Introdução
A compatibilidade electromagnética em instalações de corte e manobra distribuídas deve ser olhada sob dois pontos de vista. Uma possível interferência entre os componentes dentro da subestação devem, por um lado ser considerados, por outro lado a interacção dos componentes do disjuntor com o meio exterior à subestação devem ser também tidos em conta.
Estas instalações, tipicamente possuem alguns componentes onde, de um lado é transmitida e distribuída a energia e do outro lado existem componentes electrónicos onde os sinais derivados dos circuitos primários são processados para controlo, protecção e outros propósitos. Estes componentes estão muitas vezes dispostos muito próximo uns dos outros, pelo que, o aspecto da compatibilidade, do ponto de vista electromagnético deve ser tido em conta. Este aspecto é descrito pela compatibilidade electromagnética (EMC), como sendo a habilidade ou capacidade de um dispositivo, equipamento ou sistema eléctrico ou electrónico, funcionar de acordo com suas características operacionais, no seu ambiente electromagnético, sem impor perturbação intolerável naquilo que compartilha o mesmo ambiente [IEV 161-01-07]. Transferir esta definição para as instalações de corte e manobra significa dizer que:
- Aquando das operações de manobra nas instalações não são permitidas perturbações nos aparelhos localizados no meio ambiente circundante;
- As operações das instalações de corte e manobra não devem permitir que perturbações exteriores provenientes do meio ambiente as afectem;
- Os componentes das instalações de corte e manobra não devem perturbar outros aparelhos da instalação;
O ultimo requisito diz-nos que a compatibilidade electromagnética interna deve ser assegurada, contudo, é um requisito básico, para ser satisfeito independentemente das normas estabelecidas, uma vez que assim, a instalação não funcionaria.
Isto tem vindo a ser cada vez mais importante, à medida que tem vindo a ser feita a substituição para instalação de sensores de baixos níveis de energia para medições de tensão e corrente. Os sinais de saída gerados por estes sensores modernos estão compreendidos numa banda de alguns volts apenas. Tem vindo a verificar-se uma alteração nas relações electromagnéticas dentro do disjuntor e a possibilidade de influenciar ou perturbar sinais tem vindo a ser incrementada. Investigações acerca destas novas relações, com consequentes alterações das medidas EMC para as novas situações devem ser tidas em conta.
Os outros requisitos indicados acima determinam a relação entre o disjuntor e o meio, o qual é muitas vezes designado como EMC externo. Este aspecto tem vindo a tornar-se cada vez mais importante desde que os disjuntores tem vindo a ser, cada vez com mais frequência instaladas nos centros urbanos, isto é, muito perto das zonas de consumo de energia (ver figura):
Figura 1: Subestação numa área de grande densidade populacional.
Esta situação está bem patente na figura, que, ilustra a proximidade que existe entre equipamentos sensíveis, (equipamentos médicos ou de monitorização) com as instalações de corte e manobra. Para alem do facto de perturbações no equipamentos da vizinhança, a possibilidade de influenciar pessoas pelas emissões da instalação também deve ser tida em conta.
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Planeamento EMC
A tentativa de obter compatibilidade electromagnética através de medidas retrospectivas acarreta altos custos e/ou limitações funcionais. As considerações preventivas de todos os aspectos EMC, isto é o planeamento EMC realizado por peritos, é a base da implementação económica da compatibilidade electromagnética.
O objectivo do planeamento EMC é providenciar compatibilidade electromagnética a preços aceitáveis através da "reunião de conhecimentos" dos requisitos alvo a ter em conta durante todas as etapas da implementação do projecto.
As actividades do planeamento EMC consistem em:
- Formulação de requisitos EMC; os requisitos de protecção globais mencionados acima, para todos os sistemas, tal como as normas detalhadas de e para todos os componentes tem de ser tidas em conta. Os aspectos técnicos dos sistemas de emissão também tem de ser considerados sob o ponto de vista dos riscos daí provenientes para o ser humano.
- Colecção de dados EMC; com o objectivo de obter uma vista alargada, por exemplo de todas as fontes de interferência ou potenciais influências do meio, são "recolhidos" dados EMC relevantes e substanciais dos componentes a serem instalados.
- Análise EMC; com base na recolha e análise dos dados, a compatibilidade electromagnética pode ser melhorada investigando e estudando a interacção entre os diferentes componentes e a interacção destes com o meio. Uma aplicação típica, é o cálculo do campo magnético à frequência da fonte de alimentação nas proximidades do sistema e a avaliação dos resultados sob o ponto de vista da influência nos equipamentos sensíveis.
- Determinação de medidas EMC; a principal tarefa do planeador/gestor do sistema é o de apresentar, com base em exames técnicos, cálculos e experiências, um conjunto de medidas para assim se obter a tão desejada compatibilidade electromagnética. Medidas estas que devem ser tidas em conta durante e depois da fase de implementação, para, conformizar e tentar uniformizar essas medidas com outras envolvidas nesses estudos, tentando encontrar a solução mais económica. A grande parte das medições realizadas a partir de medições técnicas detalhadas para os vários componentes, com o intuito de uniformizar valores limite para os resultados dessas medições consideram o sistema como único. Uma medida típica deste tipo de ligação, quando um grande número de sistemas com diferentes níveis de emissão e imunidade tem de ser combinados é introdução de zonas EMC.
- Testes de verificação EMC; medidas de verificação tem de ser realizadas nos componentes e sistemas de acordo com as especificações. A verificação económica inclui não só e apenas os testes finais mas também medições levadas a cabo durante a fase de desenvolvimento e instalação. O planeamento EMC pode apresentar uma subjectividade elevada, dependendo da complexidade do sistema em análise e, pode até cobrir um grande numero de aspectos.
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Características EMC da subestação
O ponto fundamental da compatibilidade electromagnética diz respeito ao conhecimento das fontes de interferência, cujas emissões podem influenciar componentes da própria instalação ou instalações vizinhas. Num sistema de analise EMC, os caminhos de propagação devem ser examinadas e os níveis de perturbação nas interfaces com componentes possivelmente perturbados que possam ser daí derivados. Estes níveis tem de ser comparados com os testes de imunidade dos componentes e no caso de não ser possível devem ser realizadas medições no local. Em principio, as medições podem ser aplicadas à fonte, aos caminhos de propagação ou aos componentes envolvidos.
Fontes de interferência
Várias fontes de interferência devem ser consideradas na ligação de instalações de corte e manobra. Elas estão presentes nas operações de steady-state onde os campos magnéticos e eléctricos à frequência da fonte e são gerados harmónicos de ordem elevada. Particularmente, aquando da ligação com outros componentes como transformadores estes campos podem apresentar amplitudes significativas pelo menos nas vizinhanças de condução podendo apresentar perturbações possíveis de afectar equipamentos sensíveis como computadores e monitores. Uma avaliação destes campos do ponto de vista do risco pessoal também deve ser tido em conta, o que, é cada vez mais recomendado ou pedido nas normas.
A fonte de interferência mais significativa ocorre aquando da ocorrência de transitórios na ligação , como por exemplo, durante as operações de manobra ou descargas provenientes dos relâmpagos. Este fenómeno causa transitórios com frequências relativamente altas com implicações nas correntes e tensões dos componentes do circuito primário. Desde que as principais ligações entre os circuitos do primário e do secundário se realizem através de transformadores, os respectivos componentes e o seu comportamento ás altas frequências bem como a ligação de linhas determina o espectro e a amplitude do acoplamento dos transitórios de sobretensão.
A interferência electromagnética de transitórios em subestações está detalhada em inúmeros estudos. Contudo, a grande ênfase desta área diz respeito a subestações de alta tensão (e não média tensão), ainda que, o conhecimento desses efeitos seja essencial para o desenho e operação das subestações. Existem poucos dados sobre operações de corte e manobra em média tensão. Isto pode dever-se ao facto das fontes de transitórios de interferência nestas estações apresentarem níveis relativamente pequenos quando comparados com as subestações de alta tensão e a imunidade conseguida com a utilização de transformadores convencionais é suficiente para que os equipamentos do secundário não sejam influenciados por essas emissões. Estas suposições são verdadeiras nos casos da utilização de tecnologia convencional mas, devem e tem mesmo de ser comprovadas nos casos em que se utilizam sensores modernos e transformadores não convencionais nas instalações do disjuntor.
A principal fonte de interferência, isto é, a fonte produtora de emissões com níveis elevados, nos casos de alta tensão é a manobra dos conectores. Nas instalações de disjuntores de média tensão, a mudança do circuito é assumida para produzir as emissões mais relevantes. A manobra do disjuntor produz transitórios no circuito primário, o que, pode, por exemplo, ser descrito pelo comportamento da tensão do transitório do primário ao longo do tempo. As correspondestes medições daí resultantes estão representadas na figura seguinte; para a situação em que se dá a manobra de corte no disjuntor ao longo de cabos compridos, os quais, apresentam grandes capacidades entre as fases condutoras e a massa.
Figura 2: Transitório de tensão no circuito primário num cabo comprido quando ocorre uma operação de manobra.
Um comprimento de aproximadamente 80 metros representa o pior caso, pois, é até onde as ondas viajam e começam a decair. A tensão mostra um comportamento típico de como estas manobras contribuem para a ocorrência de fenómenos de pré arco e ondas oscilatórias amortecidas de alta frequência após o arco.
A figura seguinte mostra uma secção de tempo curto com 20µs da primeira subida de tensão com as três oscilações subsequentes.
Figura 3: Transitório de tensão no circuito primário para o primeiro µs após a subida da tensão.
Deste comportamento da frequência pode derivar-se da oscilação à frequência de 200 KHz. Esta frequência bem como o comportamento da oscilação deve-se ao circuito ressonante formado pelos elementos do circuito equivalente da indutância do próprio cabo e da capacidade existente entre os condutores de fase e a massa.
Acoplamento do circuito primário no circuito secundário
Existe um acoplamento deliberado dos circuitos de alta tensão no circuito secundário à frequência de funcionamento. Este acoplamento toma lugar através dos transformadores de tensão e corrente e é usado para obter dados correspondentes do circuito primário em avaliação. Há também um acoplamento ás altas frequências resultante na propagação de transitórios do circuito primário nos equipamentos do secundário. Este acoplamento deve-se a capacidades parasitas entre os equipamentos do primário e do secundário dentro do transformador e resulta em interferências de tensão e corrente nos circuitos do secundário. Este tipo de acoplamento é essencialmente do tipo modo comum. Isto significa que ambas as linhas de transmissão do cabo do secundário são influenciadas do mesmo modo e amplitude e são induzidas neles as mesmas tensões em relação ao potencial de terra. Devido ás propriedades não simétricas do transformador e aos equipamento ligados, na banda de alta frequência, é produzida tensão de modo comum, a qual, se sobrepõe ao sinal utilizado.
A amplitude e o comportamento da frequência de acoplamento devem-se essencialmente ás propriedades do transformador. Conhecendo a função de transferência entre ambos os lados do transformador deve-se desta forma procurar estimativas de sobretensões que poderão ser esperadas aos terminais do secundário quando os transitórios atrás citados ocorrerem aos terminais do circuito primário. Um método de medida da função de transferência no domínio temporal é sugerido para o caso de transformadores de corrente e também para os transformadores de tensão. Os procedimentos propostos utilizam tipos de impulsos especiais de baixa tensão para serem aplicados aos terminais do primário. A medição das sobretenções transmitidas para o enrolamento secundário tem de ser extrapoladas para situações de impulsos primários realísticas e devem manter-se abaixo dos 2 KV - nível de teste típico patente nas normas dos testes de imunidade dos equipamentos secundários.
As medidas citadas foram realizadas para um transformador convencional (tipo 4MA). A figura seguinte mostra a forma do impulso de teste aplicado aos terminais do primário com um valor de pico de 1000 V, um tempo de subida de 0.3µs e um tempo de 20µs para metade do valor.
Figura 4: Impulso de baixa tensão para o teste de sobretensão.
O comportamento temporal não corresponde exactamente aos impulsos de teste relatados e atrás referidos, onde um impulso com duração máxima para o valor médio de pelo menos 50µs é requerido. Mas, a medição de sobretenções nos terminais do secundário mostra, tal como representado na figura seguinte que significativas sobretensões são transmitidas apenas durante um curto espaço de tempo durante o período de subida do impulso de teste aplicado. Os resultados são, para a configuração onde é ligada a carga ao transformador através de um cabo de comprimento 2m e onde um terminal da carga é ligada à massa. Os valores de pico a pico de 40V são medidos aos terminais do secundário.
Utilizando este tipo de transformador de corrente, por exemplo nos sistemas de média tensão com Um=12KV, o valor de pico Up para a tensão aplicada aos terminais do primário tem de ser considerada.
Extrapolando os resultados da medição para este valor de pico, resultará numa sobretensão de 1.18 KV aos terminais do secundário, que é bem abaixo do limite permitido de 2 KV relatado nas normas.
Figura 5: Sobretenção transmitida medida aos terminais do secundário de um transformador de corrente.
Nem todos os transitórios de tensão num circuito primário realístico terão a forma de onda acima representada. Assim, os resultados deste impulso de teste não podem ser transferidos para situações reais em qualquer caso. Uma descrição mais geral da função de transferência do transformador pode ser expressa no domínio das frequências e podem desta forma considerar impulsos de teste de outros dados através da transformada de Fourier.
A figura 6 mostra-nos a função de transferência no domínio das frequências com dados na gama de frequências entre os 100KHz e os 10MHz. A curva traçada representa a atenuação ac entre a tensão Up nos terminais do primário e a tensão Us nos terminais do secundário e é definido pela relação:
Figura 6: Medida da função de transferência entre ambos os lados de um transformador de corrente convencional.
Figura 7: Transmissão de um impulso calculado por meio da transformada da função de transferência.
Imunidade / Susceptibilidade
O acoplamento do circuito primário no secundário, que toma lugar, principalmente através de transformadores, resulta em sobretensões transmitidas aos terminais do secundário, isto é, à entrada do equipamento secundário, quando ocorrem transitórios dentro do primário. A medição de sobretensões no caso de transitórios reais tais como mostrados na figura 3 é representado na figura 8 para o caso de um transformador de corrente convencional (tipo 4MC4). Ambas as figuras mostram o mesmo período de tempo.
Figura 8: Sobretensão transmitida no caso de um transformador convencional de corrente.
A sobretensão transmitida mostra o como é muito similar o comportamento da frequência dos transitórios com uma amplitude de 180V (pico a pico). Esta relação entre o transitório do primário e a sobretensão transmitida é verdadeira apenas para os actuais transformadores de corrente e para uma frequência de oscilação actual de 200KHz. Transitórios com contribuição de oscilações de alta frequência são esperados para produzir elevadas sobretenções transmitidas como podem ser vistas basicamente da função de transferência da figura 6, a qual mostra uma diminuição da atenuação com o aumento da frequência. Na região das frequências de interesse, as sobretensões transmitidas desta forma são da ordem das centenas de volts.
As sobretensões representam os níveis de perturbação contra os quais os equipamentos ligados aos terminais do secundário tem de ser imunes. Em principio, estes níveis combinados com uma certa margem de segurança podem ser utilizados como bases para determinar os níveis dos testes de imunidade.
Meio
Emissões provenientes de fontes de interferência não se irão acoplar apenas à instalação do disjuntor e seus componentes. Existirá também propagação para o meio e instalações localizadas nas redondezas fontes. As emissões do campo de transitórios produzidas pelas acções de manobra vão, por exemplo induzir tensões e correntes nas instalações do disjuntor mas também noutras linhas como linhas de energia ou telecomunicações que estão alocadas na infra-estrutura do edifício e que são independentes da instalação do disjuntor.
Emissões provenientes de subestações podem ser mais criticas no caso de subestações de alta tensão. Neste caso, particularmente quando equipamentos sensíveis são planeados ser instalados nas imediações, todos os aspectos de compatibilidade electromagnética externos devem ser considerados. Um exemplo de planeamento EMC com os consequentes testes de verificação de compatibilidade electromagnética final é a descrita numa subestação de 110KV. Neste caso foram medidos valores acima de 6V de tensão induzida nas linhas de baixa tensão fora da instalação do disjuntor.
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Novas tecnologias para o circuito secundário (transformadores não convencionais)
A mudança para os novos sistemas de medida de tensão e corrente orientará os sensores com sinais de tensão relativamente pequeno, que são mais adequados para protecção, controlo e outros propósitos. Todavia, e apesar do desenho dos sensores, as sobretenções transmitidas devem ser tidas em conta. A figura 9 mostra a medida de sobretensões para transitórios no primário representados na figura3 quando o transformador de corrente convencional é substituído por um outro não convencional.
Figura 9: Sobretensão transmitida no caso de um transformador não convencional de corrente.
Também, neste caso, o comportamento temporal da tensão transmitida corresponde ao transiente primário em relação à frequência de oscilação. Comparando com os resultados do transformador convencional mostrados na figura 8, a sobretensão é agora, de, pelo menos metade. Isto significa sobretudo ser adequado para capacidades pequenas entre o primário e o secundário à volta do transdutor.
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