Gerador de tensão de impulso O ensaio de impulso é um dos instrumentos básicos utilizados para testar a resistência do isolamento de equipamentos de alta tensão em condições transitórias. Ao contrário dos ensaios em regime permanente (CA ou CC), no ensaio de impulso, são reproduzidos eventos transitórios de alta tensão produzidos por descargas atmosféricas, manobras de chaveamento e falhas em um sistema elétrico. Esses eventos causam cargas elétricas severas em curtíssimos períodos de tempo e normalmente controlam os limites de projeto do isolamento. Por isso, o ensaio de impulso é um elemento obrigatório na qualificação de transformadores, buchas, cabos, painéis elétricos, para-raios e outros ativos de alta tensão.
Em laboratórios reais, o gerador de tensão de impulso é frequentemente comparado a um gerador de surtos de alta tensão usado em testes de imunidade eletromagnética (EMC). Embora ambos os sistemas gerem tensões transitórias, os objetivos e a natureza das formas de onda são diferentes. A avaliação de isolamento se concentra em comportamentos de ruptura por censura, desenvolvimento de streamers e capacidade de suportar impulsos de formas padrão, em vez de imunidade do equipamento. O mecanismo por trás da construção dos geradores de impulso e o princípio de funcionamento são vitais para gerar dados úteis sobre a resistência do isolamento.

Formas de onda de impulso padrão e configuração do gerador

O teste de tensão de impulso baseia-se no uso de definições padronizadas de formas de onda que representam a realidade no mundo transitório. A mais comum é a forma de onda de impulso de raio, que possui um tempo de subida acentuado e um tempo de decaimento mais lento, geralmente expresso em microssegundos: 1.2 microssegundos até o pico e 50 microssegundos até a metade do valor. As formas de onda de impulso de manobra são formas de onda com períodos de subida e decaimento mais longos, com aplicações em dispositivos de ultra-alta tensão, onde os raios se comparam aos incidentes de manobra.
Cada uma dessas formas de onda é gerada por um gerador de tensão de impulso que carrega um banco de capacitores até uma tensão específica e, em seguida, o descarrega em uma rede de resistores e capacitores que controla a forma de onda. Esse arranjo regula a parte frontal e traseira do impulso. Uma razão comum para a popularidade das configurações do gerador Marx era a facilidade com que se podiam empilhar tensões de carga relativamente baixas em série durante a descarga, a fim de produzir tensões de saída extremamente altas.
A capacitância, indutância e resistência parasitas no projeto de geradores devem ser levadas em consideração, pois distorcem a forma de onda. Esses elementos parasitas tornam-se mais fortes com o aumento dos níveis de tensão. Portanto, um projeto físico meticuloso e a escolha criteriosa dos componentes são essenciais para garantir que o impulso fornecido esteja dentro das tolerâncias padrão. Isso difere de um gerador de surtos de alta tensão de uso geral, utilizado para testar sistemas de impulsos EMC. Os sistemas de impulsos EMC são otimizados para fidelidade da forma de onda em tensões muito altas, e não para taxa de repetição ou automação.

Configuração do circuito de teste e técnicas de medição

A determinação da resistência do isolamento não envolve apenas a geração de um impulso. O arranjo do circuito de teste determina a distribuição da tensão e identifica a falha do circuito. O gerador de tensão de impulso é conectado ao equipamento de alta tensão por meio de cabos de teste projetados para reduzir o efeito corona e a descarga parcial. O afastamento e a blindagem adequados evitam a ocorrência de arcos voltaicos fora do objeto de teste, o que invalidaria os resultados.
Geralmente, as medições são feitas com divisores de tensão capacitivos ou resistivos conectados a osciloscópios de alta frequência. Esses divisores devem ser calibrados e a resposta ao impulso deve ser projetada (para garantir que reproduzam a frente rápida sem ficarem muito presos ou atenuados). As medições existentes também podem ser aplicadas na identificação do início da ruptura ou na análise do comportamento da descarga em caso de arco voltaico.
O aterramento é fundamental. O circuito de aterramento ou circuito de retorno deve apresentar baixa impedância e ser bem definido para evitar reflexões que distorcem a forma do impulso. O aterramento inadequado do plano de terra e a ligação equipotencial representam um custo para pequenas fábricas devido aos erros de medição relacionados ao aterramento e ao risco inerente de falhas de segurança nos laboratórios de teste. Ao contrário dos testes de surto de EMC, nos quais redes de acoplamento são usadas para especificar a condição de impedância, os testes de condição dependem de configurações de campo livre e geometria física precisa.

Procedimentos de teste e avaliação da resistência do isolamento

Os procedimentos de teste de impulso passam por padronização para que possam ser comparados entre laboratórios. Um exemplo de sequência de teste normalmente consiste em aplicar uma série de impulsos em níveis de tensão crescentes até atingir a tensão de teste necessária. O isolamento é projetado de forma a suportar um número fixo de impulsos antes de se romper. Utilizam-se impulsos de polaridade positiva e negativa, uma vez que a polaridade afeta o desenvolvimento e a intensidade dos streamers.
Existe uma diferença nos critérios de avaliação entre ruptura interna e arco voltaico externo. Em algumas situações, o arco voltaico externo no ar ou nas superfícies pode ser aceitável, desde que não danifique o equipamento. A falha ocorre como resultado de uma ruptura interna no isolamento sólido ou líquido. Sinais acústicos e a análise da forma de onda, úteis no exame visual, auxiliam na determinação do tipo de evento.
O condicionamento também é observado quando se trata do uso repetido de impulsos. Alguns se tornam mais resistentes após os impulsos iniciais como resultado da secagem ou redistribuição de carga, enquanto outros se deterioram progressivamente. A documentação dos parâmetros das formas de onda e do comportamento de ruptura ao longo da sequência fornece informações sobre a qualidade do isolamento e a consistência do processo de produção.

Desafios práticos e comparação com geradores de surto

A operação de um gerador de tensão de impulso apresenta desafios práticos diferentes daqueles que surgem com a operação de um gerador de surtos de alta tensão em testes de EMC. Os sistemas de impulso possuem classificações de tensão muito mais elevadas, geralmente frequências de repetição mais baixas e maiores margens de segurança. O tempo de preparação e o conhecimento técnico do operador, portanto, constituem um elemento importante.
A verificação da forma de onda é mais complexa, pois, em centenas de quilovolts, são necessários divisores e osciloscópios especiais. O comportamento da ruptura dielétrica no ar é determinado pelas condições ambientais, incluindo umidade, pressão e temperatura, e deve ser registrado. Essas variáveis ​​não são tão críticas em testes de surto de EMC, onde as tensões são menores e o equipamento está em um invólucro.
Com essa mudança, existe uma sobreposição conceitual. Geradores de impulso e de surto são ambos baseados na descarga regulada de energia e na modelagem das formas de onda. Sistemas complementares com filosofia de projeto e ideias de segurança semelhantes são frequentemente fornecidos por diferentes fornecedores de equipamentos de laboratório. Empresas como LISUN Realizar testes de alta tensão e surtos, que podem auxiliar o laboratório que atua na área de avaliação de isolamento e EMC sem infringir os requisitos.

Figura: Gerador de tensão de impulso

Coordenação de isolamento

Os testes de geradores de tensão de impulso influenciam diretamente a tomada de decisões sobre a coordenação do isolamento. A resistência determinada em laboratório orienta o dimensionamento das folgas dos dispositivos de proteção e as margens de segurança dos sistemas de energia. Os resultados dos testes são comparados com as estimativas de sobretensão dos sistemas, visando garantir proteção adequada a um custo razoável por parte dos engenheiros.
Os resultados devem ser generalizados com cautela. As condições em laboratório são diferentes das condições de serviço, onde tanto o envelhecimento por poluição quanto o estresse mecânico coexistem. Portanto, os testes de impulso não substituem, mas complementam os testes de envelhecimento de longo prazo e de descarga parcial. Com esses métodos, é possível obter uma perspectiva muito ampla sobre o desempenho dos isolamentos ao longo do tempo.
Documentação e auditabilidade são necessárias. Os relatórios de teste de parâmetros de forma de onda contêm as condições ambientais e o comportamento observado. Esses documentos são úteis para certificação e oferecem um padrão de referência quando o equipamento precisa de reforma ou atualização.

Conclusão

O uso de gerador de tensão de impulso As técnicas de medição de impulsos ainda são fundamentais para medir a resistência do isolamento em equipamentos de alta tensão. A reprodução do comportamento dielétrico, inatingível por testes em regime permanente, é obtida através da reprodução de tensões transitórias padronizadas. A configuração adequada do gerador, a medição cuidadosa e a interpretação criteriosa dos resultados garantem a obtenção de dados que refletem a capacidade real de isolamento. Embora semelhantes em princípio a um gerador de surtos de alta tensão, os sistemas de impulsos têm um propósito diferente, voltado para a integridade dielétrica. Quando implementados rigorosamente, eles contribuem para um projeto seguro, confiável e economicamente viável da infraestrutura de energia de alta tensão.