Entendendo Sobretensões em Sistemas de Potência: Causas e Impactos

Neste artigo, abordaremos sobretensões e suas causas. Muitas fontes estão relacionadas: geradores, transformadores, linhas de transmissão. Podem ser causadas por relâmpagos, abertura de disjuntores, aterramento de condutor, etc. Embora não sejam enormes em magnitude, seu efeito pode interromper sistemas de proteção ou dispositivos conectados. Engenheiros buscam limitar e controlar o efeito sobre equipamentos operacionais. Vamos descobrir as principais causas, como são geradas e afetam o sistema.

Estes transitórios ou surtos são de natureza temporária e curta duração (alguns centenas de µs), mas causam sobretensões no sistema. Originam-se de manobras e outras causas, mas os mais importantes são os gerados por golpes naturais de relâmpago em linhas de transmissão. Quando o relâmpago atinge uma linha, o surto corre ao longo dela e uma onda de enormes tensões invade o sistema, capaz de danificar cada aparelho de proteção e equipamento elétrico.

A figura mostra a forma de onda do surto por relâmpago. A tensão no eixo x e tempo no eixo y. Claro que o surto gera uma onda frontal muito íngreme em tempo muito curto, chamada frente de onda. Esta subida é muito rápida, da ordem de 1-5 µs. O lado posterior, cauda de onda, passa mais lentamente. Leva um pouco mais tempo que a frente íngreme.

Causas das sobretensões

As sobretensões no sistema de potência dividem-se em duas categorias principais.

A) Causas internas B) Causas externas

Causas internas não produzem surtos de grande magnitude. Experiência mostra que surtos internos dificilmente elevam a tensão do sistema ao dobro da normal.

• Surtos de manobra: Primeiro tipo de sobretensão interna. Sobretensões produzidas por operações de manobra. 1) Podem ocorrer quando linha descarregada conecta-se à fonte de tensão. 2) Também quando linha carregada conecta-se. Suponha carga interrompida repentinamente. Isso cria tensão transitória. 3) A causa mais importante em surtos de manobra é o corte de corrente. Corte de corrente resulta em produção de transientes de alta tensão nos contatos do disjuntor a ar comprimido.
• Falha de isolamento: Caso mais importante em sistema de potência é o aterramento do condutor. Suponha condutor aterrado no centro. Produz tensões negativas que viajam em ambos os sentidos.
• Aterramento por arco: Fenômeno de arco intermitente em falta linha-terra de sistema trifásico com produção consequente de transitórios. Estes transitórios são cumulativos; podem ser muito perigosos e causar danos sérios por falha de isolamento. Aterramento por arco pode ser prevenido aterrando o neutro.
• Ressonância: Situação quando reatância indutiva do circuito iguala reatância capacitiva. Na ressonância, impedância e resistência igualam-se e fator de potência é unitário. Ressonância causa altas tensões nas linhas de transmissão.
• Causa externa: Inclui apenas relâmpago. "Descarga elétrica entre nuvem e terra, entre nuvens ou entre centros de carga da mesma nuvem é relâmpago". Discutiremos em detalhes no próximo artigo.