Métodos para redução dos efeitos de impulsos atmosféricos em transformadores de potência

Abstract

Este trabalho apresenta um estudo sobre métodos de reduzir os efeitos de impulsos atmosféricos em transformadores de potência, com ênfase na distribuição inicial das tensões ao longo do enrolamento de alta tensão. Por meio de uma revisão teórica dos modelos capacitivos, características construtivas dos enrolamentos e fundamentos dos ensaios dielétricos, foi possível compreender os fenômenos associados às sobretensões transitórias causadas por descargas atmosféricas. Para avaliar diferentes alternativas de projeto, foram realizadas simulações utilizando um transformador de potência como estudo de caso. Três configurações de enrolamentos foram analisadas: disco contínuo, disco entrelaçado (interleaved) e disco contínuo com intershields. Os resultados mostraram que o enrolamento disco contínuo apresentou a maior tensão máxima entre discos, ultrapassando 130 kV nos discos próximos ao terminal de entrada. A configuração entrelaçada reduziu significativamente esses gradientes devido ao aumento da capacitância série, enquanto a aplicação de intershields obteve o melhor desempenho, resultando em uma máxima tensão entre discos de aproximadamente 93 kV. Ademais, as simulações mostram que estratégias de aumento da capacitância série em enrolamentos de alta tensão são eficazes para melhorar a distribuição de tensão durante impulsos atmosféricos, contribuindo para maior suportabilidade dielétrica, aumento da vida útil do isolamento e redução do risco de falhas.

This work presents a study on methods to reduce the effects of lightning impulses on power transformers, with emphasis on the initial voltage distribution along the high voltage winding. Through a theoretical review of capacitive models, winding construction characteristics, and the fundamentals of dielectric tests, it was possible to understand the phenomena associated with transient overvoltages caused by lightning discharges. To evaluate different design alternatives, simulations were carried out using a power transformer as a case study. Three winding configurations were analyzed: continuous disk, interleaved disk, and continuous disk with intershields. The results showed that the continuous disk winding presented the highest maximum inter-disk voltage, exceeding 130 kV in the disks closest to the line terminal. The interleaved configuration significantly reduced these voltage gradients due to the increase in series capacitance, while the application of intershields achieved the best performance, resulting in a maximum inter disk voltage of approximately 93 kV. Furthermore, the simulations demonstrate that strategies aimed at increasing the series capacitance of high-voltage windings are effective in improving voltage distribution during lightning impulses, contributing to higher dielectric withstand capability, extended insulation lifetime, and reduced risk of failures.