ANÁLISE DAS TÉCNICAS DE CONTROLE DE SOBRETENSÃO TRANSITÓRIA

DURANTE A ENERGIZAÇÃO DE LINHAS DE TRANSMISSÃO

Eduardo da Costa Sousa educosta.sousa@gmail.com:

Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia – Minas Gerais, www.ufu.br

Resumo – A sobretensão em sistemas de transmissão

de energia elétrica é um problema de difícil solução, visto

que sua total supressão é extremamente difícil e não há

formas satisfatórias de evitá-la, entretanto, suas

amplitudes são passíveis de redução. Tradicionalmente,

as sobretensões transitórias advindas das manobras de

energização de linhas de transmissão são limitadas

utilizando o “método convencional”, como é o caso do uso

de resistores de pré-inserção, este apesar de ser um

método efetivo, apresenta uma aceitação de sua

tecnologia tendente a diminuir devido ao alto custo de

implementação e manutenção. Nos últimos tempos as

principais empresas de transmissão do mundo têm se

mostrado mais favoráveis à utilização de pára-raios e

chaveamento controlado de disjuntores para o controle

de sobretensões. O presente trabalho foi realizado com o

objetivo de analisar os diferentes métodos para o controle

de sobretensões associadas às manobras de energização

de linhas de transmissão em vazio determinando assim as

melhores condições técnicas para a otimização destes

processos. Apresentam-se os resultados obtidos através

de simulações com o programa ATPDraw de um caso

específico, tendo como base um sistema de 138 kV.

Palavras-Chave – ATPDraw, chaveamento controlado,

energização, linhas de transmissão, pára-raios.

I. INTRODUÇÃO

As sobretensões em um sistema de transmissão não

podem ser evitadas, assim como sua total supressão é

extremamente difícil, entretanto, suas amplitudes podem ser

limitadas para que sejam compatíveis com os níveis de

isolamento dos equipamentos do sistema. Por este motivo

faz-se necessário pesquisar novas abordagens que busquem

soluções cada vez mais eficientes com a finalidade de

diminuir os efeitos das sobretensões nos sistemas de

transmissão. Nesse sentido, a avaliação precisa do

comportamento dos sistemas de potência frente às

sobretensões torna-se uma missão prioritária para

pesquisadores que buscam melhorar a proteção dos sistemas,

a diminuição dos custos de projeto, a identificação de

sistemas vulneráveis e seus impactos efetivos [1].

Durante a maior parte do tempo, os sistemas elétricos de

potência e, especificamente, as linhas de transmissão operam

em regime permanente. No entanto, o dimensionamento dos

sistemas elétricos deve contemplar, além das perturbações

sustentadas, as perturbações transitórias. A linha de

transmissão, em conjunto com seus sistemas de proteção, de

controle e dos equipamentos de compensação reativa quando

existentes, é dimensionada para suportar ocorrências de

fenômenos transitórios e sustentados, tendo como

ferramentas bastante úteis nessa tarefa os simuladores de

sistemas elétricos.

A energização de linhas de transmissão são manobras

frequentes, cuja amplitude dos transitórios é influenciada

pela configuração do sistema bem como pelas características

dos equipamentos. Tradicionalmente, as sobretensões

transitórias advindas destas manobras são limitadas por

métodos convencionais. Estes métodos consistem na

aplicação de resistores de pré-inserção nos disjuntores,

muitas vezes associados a pára-raios de óxido metálico em

ambos os terminais da linha. O uso de resistores de pré-

inserção, apesar de ser um método efetivo, apresenta uma

aceitação de sua tecnologia tendente a diminuir devido ao

alto custo de implementação e manutenção [1].

Outro método para reduzir as sobretensões de manobra é

controlar o instante de fechamento do disjuntor através da

utilização de um dispositivo de controle. Isto se deve ao fato

de que os surtos originados de manobras de energização são

dependentes das tensões através dos contatos do disjuntor no

instante do seu fechamento, e são consideravelmente

reduzidos se estas tensões estão próximas de zero.

Experiências positivas de campo têm sido obtidas durante os

últimos anos com equipamentos de sincronismo usados para

controlar manobras de bancos de capacitores e reatores em

derivação em sistemas de alta tensão.

Pelo exposto neste artigo, analisam-se os métodos de

limitação de sobretensões transitórias associadas às manobras

de energização de linhas de transmissão, determinando assim

as melhores condições técnicas para a otimização destas

manobras.

A finalidade principal deste trabalho visa estimar os níveis

de sobretensões geradas em uma linha de transmissão

durante as manobras de energização. Tal levantamento é

fundamental para inferir o desempenho do “método

convencional” de controle, como é o caso do resistor de pré-

inserção versus o chaveamento controlado de disjuntores, o

uso de pára-raios nos terminais e ao longo da linha, para

finalmente fazer uma análise comparativa destas técnicas de

mitigação de sobretensões. Como parte da metodologia de

desenvolvimento, realizam-se simulações computacionais

utilizando-se o programa ATPDraw.

II. MÉTODOS DE LIMITAÇÃO DE SOBRETENSÕES

A. Resistor de Pré-Inserção

Os resistores de fechamento de disjuntores, também

conhecidos como resistores de pré-inserção (RPI), são um

dos métodos mais utilizados para se reduzir a amplitude das

sobretensões transitórias geradas por manobras de

chaveamento de linhas de transmissão. São instalados em

paralelo com as câmaras dos disjuntores, um resistor para

cada câmara.

Os resistores de fechamento são componentes que podem

apresentar um considerável índice de falhas quando em

operação. A possibilidade de sua eliminação ou da aplicação

de um sincronizador de fechamento diminui a necessidade de

peças de reposição, permitindo que o disjuntor continue a ser

utilizado com um menor número de componentes mecânicos,

aumentando a sua confiabilidade.

O arranjo de atuação do resistor, como se apresenta na

figura 1, é tal que quando a linha de transmissão é

energizada, inicialmente, fecha-se o contato auxiliar que

insere o resistor em série entre a fonte e a linha de

transmissão. Ao inserir o resistor, a tensão que seria imposta

sobre a linha é dividida entre a linha e o resistor. Após um

breve período de tempo, fecha-se o contato principal, curto-

circuitando desta forma o resistor e trazendo para a linha a

tensão plena da fonte.

Fig. 1 – Circuito simplificado do resistor de pré-inserção.

Assim a linha é energizada em dois estágios, com cada um

deles produzindo uma determinada sobretensão. A primeira

delas é devida à energização através do resistor e a segunda é

causada pelo curto-circuito do resistor. Embora cada estágio

produza sobretensões ao longo da linha, a escolha adequada

do resistor assegura que as amplitudes das sobretensões

sejam consideravelmente inferiores àquelas obtidas sem o

resistor [1].

As principais características dos resistores de pré-inserção

são:

Tempo de Inserção: Para determinar o tempo de

inserção do resistor, verifica-se que a partir de um

determinado valor, aproximadamente de ½ ciclo,

para linhas com comprimento elétrico menor do que

¼ do comprimento de onda (λ), o valor da

sobretensão se torna insensível ao aumento do

tempo de permanência. Este fato, juntamente com a

exigência térmica conduz à decisão de se adotarem

valores médios de permanência do resistor

normalmente na faixa de 6 a 15 ms. Uma condição a

ser obedecida é que o resistor não deve ser retirado

antes que a primeira reflexão das ondas de

tensão/corrente na extremidade aberta da linha

retorne ao terminal da fonte, isto é, de modo a ser

efetivo, o tempo de permanência deve ser maior que

duas vezes o tempo de trânsito da linha.

Valor do Resistor: Definido o tempo médio de

permanência do resistor, o seu valor de resistência é

encontrado pesquisando-se a menor sobretensão,

variando-se o valor ôhmico do resistor no instante

do chaveamento. A escolha do resistor através desse

procedimento é válida para qualquer configuração

de sistema com linhas menores do que λ/4. O valor

ótimo do resistor depende basicamente dos

seguintes fatores: potência de curto circuito da

fonte, comprimento da linha e grau de compensação

da linha. Quando conhecido o valor da impedância

característica da linha de transmissão, este deve ser

adotado como valor do resistor de pré-inserção.

Energia Dissipada: Outro fator que deve ser levado

em conta no dimensionamento do resistor é a

quantidade de energia por ele dissipada. Com o

aumento no valor do resistor, a corrente que flui

através dele diminui, levando-o a absorver menos

energia. Deve-se, portanto, selecionar um resistor

igual àquele correspondente ao valor ótimo e que

atenda às condições pré-determinadas de máxima

sobretensão permitida e de energia dissipada.

B. Pára-Raios

Nos últimos anos surgiram alternativas aos resistores de

pré-inserção, especificamente, o uso mais ativo dos pára-

raios e o chaveamento controlado. A limitação eficiente das

sobretensões ao longo da linha por pára-raios é possível

mediante a utilização de equipamentos com alta capacidade

de dissipação de energia. O uso de pára-raios em linhas de

transmissão oferece uma alternativa aos resistores de pré-

inserção pelo menor custo, facilidade na manutenção e a

possibilidade destes poderem se situar ao longo da linha em

pontos selecionados para obter o controle requerido do perfil

de sobretensão.

A tecnologia dos pára-raios de óxido de zinco (ZnO) foi

introduzida no final da década de 1970, desenvolvida durante

a década de 1980 e aperfeiçoada no início da década de 1990,

onde foram introduzidos, aos sistemas de transmissão de alta

tensão, pára-raios com alta capacidade de absorção de

energia e fácil instalação, fornecendo uma solução aos

problemas que a tecnologia antiga não conseguia.

As energias absorvidas dependem de suas características

não lineares e da configuração do sistema elétrico em estudo.

Geralmente, a quantidade de energia absorvida pelos pára-

raios é maior para sistemas elétricos com impedâncias de

surto menores e para níveis de proteção dos pára-raios mais

baixos. Na ocorrência de sobretensões de manobra, todos os

pára-raios de óxido metálico, instalados na mesma

subestação conduzem ao mesmo tempo, compartilhando a

energia total envolvida na manobra [2].

As principais características elétricas dos pára-raios são:

Tensão Nominal: A tensão nominal de um pára-

raios é o valor máximo eficaz da tensão na

frequência industrial aplicada aos seus terminais no

ensaio de ciclo de serviço, para a qual o pára-raios

foi projetado e tem condições de operar

satisfatoriamente durante o ensaio. O valor da

tensão nominal é utilizado como um parâmetro de

referência para a especificação de suas

características de operação.

Níveis de Proteção: Os níveis de proteção para

pára-raios de óxido de zinco, sem nenhum tipo de

centelhador em série, são definidos somente pelas

tensões residuais que aparecem através de seus

terminais durante a sobretensão transitória. As

tensões residuais dependem da forma e do valor das

correntes de condução. Outro aspecto importante

que deve ser ressaltado é que a tensão residual

também pode ser modificada pelo fabricante para

projetos especiais, com a finalidade de atender

exigências específicas de determinada aplicação.

Capacidade de Absorção de Energia: Os pára-

raios de óxido de zinco são mais suscetíveis a

períodos de condução longos e frequentes, durante

as sobretensões, do que os pára-raios convencionais,

por causa da ausência de centelhadores. Como estão

permanentemente conectados ao sistema elétrico,

estão sempre conduzindo correntes que variam de

10-3

a 102 amperes, dependendo da amplitude da

sobretensão transitória. A capacidade de absorção

de energia tem que ser adequadamente especificada,

de forma a evitar sérias consequências aos

equipamentos do sistema elétrico, incluindo os

próprios pára-raios de óxido metálico.

C. Chaveamento Controlado

O fenômeno físico responsável pelas sobretensões de

manobra em linhas de transmissão é a propagação das ondas

eletromagnéticas ao longo das linhas. A propagação da onda

é iniciada no instante em que se começa a circular corrente

pelo disjuntor e a amplitude inicial da onda de tensão é a

tensão de pré-arco. Consequentemente, a amplitude das

sobretensões devido às manobras está diretamente

relacionada com a amplitude da tensão de pré-arco, o que

torna o chaveamento controlado um método eficiente para o

controle de sobretensões [3].

Os efeitos negativos causados por estas sobretensões

podem ser reduzidos controlando-se a abertura ou o

fechamento dos contatos dos disjuntores de forma que a

manobra seja realizada em um instante ótimo pré-

determinado, tomando-se como referência sinais elétricos de

tensão ou corrente. Como consequência das ondas viajantes,

para o chaveamento de linhas de transmissão, este instante

ótimo ocorre idealmente quando a tensão entre os contatos

do disjuntor for zero [4].

Neste trabalho será utilizado o chaveamento controlado

apenas em manobras de energização de linhas de

transmissão. Para tanto, toma-se como sinal de referência a

tensão entre os contatos do disjuntor, a fim de que o

fechamento de cada polo seja ajustado para ocorrer em um

instante onde esta tensão seja mínima.

Geralmente, energizações e desligamentos de linhas de

transmissão são manobras programadas que podem ocorrer

rotineiramente em sistemas de potência. No entanto, o tempo

entre um desligamento e uma energização é suficiente para

que possíveis cargas residuais presentes na linha sejam

descarregadas.

A condição em que não há a presença de carga residual na

linha de transmissão no instante de fechamento do disjuntor é

certamente a mais simples para a realização do chaveamento

controlado. Neste caso, o instante ótimo ocorre na passagem

por zero da tensão do lado da fonte. Assim, para cada fase,

basta o monitoramento deste sinal de tensão o qual será o

sinal de referência para o controle do instante ótimo para o

chaveamento. Na figura 2, estão indicados através de setas os

possíveis instantes ótimos de energização, para uma fase da

linha de transmissão.

Fig. 2 – Instantes ótimos de energização, para uma fase da LT.

Os componentes principais de um chaveamento

controlado são o disjuntor e o sincronizador propriamente

dito. O sincronizador (ou controlador) é um dispositivo

eletrônico que permite realizar a operação da manobra em

um ponto ótimo da onda de tensão. O princípio básico de

funcionamento do sincronizador é:

Reconhecer a forma do seu sinal de referência;

Prever o ponto ótimo da onda de tensão para

manobrar o disjuntor.

Os surtos originados de manobras de energização de

linhas de transmissão em vazio são dependentes das tensões

através dos contatos do disjuntor no instante do seu

fechamento e são consideravelmente reduzidos se estas

tensões estão próximas de zero. Este método consiste em

controlar o instante de fechamento do disjuntor através da

utilização de um sincronizador que dá a ordem para que o

fechamento dos polos do disjuntor ocorra próximo ao zero da

tensão. Considerando um sistema trifásico, para satisfazer

esta condição, a melhor opção é fechar as três fases

consecutivamente quando a tensão em cada uma delas for

zero [5].

III. SIMULAÇÕES

A figura 3 apresenta a modelagem do sistema de

transmissão utilizado para os estudos de caso. A classe de

tensão do sistema é 138 kV, o nível básico de isolamento

(NBI) da cadeia de isoladores considerado é de 190 kV e a

resistência de pé de torre é 10 Ω.

Fig. 3 – Modelagem do sistema de transmissão no ATPDraw.

Os parâmetros do sistema encontram-se apresentados na

figura 4 e nas tabelas I e II. Para fins de análise, foram

realizadas simulações e comparações, considerando os

diferentes métodos de controle de sobretensões durante a

energização de linhas de transmissão.

Fig. 4 – Linha de Transmissão de 138 kV com circuito simples.

TABELA I

Dados do Sistema de Transmissão Condutores Fase Pára-Raios

Tipo Grosbeak HS 3/8”

Diâmetro 2,5146 cm 0,9525 cm

Altura no

Meio do Vão

Fase A: 11,360 m

Fase B: 7,585 m Fase C: 9,500 m

17,800 m

Resistência 0,0913 ohm/km 3,913 ohm/km

TABELA II

Comprimento dos Trechos Trecho A-B Trecho B-C Trecho B-D

100 km 50 km 100 km

A. Energização Direta

Para efeitos de comparação, foram realizadas simulações

de energização direta da linha de transmissão. Foram

simuladas diversas situações e chegou-se às seguintes

conclusões:

A melhor condição de energização é quando uma

das fases do sistema possui valor próximo de zero,

como ilustrado na figura 5;

Fig. 5 – Efeito da energização da fase A no cruzamento por zero.

A pior condição de energização é quando uma das

fases do sistema possui valor máximo, conforme a

figura 6.

Fig. 6 – Efeito da energização da fase A em seu valor máximo.

De forma a ilustrar a ocorrência do fenômeno de flashover

em linhas de transmissão, utilizaram-se chaves comandadas

por tensão que fechavam seus contatos quando o valor de

tensão ultrapassava o valor do NBI considerado, neste caso

190 kV. A figura 7 apresenta esta situação.

Fig. 7 – Ocorrência de flashover no final de cada trecho da linha.

As figuras 8 e 9 apresentam a forma de onda da tensão

para o caso de energização direta, considerando-se a pior

condição. Pode-se observar que, a sobretensão no final de

cada trecho alcançou valores de 2,32 pu e 2,17 pu para o

trecho B-C e B-D, respectivamente.

Fig. 8 – Forma de onda da tensão no final do trecho B-C.

Fig. 9 – Forma de onda da tensão no final do trecho B-D.

B. Resistor de Pré-Inserção

Nestas simulações utilizou-se um resistor de pré-inserção

de 350 Ω, valor encontrado após várias tentativas. Este

permanece no circuito durante 15 ms. O contato auxiliar que

insere o resistor de pré-inserção é fechado no máximo da

onda de tensão observada em uma das fases (fase A),

simulando assim a pior condição. Normalmente o valor do

resistor de pré-inserção é especificado próximo ao valor da

impedância característica da linha, caso seja conhecido.

As figuras 10 e 11 apresentam a forma de onda da tensão

para o caso de energização utilizando resistor de pré-

inserção. Pode-se observar que usando este método, a

sobretensão no final de cada trecho foi reduzida em 39,90% e

em 37,77%, alcançando valores de 1,39 pu e 1,35 pu para o

trecho B-C e B-D, respectivamente.

Observa-se através da análise das figuras 10 e 11 que

ocorrem duas situações transitórias, uma no momento da

energização da linha através do resistor de pré-inserção e

outra no instante em que este resistor é curto-circuitado e

retirado do sistema.

Fig. 10 – Forma de onda da tensão no final do trecho B-C.

Fig. 11 – Forma de onda da tensão no final do trecho B-D.

C. Pára-Raios

A tabela III apresenta a característica não linear dos pára-

raios utilizados nestas simulações, estes possuem tensão de

referência de 150 kV.

TABELA III

Característica Não Linear dos Pára-Raios Corrente (A) Tensão (kV)

0,005 120

3 130

10000 190

Foram simuladas as seguintes situações envolvendo a

localização dos pára-raios:

Pára-raios no final de cada trecho;

Pára-raios no final de cada trecho e meio da linha;

Pára-raios nas extremidades da linha;

Pára-raios nas extremidades e no meio da linha.

Depois de realizadas todas estas simulações, o sistema de

transmissão em estudo apresentou resultados semelhantes

para todas as situações, mostrando-se que a utilização de

pára-raios no final de cada trecho já satisfaz o desejo de

diminuição da sobretensão transitória de energização.

As figuras 12 e 13 apresentam a forma de onda da tensão

para o caso de energização da linha de transmissão utilizando

pára-raios. Pode-se observar que usando este método, a

sobretensão no final de cada trecho foi reduzida em 39,40% e

em 36,86%, alcançando valores de 1,40 pu e 1,39 pu para o

trecho B-C e B-D, respectivamente.

Fig. 12 – Forma de onda da tensão no final do trecho B-C.

Fig. 13 – Forma de onda da tensão no final do trecho B-D.

D. Chaveamento Controlado

O fechamento ótimo dos polos do disjuntor, para reduzir

ou não produzir a parcela transitória durante a manobra de

energização da linha de transmissão a vazio, corresponde a

fechar o polo do disjuntor no instante no qual a tensão à

montante do disjuntor encontra-se próxima de zero, uma vez

que a linha em vazio tem um comportamento semelhante a

um capacitor sem carga.

O método desenvolvido, para o chaveamento controlado

de linhas de transmissão, baseia-se em estimar o sinal de

tensão, de forma que ocorra o fechamento sincronizado de

cada fase do sistema, quando esta passar por seu valor

mínimo, isto é, no cruzamento da onda de tensão por zero.

O controle sincronizado do disjuntor foi implementado

usando as componentes TACS, que são parte de um grupo

especial de elementos de controle do ATPDraw, realizando o

fechamento sincronizado das fases, quando a onda de tensão

de cada fase cruza consecutivamente os zeros da tensão. A

figura 14 apresenta o controle utilizado para realização do

chaveamento controlado em uma das fases.

Fig. 14 – Controle do chaveamento sincronizado em uma das fases.

As figuras 15 e 16 apresentam a forma de onda da tensão

para o caso de energização da linha de transmissão,

utilizando chaveamento controlado. Pode-se observar que

usando este método, a sobretensão no final de cada trecho foi

reduzida em 48,66% e em 43,31%, alcançando valores de

1,19 pu e 1,23 pu para o trecho B-C e B-D, respectivamente.

Fig. 15 – Forma de onda da tensão no final do trecho B-C.

Fig. 16 – Forma de onda da tensão no final do trecho B-D.

IV. ANÁLISE COMPARATIVA

Nesta seção é feita uma análise comparativa dos três

métodos estudados para a manobra de energização de linhas

de transmissão. Os níveis de sobretensões comparados são

medidos no final de cada trecho analisado.

Para o trecho B-C os três métodos apresentaram um

desempenho muito similar, conforme a figura 17. O nível de

sobretensão no terminal receptor utilizando pára-raios é

reduzido a 1,40 pu. Utilizando chaveamento controlado o

nível de tensão é reduzido até 1,19 pu e com o resistor de

pré-inserção alcança um valor de 1,39 pu.

Para o trecho B-D os três métodos também apresentaram

um bom desempenho, de acordo com a figura 18. O nível de

sobretensão no terminal receptor utilizando pára-raios é

reduzido a 1,39 pu. Utilizando chaveamento controlado o

nível de tensão é reduzido até 1,23 pu e com o resistor de

pré-inserção alcança um valor de 1,35 pu.

Fig. 17 – Máxima sobretensão no final do trecho B-C.

Fig. 18 – Máxima sobretensão no final do trecho B-D.

V. CONCLUSÕES

Mediante simulações realizadas com o programa

ATPDraw foram apresentados os resultados do

comportamento dos pára-raios, chaveamento controlado e

resistor de pré-inserção, no controle de sobretensões

transitórias na manobra de energização de linhas de

transmissão. Este estudo analisa as piores condições do

sistema, porém os resultados apresentados neste artigo não

devem ser generalizados. Cada sistema deve ser estudado de

forma específica e com suas particularidades, já que um

grande número de parâmetros influi nestas sobretensões.

O uso de pára-raios de óxido de zinco é uma alternativa na

limitação de sobretensões na manobra de energização,

apresentando resultados satisfatórios. A partir dos resultados

obtidos nas simulações realizadas, pode-se afirmar que na

manobra de energização do sistema estudado, o chaveamento

sincronizado é um método mais adequado para o controle das

sobretensões do que o resistor de pré-inserção. Este último,

apesar de ser um método efetivo, apresenta uma aceitação de

sua tecnologia tendente a diminuir devido ao alto custo de

implementação e manutenção.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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controle de sobretensões transitórias nas manobras de

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[5] K.M.C. DANTAS, D. FERANDES Jr., W.L.A. NEVES,

B.A. SOUZA, L.C.A FONSECA, “Mitigation of

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Controlled Switching”, in: IEEE Power & Energy

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