Lightning causes important transient disturbances on transmission and distribution systems, with consequent damages to equipment, outages, and general decrease of the power quality. The assessment of the lightning dielectric strength of power equipment is generally based on tests performed using the standard lightning impulse voltage (1.2 / 50 µs waveshape), although the characteristics of the lightning overvoltages depend on many parameters and may vary widely. The behavior of insulators when subject to non-standard impulses depends both on the voltage amplitude and waveshape, and therefore a reliable model is required to produce the corresponding volt-time curves. Although there is no method universally accepted for this purpose, one of the most used is the Disruptive Effect (DE) model, which is based on the integration method concept. The application of this model involves the estimation of some parameters for which different procedures have been proposed in the literature, as for instance the procedures by Darveniza and Vlastos, by Hileman, by Chowdhuri et al., and by Ancajima et al. Tests of representative lightning overvoltages were performed to obtain the critical flashover overvoltages (CFO) and the volt-time curves of typical porcelain pin-type insulators considering three standard medium-voltage distribution classes (15 kV, 24 kV, and 36 kV) and five impulse voltage waveshapes, of both polarities. These tests provided data for the analyses of the insulators\' behavior and the results obtained using the different procedures for estimating the DE parameters. It is shown that in some cases insulator flashover is not predicted. A new method is then developed and proposed for evaluating the dielectric behavior of MV insulators. The method is validated using the typical insulators of the three voltage classes and the five lightning impulse voltages considered, of positive and negative polarities. The calculated volt-time curves showed in general a good agreement with the measured results for all the cases studied. The mean difference between the measured and calculated times to breakdown, for all the cases considered, was about 1.3 s; while the maximum difference was 4.0 s. The application of the proposed method to evaluate the occurrence of insulator flashovers in the shield wire line (SWL) system implemented in the State of Rondônia due to nearby lightning strikes supports previous conclusions that indicate that lightning has a significant impact on the SWL system performance in regions with high ground flash density. / Descargas atmosféricas produzem distúrbios transitórios significativos em sistemas de transmissão e distribuição, com consequentes danos em equipamentos, interrupções e redução geral na qualidade de energia elétrica. A avaliação da suportabilidade dielétrica frente às descargas atmosféricas do equipamento de potência é geralmente baseada em ensaios realizados usando o impulso atmosférico de tensão normalizada (forma de onda 1.2 / 50 µs), contudo as características das sobretensões atmosféricas dependem de muitos parâmetros e podem variar amplamente. O comportamento dos isoladores quando sujeitos a impulsos não normalizados depende tanto da magnitude como da forma de onda da tensão, e então um modelo confiável é necessário para se obter as curvas tensão-tempo correspondentes. Embora não haja um método universalmente aceito para essa finalidade, um dos mais utilizados é o modelo de Efeito Disruptivo (DE), que é baseado no conceito do método de integração. A aplicação desse modelo envolve a estimativa de alguns parâmetros para os quais diferentes procedimentos têm sido propostos na literatura, como por exemplo, os procedimentos de Darveniza e Vlastos, de Hileman, de Chowdhuri et al. e de Ancajima et al. Ensaios de sobretensões atmosféricas representativas foram feitos para obter as tensões de descarga disruptiva (CFO) e as curvas de tensão-tempo de isoladores de porcelana típicos, tipo pino, considerando três classes de tensão de distribuição de média tensão (15 kV, 24 kV e 36 kV) e cinco formas de onda de impulso de tensão, de ambas as polaridades. Estes ensaios proporcionaram dados para as análises do comportamento dos isoladores e os resultados obtidos usando os diferentes procedimentos para estimar os parâmetros necessários para a aplicação do modelo do Efeito Disruptivo. É mostrado que em alguns casos a disrupção no isolador não é prevista por tais procedimentos. Um novo método é, então, desenvolvido e proposto para avaliar o comportamento dielétrico dos isoladores de média tensão. O método é validado usando os isoladores típicos das três classes de tensão e as cinco formas de tensões de impulso atmosféricos consideradas, de polaridades positiva e negativa. As curvas tensão-tempo calculadas mostraram, em geral, boa concordância com os resultados medidos para todos os casos estudados. A diferença média entre os tempos de disrupção medidos e calculados, para todos os casos considerados, foi da ordem de 1,3 s; enquanto a máxima diferença foi de 4,0 s. A aplicação do método proposto para avaliar a ocorrência de disrupções em isoladores do Sistema de Cabo Para-raios Energizados (PRE), implementado no estado de Rondônia, devido a descargas atmosféricas indiretas, apoia as conclusões previamente obtidas que indicam que as descargas atmosféricas têm impacto significativo sobre o desempenho do sistema PRE em regiões com alta densidade de descargas para solo.

As linhas de distribuição de energia estão freqüentemente expostas a sobretensões causadas por descargas atmosféricas diretas e indiretas. As formas de onda dessas sobretensões têm uma faixa de variação muito ampla e podem diferir bastante do impulso atmosférico normalizado utilizado em ensaios para verificação da adequação dos projetos das isolações dos equipamentos frente a sobretensões atmosféricas (1,2 / 50 microssegundos). É fato conhecido que a suportabilidade das isolações depende não só da amplitude como da forma de onda das solicitações. Diferentes modelos têm sido propostos para se estimar o desempenho das isolações frente a impulsos não normalizados, sendo o modelo do efeito disruptivo (disruptive effect model) um dos mais utilizados. Existem, contudo, diferentes métodos de aplicação desse modelo, ou seja, diferentes formas de se estimar os parâmetros necessários para a sua aplicação. Este trabalho visa avaliar o comportamento dielétrico de isoladores de média tensão e analisar os principais métodos para estimativa da suportabilidade desses equipamentos frente a sobretensões atmosféricas com formas de onda diferentes da normalizada. Para essa avaliação foram realizados ensaios em um isolador tipo pino, de porcelana, com tensão nominal de 15 kV, nos quais foram utilizadas, além do impulso atmosférico normalizado, outras ondas selecionadas com base em resultados de medição e de cálculo. Modificações realizadas no circuito de um gerador de impulsos de alta tensão convencional permitiram a geração de tensões com formas de onda bastante semelhantes às de sobretensões induzidas por descargas atmosféricas tanto em linhas de tamanho natural como em experimentos realizados com modelo reduzido. São apresentados e discutidos os resultados dos ensaios de tensão disruptiva de impulso atmosférico a 50 % e as curvas tensão-tempo (U x t) obtidas para cada impulso, considerando ambas as polaridades. A avaliação dos métodos de aplicação do modelo do efeito disruptivo foi realizada com base em comparações entre as curvas tensão-tempo obtidas nos ensaios e as curvas previstas por cada modelo, para cada uma das ondas selecionadas. / Overhead distribution lines are often exposed to lightning overvoltages, whose waveshapes vary widely and can differ substantially from the standard impulse voltage waveshape used to test electric equipment insulation against lightning surges (1.2 / 50 microseconds wave). It is well known that the voltage withstand capability of insulation depends not only on the amplitude but also on the voltage waveshape. Different models have been proposed for predicting the strength of insulation subjected to impulses of non-standard waveshapes. One of the most commonly used is the \"disruptive effect model\". There are, however, different methods of applying this model, that is, different ways of estimating the parameters needed for its application. This thesis aims at evaluating the dielectric behavior of medium voltage insulators subjected to impulses of non-standard waveshapes, as well as at evaluating the main methods for predicting their dielectric strength against such impulses. For the analysis, tests were performed on a pin type porcelain insulator with rated voltage of 15 kV, using, besides the standard lightning impulse voltage waveshape, other s waveshapes selected based on the characteristics of measured and calculated lightning overvoltages. Modifications made to the circuit of a conventional impulse voltage generator allowed to obtain voltage waveshapes very similar to those of lightning-induced voltages measured in experiments conducted both in lines of natural size and in reduced model. The test results relative to the critical lightning impulse flashover voltage (U50) and the volt-time characteristics obtained for the positive and negative polarities of each waveshape are presented and discussed. The evaluation of the methods of determining the parameters of the disruptive effect model was based on comparisons between the volt-time curves obtained from the laboratory tests and those predicted by each method, for each of the selected voltage waveshapes.

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Lightning causes important transient disturbances on transmission and distribution systems, with consequent damages to equipment, outages, and general decrease of the power quality. The assessment of the lightning dielectric strength of power equipment is generally based on tests performed using the standard lightning impulse voltage (1.2 / 50 µs waveshape), although the characteristics of the lightning overvoltages depend on many parameters and may vary widely. The behavior of insulators when subject to non-standard impulses depends both on the voltage amplitude and waveshape, and therefore a reliable model is required to produce the corresponding volt-time curves. Although there is no method universally accepted for this purpose, one of the most used is the Disruptive Effect (DE) model, which is based on the integration method concept. The application of this model involves the estimation of some parameters for which different procedures have been proposed in the literature, as for instance the procedures by Darveniza and Vlastos, by Hileman, by Chowdhuri et al., and by Ancajima et al. Tests of representative lightning overvoltages were performed to obtain the critical flashover overvoltages (CFO) and the volt-time curves of typical porcelain pin-type insulators considering three standard medium-voltage distribution classes (15 kV, 24 kV, and 36 kV) and five impulse voltage waveshapes, of both polarities. These tests provided data for the analyses of the insulators\' behavior and the results obtained using the different procedures for estimating the DE parameters. It is shown that in some cases insulator flashover is not predicted. A new method is then developed and proposed for evaluating the dielectric behavior of MV insulators. The method is validated using the typical insulators of the three voltage classes and the five lightning impulse voltages considered, of positive and negative polarities. The calculated volt-time curves showed in general a good agreement with the measured results for all the cases studied. The mean difference between the measured and calculated times to breakdown, for all the cases considered, was about 1.3 s; while the maximum difference was 4.0 s. The application of the proposed method to evaluate the occurrence of insulator flashovers in the shield wire line (SWL) system implemented in the State of Rondônia due to nearby lightning strikes supports previous conclusions that indicate that lightning has a significant impact on the SWL system performance in regions with high ground flash density. / Descargas atmosféricas produzem distúrbios transitórios significativos em sistemas de transmissão e distribuição, com consequentes danos em equipamentos, interrupções e redução geral na qualidade de energia elétrica. A avaliação da suportabilidade dielétrica frente às descargas atmosféricas do equipamento de potência é geralmente baseada em ensaios realizados usando o impulso atmosférico de tensão normalizada (forma de onda 1.2 / 50 µs), contudo as características das sobretensões atmosféricas dependem de muitos parâmetros e podem variar amplamente. O comportamento dos isoladores quando sujeitos a impulsos não normalizados depende tanto da magnitude como da forma de onda da tensão, e então um modelo confiável é necessário para se obter as curvas tensão-tempo correspondentes. Embora não haja um método universalmente aceito para essa finalidade, um dos mais utilizados é o modelo de Efeito Disruptivo (DE), que é baseado no conceito do método de integração. A aplicação desse modelo envolve a estimativa de alguns parâmetros para os quais diferentes procedimentos têm sido propostos na literatura, como por exemplo, os procedimentos de Darveniza e Vlastos, de Hileman, de Chowdhuri et al. e de Ancajima et al. Ensaios de sobretensões atmosféricas representativas foram feitos para obter as tensões de descarga disruptiva (CFO) e as curvas de tensão-tempo de isoladores de porcelana típicos, tipo pino, considerando três classes de tensão de distribuição de média tensão (15 kV, 24 kV e 36 kV) e cinco formas de onda de impulso de tensão, de ambas as polaridades. Estes ensaios proporcionaram dados para as análises do comportamento dos isoladores e os resultados obtidos usando os diferentes procedimentos para estimar os parâmetros necessários para a aplicação do modelo do Efeito Disruptivo. É mostrado que em alguns casos a disrupção no isolador não é prevista por tais procedimentos. Um novo método é, então, desenvolvido e proposto para avaliar o comportamento dielétrico dos isoladores de média tensão. O método é validado usando os isoladores típicos das três classes de tensão e as cinco formas de tensões de impulso atmosféricos consideradas, de polaridades positiva e negativa. As curvas tensão-tempo calculadas mostraram, em geral, boa concordância com os resultados medidos para todos os casos estudados. A diferença média entre os tempos de disrupção medidos e calculados, para todos os casos considerados, foi da ordem de 1,3 s; enquanto a máxima diferença foi de 4,0 s. A aplicação do método proposto para avaliar a ocorrência de disrupções em isoladores do Sistema de Cabo Para-raios Energizados (PRE), implementado no estado de Rondônia, devido a descargas atmosféricas indiretas, apoia as conclusões previamente obtidas que indicam que as descargas atmosféricas têm impacto significativo sobre o desempenho do sistema PRE em regiões com alta densidade de descargas para solo.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / A busca por soluções mitigatórias, no que tange aos efeitos das sobretensões transitórias atreladas às manobras de energizações e religamentos das linhas de transmissão, contemplam um tema desafiador e com fortes impactos sobre a coordenação de isolamento dos sistemas elétricos. Muito embora o reconhecimento de propostas clássicas e comerciais para a atenuação destes fenômenos, outras possibilidades, certamente, ainda são meritórias de destaque e investigações. Neste contexto, a presente dissertação encontra-se alicerçada na exposição dos fundamentos físicos e matemáticos de uma estratégia baseada em chaveamentos controlados, cujos instantes para o religamento da linha são pré-programados. A avaliação computacional da eficácia da metodologia é realizada utilizando o simulador ATP, no qual são efetuados estudos em um sistema elétrico típico submetido à curtos-circuitos sucedidos por desligamentos e subsequentes religamentos, sob a ação da tecnologia aqui focada e na ausência da mesma. / The search for mitigation solutions, with respect to the effects of overvoltages linked to the energization and reclosing maneuvers of transmission lines include a challenging subject with strong impact on the insulation coordination of electrical systems. Although the recognition of classical and commercial proposals to mitigate these phenomena, other possibilities are certainly still worthwhile highlighting and investigations. In this context, the present work is grounded in the exposure of the physical and mathematical foundations of a strategy based on controlled switchings, whose moments to the line reclosing are pre-programmed. The computational evaluation of the effectiveness of the methodology is made using the ATP simulator, which are studies in a typical electrical system subjected to the action of short-circuits fallowed by shutdowns and subsequent reclosing, under the action of technology here focused and lack thereof. / Dissertação (Mestrado)

As linhas de distribuição de energia estão freqüentemente expostas a sobretensões causadas por descargas atmosféricas diretas e indiretas. As formas de onda dessas sobretensões têm uma faixa de variação muito ampla e podem diferir bastante do impulso atmosférico normalizado utilizado em ensaios para verificação da adequação dos projetos das isolações dos equipamentos frente a sobretensões atmosféricas (1,2 / 50 microssegundos). É fato conhecido que a suportabilidade das isolações depende não só da amplitude como da forma de onda das solicitações. Diferentes modelos têm sido propostos para se estimar o desempenho das isolações frente a impulsos não normalizados, sendo o modelo do efeito disruptivo (disruptive effect model) um dos mais utilizados. Existem, contudo, diferentes métodos de aplicação desse modelo, ou seja, diferentes formas de se estimar os parâmetros necessários para a sua aplicação. Este trabalho visa avaliar o comportamento dielétrico de isoladores de média tensão e analisar os principais métodos para estimativa da suportabilidade desses equipamentos frente a sobretensões atmosféricas com formas de onda diferentes da normalizada. Para essa avaliação foram realizados ensaios em um isolador tipo pino, de porcelana, com tensão nominal de 15 kV, nos quais foram utilizadas, além do impulso atmosférico normalizado, outras ondas selecionadas com base em resultados de medição e de cálculo. Modificações realizadas no circuito de um gerador de impulsos de alta tensão convencional permitiram a geração de tensões com formas de onda bastante semelhantes às de sobretensões induzidas por descargas atmosféricas tanto em linhas de tamanho natural como em experimentos realizados com modelo reduzido. São apresentados e discutidos os resultados dos ensaios de tensão disruptiva de impulso atmosférico a 50 % e as curvas tensão-tempo (U x t) obtidas para cada impulso, considerando ambas as polaridades. A avaliação dos métodos de aplicação do modelo do efeito disruptivo foi realizada com base em comparações entre as curvas tensão-tempo obtidas nos ensaios e as curvas previstas por cada modelo, para cada uma das ondas selecionadas. / Overhead distribution lines are often exposed to lightning overvoltages, whose waveshapes vary widely and can differ substantially from the standard impulse voltage waveshape used to test electric equipment insulation against lightning surges (1.2 / 50 microseconds wave). It is well known that the voltage withstand capability of insulation depends not only on the amplitude but also on the voltage waveshape. Different models have been proposed for predicting the strength of insulation subjected to impulses of non-standard waveshapes. One of the most commonly used is the \"disruptive effect model\". There are, however, different methods of applying this model, that is, different ways of estimating the parameters needed for its application. This thesis aims at evaluating the dielectric behavior of medium voltage insulators subjected to impulses of non-standard waveshapes, as well as at evaluating the main methods for predicting their dielectric strength against such impulses. For the analysis, tests were performed on a pin type porcelain insulator with rated voltage of 15 kV, using, besides the standard lightning impulse voltage waveshape, other s waveshapes selected based on the characteristics of measured and calculated lightning overvoltages. Modifications made to the circuit of a conventional impulse voltage generator allowed to obtain voltage waveshapes very similar to those of lightning-induced voltages measured in experiments conducted both in lines of natural size and in reduced model. The test results relative to the critical lightning impulse flashover voltage (U50) and the volt-time characteristics obtained for the positive and negative polarities of each waveshape are presented and discussed. The evaluation of the methods of determining the parameters of the disruptive effect model was based on comparisons between the volt-time curves obtained from the laboratory tests and those predicted by each method, for each of the selected voltage waveshapes.