senior Member IEEE and Visuth Lorch
[05] IEEE Std 1100 ndash IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding
Electronic Equipment (Emerald Book)
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 38
[06] IEEE Std 1159 ndash 1995
IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 39
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 40
httpecmwebcomcontentbasics-large-dry-type-transformers
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 31
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC mRD
160 175 190 205 220 235 250[ms]-300
-200
-100
0
100
200
300
103
Detalhe da tensatildeo de repique(restrike)
entre os contatos dos polos do disjuntor o
Cub 5 devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms
ldquoRDrdquo refere-se a recuperaccedilatildeo do
dieleacutetrico durante a abertura do disjuntor
(36 Vμs) sem snubbers
(f ile H13_ABERTURA_SEM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cZA -YA
236 238 240 242 244 246[ms]-1200
-800
-400
0
400
800
1200
[A]
Detalhe da corrente entre os
contatos do polo A do disjuntor do
Cub5 devido a manobra de
abertura do disjuntor no instante t =
165 ms sem snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 32
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
[kV]
Tensotildees no primaacuterio do transformador
de 10 MVA devido a manobra de
abertura do disjuntor do Cubiacuteculo 5 no
instante t = 165 ms Up = 482 kV
(fase B) com snubbers
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-30
-8
14
36
58
80
[kV]
Detalhe da tensatildeo entre os contatos
dos polos do disjuntor do Cub5
devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms com
snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 33
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cTRAFOA-RESA cTRAFOB-RESB
cTRAFOC-RESC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]0
15
30
45
60
75
90
[A]
Energia absorvida pelos resistores dos snubbers
Fase A = 812 J
Fase B = 257 J
Fase C = 184 J
Com snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 34
9 - ESPECIFICACcedilAtildeO
Tipo MOV
Modelo POLIM-D-36-11 ou Equivalente
Fabricante ABB SIEMENS ALSTOM TOSHIBA
Uc 36 kV
Un 45 kV
High Impulse Current 100 kA (410ms)
Nominal Discharge Current 10 kA (820ms)
Energia 36 kJkV(Uc)
Tipo Surto
Capacitacircncia Nominal 02 mF
Tensatildeo Nominal 345 kV
Frequecircncia Nominal 60 Hz
NBI 200 kV
Norma IEC 60871-12005
Sugestatildeo de Fabricantes ABB IneparIESA LAELC Alstom Nokian
Resistecircncia = 33 Ohms
Un= 345 kV
Potecircncia (Continuous) = gt 370 W
Energia = gt 60 kJ
NBI (BIL) = 200 kV
Tipo Resistor ceracircmico tubular natildeo indutivo
Sugestatildeo de Fabricantes KanthalOhmicEletele
Especificaccedilatildeo do Snubber
Paacutera-Raios
Capacitor de Surto
Resistor
SLD 35
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
a) Componentes
Devem ser de fabricantes
reconhecidos no mercado
b) Montagem
Os componentes devem ser
montados o mais proacuteximo
possiacutevel um do outro para
evitar indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
Preferecircncia para cordoalhas e
barras chatas para
interligaccedilatildeo
SLD 36
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
c) Instalaccedilatildeo
O conjunto deve ser instalado
o mais proacuteximo possiacutevel das
buchas de alta para evitar
elevadas indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
SLD 37
[01] IEEE Std C57142TM-2010
ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence and Mitigation of Switching Transients
Induced by Transformers Switching Device and System Interactionrdquo
[02] Transformer Failure due to circuit breaker induced switching transients
Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference (IampCPS) 2011
IEEE - David D Shipp Fellow IEEE Thomas J Dionise Senior Member IEEE
Visuth Lorch and Bill G MacFarlane PE Member IEEE
[03] Analysis of Integral Snubber Circuit Design for Transformers in Urban High Rise
Office Building IEEE Transactions on Industry Applications
[04] Medium-Voltage Switching Transient-Induced Potential Transformer Failures
Prediction Measurement and Practical Solutions
IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS VOL 49 NO 4
JULYAUGUST 2013 - Daniel C McDermit David D Shipp Fellow IEEE
Thomas J Dionise Senior Member IEEE and Visuth Lorch
[05] IEEE Std 1100 ndash IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding
Electronic Equipment (Emerald Book)
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 38
[06] IEEE Std 1159 ndash 1995
IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 39
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 40
httpecmwebcomcontentbasics-large-dry-type-transformers
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 32
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v TRAFOA v TRAFOB v TRAFOC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
[kV]
Tensotildees no primaacuterio do transformador
de 10 MVA devido a manobra de
abertura do disjuntor do Cubiacuteculo 5 no
instante t = 165 ms Up = 482 kV
(fase B) com snubbers
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) v ZA -YA v ZB -YB v ZC -YC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]-30
-8
14
36
58
80
[kV]
Detalhe da tensatildeo entre os contatos
dos polos do disjuntor do Cub5
devido a manobra de abertura do
disjuntor no instante t = 165 ms com
snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 33
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cTRAFOA-RESA cTRAFOB-RESB
cTRAFOC-RESC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]0
15
30
45
60
75
90
[A]
Energia absorvida pelos resistores dos snubbers
Fase A = 812 J
Fase B = 257 J
Fase C = 184 J
Com snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 34
9 - ESPECIFICACcedilAtildeO
Tipo MOV
Modelo POLIM-D-36-11 ou Equivalente
Fabricante ABB SIEMENS ALSTOM TOSHIBA
Uc 36 kV
Un 45 kV
High Impulse Current 100 kA (410ms)
Nominal Discharge Current 10 kA (820ms)
Energia 36 kJkV(Uc)
Tipo Surto
Capacitacircncia Nominal 02 mF
Tensatildeo Nominal 345 kV
Frequecircncia Nominal 60 Hz
NBI 200 kV
Norma IEC 60871-12005
Sugestatildeo de Fabricantes ABB IneparIESA LAELC Alstom Nokian
Resistecircncia = 33 Ohms
Un= 345 kV
Potecircncia (Continuous) = gt 370 W
Energia = gt 60 kJ
NBI (BIL) = 200 kV
Tipo Resistor ceracircmico tubular natildeo indutivo
Sugestatildeo de Fabricantes KanthalOhmicEletele
Especificaccedilatildeo do Snubber
Paacutera-Raios
Capacitor de Surto
Resistor
SLD 35
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
a) Componentes
Devem ser de fabricantes
reconhecidos no mercado
b) Montagem
Os componentes devem ser
montados o mais proacuteximo
possiacutevel um do outro para
evitar indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
Preferecircncia para cordoalhas e
barras chatas para
interligaccedilatildeo
SLD 36
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
c) Instalaccedilatildeo
O conjunto deve ser instalado
o mais proacuteximo possiacutevel das
buchas de alta para evitar
elevadas indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
SLD 37
[01] IEEE Std C57142TM-2010
ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence and Mitigation of Switching Transients
Induced by Transformers Switching Device and System Interactionrdquo
[02] Transformer Failure due to circuit breaker induced switching transients
Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference (IampCPS) 2011
IEEE - David D Shipp Fellow IEEE Thomas J Dionise Senior Member IEEE
Visuth Lorch and Bill G MacFarlane PE Member IEEE
[03] Analysis of Integral Snubber Circuit Design for Transformers in Urban High Rise
Office Building IEEE Transactions on Industry Applications
[04] Medium-Voltage Switching Transient-Induced Potential Transformer Failures
Prediction Measurement and Practical Solutions
IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS VOL 49 NO 4
JULYAUGUST 2013 - Daniel C McDermit David D Shipp Fellow IEEE
Thomas J Dionise Senior Member IEEE and Visuth Lorch
[05] IEEE Std 1100 ndash IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding
Electronic Equipment (Emerald Book)
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 38
[06] IEEE Std 1159 ndash 1995
IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 39
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 40
httpecmwebcomcontentbasics-large-dry-type-transformers
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 33
SIMULACcedilAtildeO
(f ile H13_ABERTURA_COM_SNUBBERSpl4 x-v ar t) cTRAFOA-RESA cTRAFOB-RESB
cTRAFOC-RESC
0 5 10 15 20 25 30 35 40[ms]0
15
30
45
60
75
90
[A]
Energia absorvida pelos resistores dos snubbers
Fase A = 812 J
Fase B = 257 J
Fase C = 184 J
Com snubbers
8 - SIMULACcedilAtildeO
SLD 34
9 - ESPECIFICACcedilAtildeO
Tipo MOV
Modelo POLIM-D-36-11 ou Equivalente
Fabricante ABB SIEMENS ALSTOM TOSHIBA
Uc 36 kV
Un 45 kV
High Impulse Current 100 kA (410ms)
Nominal Discharge Current 10 kA (820ms)
Energia 36 kJkV(Uc)
Tipo Surto
Capacitacircncia Nominal 02 mF
Tensatildeo Nominal 345 kV
Frequecircncia Nominal 60 Hz
NBI 200 kV
Norma IEC 60871-12005
Sugestatildeo de Fabricantes ABB IneparIESA LAELC Alstom Nokian
Resistecircncia = 33 Ohms
Un= 345 kV
Potecircncia (Continuous) = gt 370 W
Energia = gt 60 kJ
NBI (BIL) = 200 kV
Tipo Resistor ceracircmico tubular natildeo indutivo
Sugestatildeo de Fabricantes KanthalOhmicEletele
Especificaccedilatildeo do Snubber
Paacutera-Raios
Capacitor de Surto
Resistor
SLD 35
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
a) Componentes
Devem ser de fabricantes
reconhecidos no mercado
b) Montagem
Os componentes devem ser
montados o mais proacuteximo
possiacutevel um do outro para
evitar indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
Preferecircncia para cordoalhas e
barras chatas para
interligaccedilatildeo
SLD 36
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
c) Instalaccedilatildeo
O conjunto deve ser instalado
o mais proacuteximo possiacutevel das
buchas de alta para evitar
elevadas indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
SLD 37
[01] IEEE Std C57142TM-2010
ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence and Mitigation of Switching Transients
Induced by Transformers Switching Device and System Interactionrdquo
[02] Transformer Failure due to circuit breaker induced switching transients
Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference (IampCPS) 2011
IEEE - David D Shipp Fellow IEEE Thomas J Dionise Senior Member IEEE
Visuth Lorch and Bill G MacFarlane PE Member IEEE
[03] Analysis of Integral Snubber Circuit Design for Transformers in Urban High Rise
Office Building IEEE Transactions on Industry Applications
[04] Medium-Voltage Switching Transient-Induced Potential Transformer Failures
Prediction Measurement and Practical Solutions
IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS VOL 49 NO 4
JULYAUGUST 2013 - Daniel C McDermit David D Shipp Fellow IEEE
Thomas J Dionise Senior Member IEEE and Visuth Lorch
[05] IEEE Std 1100 ndash IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding
Electronic Equipment (Emerald Book)
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 38
[06] IEEE Std 1159 ndash 1995
IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 39
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 40
httpecmwebcomcontentbasics-large-dry-type-transformers
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 34
9 - ESPECIFICACcedilAtildeO
Tipo MOV
Modelo POLIM-D-36-11 ou Equivalente
Fabricante ABB SIEMENS ALSTOM TOSHIBA
Uc 36 kV
Un 45 kV
High Impulse Current 100 kA (410ms)
Nominal Discharge Current 10 kA (820ms)
Energia 36 kJkV(Uc)
Tipo Surto
Capacitacircncia Nominal 02 mF
Tensatildeo Nominal 345 kV
Frequecircncia Nominal 60 Hz
NBI 200 kV
Norma IEC 60871-12005
Sugestatildeo de Fabricantes ABB IneparIESA LAELC Alstom Nokian
Resistecircncia = 33 Ohms
Un= 345 kV
Potecircncia (Continuous) = gt 370 W
Energia = gt 60 kJ
NBI (BIL) = 200 kV
Tipo Resistor ceracircmico tubular natildeo indutivo
Sugestatildeo de Fabricantes KanthalOhmicEletele
Especificaccedilatildeo do Snubber
Paacutera-Raios
Capacitor de Surto
Resistor
SLD 35
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
a) Componentes
Devem ser de fabricantes
reconhecidos no mercado
b) Montagem
Os componentes devem ser
montados o mais proacuteximo
possiacutevel um do outro para
evitar indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
Preferecircncia para cordoalhas e
barras chatas para
interligaccedilatildeo
SLD 36
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
c) Instalaccedilatildeo
O conjunto deve ser instalado
o mais proacuteximo possiacutevel das
buchas de alta para evitar
elevadas indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
SLD 37
[01] IEEE Std C57142TM-2010
ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence and Mitigation of Switching Transients
Induced by Transformers Switching Device and System Interactionrdquo
[02] Transformer Failure due to circuit breaker induced switching transients
Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference (IampCPS) 2011
IEEE - David D Shipp Fellow IEEE Thomas J Dionise Senior Member IEEE
Visuth Lorch and Bill G MacFarlane PE Member IEEE
[03] Analysis of Integral Snubber Circuit Design for Transformers in Urban High Rise
Office Building IEEE Transactions on Industry Applications
[04] Medium-Voltage Switching Transient-Induced Potential Transformer Failures
Prediction Measurement and Practical Solutions
IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS VOL 49 NO 4
JULYAUGUST 2013 - Daniel C McDermit David D Shipp Fellow IEEE
Thomas J Dionise Senior Member IEEE and Visuth Lorch
[05] IEEE Std 1100 ndash IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding
Electronic Equipment (Emerald Book)
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 38
[06] IEEE Std 1159 ndash 1995
IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 39
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 40
httpecmwebcomcontentbasics-large-dry-type-transformers
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 35
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
a) Componentes
Devem ser de fabricantes
reconhecidos no mercado
b) Montagem
Os componentes devem ser
montados o mais proacuteximo
possiacutevel um do outro para
evitar indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
Preferecircncia para cordoalhas e
barras chatas para
interligaccedilatildeo
SLD 36
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
c) Instalaccedilatildeo
O conjunto deve ser instalado
o mais proacuteximo possiacutevel das
buchas de alta para evitar
elevadas indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
SLD 37
[01] IEEE Std C57142TM-2010
ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence and Mitigation of Switching Transients
Induced by Transformers Switching Device and System Interactionrdquo
[02] Transformer Failure due to circuit breaker induced switching transients
Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference (IampCPS) 2011
IEEE - David D Shipp Fellow IEEE Thomas J Dionise Senior Member IEEE
Visuth Lorch and Bill G MacFarlane PE Member IEEE
[03] Analysis of Integral Snubber Circuit Design for Transformers in Urban High Rise
Office Building IEEE Transactions on Industry Applications
[04] Medium-Voltage Switching Transient-Induced Potential Transformer Failures
Prediction Measurement and Practical Solutions
IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS VOL 49 NO 4
JULYAUGUST 2013 - Daniel C McDermit David D Shipp Fellow IEEE
Thomas J Dionise Senior Member IEEE and Visuth Lorch
[05] IEEE Std 1100 ndash IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding
Electronic Equipment (Emerald Book)
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 38
[06] IEEE Std 1159 ndash 1995
IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 39
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 40
httpecmwebcomcontentbasics-large-dry-type-transformers
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 36
MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
c) Instalaccedilatildeo
O conjunto deve ser instalado
o mais proacuteximo possiacutevel das
buchas de alta para evitar
elevadas indutacircncias que em
altas frequecircncias leva a
elevadas reatacircncias
10 - MONTAGEM INSTALACcedilAtildeO
SLD 37
[01] IEEE Std C57142TM-2010
ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence and Mitigation of Switching Transients
Induced by Transformers Switching Device and System Interactionrdquo
[02] Transformer Failure due to circuit breaker induced switching transients
Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference (IampCPS) 2011
IEEE - David D Shipp Fellow IEEE Thomas J Dionise Senior Member IEEE
Visuth Lorch and Bill G MacFarlane PE Member IEEE
[03] Analysis of Integral Snubber Circuit Design for Transformers in Urban High Rise
Office Building IEEE Transactions on Industry Applications
[04] Medium-Voltage Switching Transient-Induced Potential Transformer Failures
Prediction Measurement and Practical Solutions
IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS VOL 49 NO 4
JULYAUGUST 2013 - Daniel C McDermit David D Shipp Fellow IEEE
Thomas J Dionise Senior Member IEEE and Visuth Lorch
[05] IEEE Std 1100 ndash IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding
Electronic Equipment (Emerald Book)
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 38
[06] IEEE Std 1159 ndash 1995
IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 39
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 40
httpecmwebcomcontentbasics-large-dry-type-transformers
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 37
[01] IEEE Std C57142TM-2010
ldquoIEEE Guide to Describe the Ocurrence and Mitigation of Switching Transients
Induced by Transformers Switching Device and System Interactionrdquo
[02] Transformer Failure due to circuit breaker induced switching transients
Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference (IampCPS) 2011
IEEE - David D Shipp Fellow IEEE Thomas J Dionise Senior Member IEEE
Visuth Lorch and Bill G MacFarlane PE Member IEEE
[03] Analysis of Integral Snubber Circuit Design for Transformers in Urban High Rise
Office Building IEEE Transactions on Industry Applications
[04] Medium-Voltage Switching Transient-Induced Potential Transformer Failures
Prediction Measurement and Practical Solutions
IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS VOL 49 NO 4
JULYAUGUST 2013 - Daniel C McDermit David D Shipp Fellow IEEE
Thomas J Dionise Senior Member IEEE and Visuth Lorch
[05] IEEE Std 1100 ndash IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding
Electronic Equipment (Emerald Book)
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 38
[06] IEEE Std 1159 ndash 1995
IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 39
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 40
httpecmwebcomcontentbasics-large-dry-type-transformers
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 38
[06] IEEE Std 1159 ndash 1995
IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality
11 - REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS
SLD 39
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 40
httpecmwebcomcontentbasics-large-dry-type-transformers
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 39
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 40
httpecmwebcomcontentbasics-large-dry-type-transformers
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS
SLD 40
httpecmwebcomcontentbasics-large-dry-type-transformers
ANEXO ndashDRY TYPE TRANSFORMERS