Gerador de Impulso Repetitivo: avaliação da isolação e da compatibilidade eletromagnética por resposta ao impulso

Resumo executivo

Todo equipamento conectado ao sistema elétrico será, em algum momento de sua vida útil, submetido a sobretensões transitórias de origem atmosférica ou de manobra. A capacidade da isolação de suportar esses esforços é verificada por ensaios de impulso — e a experiência de laboratório mostra que grande parte do trabalho de engenharia acontece antes do impulso pleno: na definição da forma de onda sobre o objeto real, na verificação da resposta dos enrolamentos e na preparação da cadeia de medição. É exatamente nesse território que atua o gerador de impulso repetitivo, também conhecido como gerador de impulso recorrente ou RSO (Recurrent Surge Oscillograph).

Este white paper apresenta os fundamentos do impulso atmosférico normalizado 1,2/50 µs segundo a IEC 60060-1, a técnica de ensaios repetitivos de baixa energia para levantamento da resposta ao impulso de enrolamentos e sistemas de isolação, e a conexão dessa mesma base tecnológica com os ensaios de compatibilidade eletromagnética (EMC) das normas IEC 61000-4-4 e IEC 61000-4-5. Ao final, descreve o Gerador de Impulso Repetitivo HVEX — solução portátil, com controle remoto pelo software HVEX LIAS — e as boas práticas de arranjo de ensaio que garantem medições reprodutíveis e comparáveis.

1. Por que avaliar a resposta ao impulso antes do impulso pleno

O ensaio de tensão suportável de impulso atmosférico é um ensaio de tipo consagrado: aplica-se ao objeto uma série de impulsos plenos com valor de crista definido pelo nível básico de isolamento (NBI) e verifica-se a ausência de disrupção. Trata-se, porém, de um ensaio de alto estresse, executado em geradores de Marx de grande porte, no qual cada aplicação solicita severamente a isolação. Chegar a esse ensaio sem conhecer a resposta do objeto é arriscado e caro: um ajuste inadequado de forma de onda ou uma oscilação não prevista pode reprovar indevidamente o protótipo — ou, pior, mascarar um defeito real.

O gerador de impulso repetitivo resolve esse problema invertendo a lógica: em vez de poucos impulsos de alta energia, aplica dezenas ou centenas de impulsos por segundo com amplitude reduzida — tipicamente de centenas de volts a poucos quilovolts — e forma de onda idêntica à normalizada. Como a resposta em frequência de um enrolamento é essencialmente linear nessa faixa, a distribuição de tensão medida em baixa amplitude reproduz, em escala, a distribuição que ocorrerá no ensaio pleno. A técnica é empregada há décadas pela indústria de transformadores e máquinas rotativas: o guia IEEE Std C57.12.58 normatiza o levantamento da resposta transitória de enrolamentos por gerador de surto recorrente [3], e a literatura registra seu uso sistemático na detecção de espiras em curto em rotores de turbogeradores [6].

Há ainda uma segunda frente de aplicação, cada vez mais relevante: os ensaios de imunidade a transitórios rápidos e a surtos — exigidos pelas normas da família IEC 61000-4 para praticamente todo equipamento eletrônico embarcado no sistema elétrico, de relés de proteção a sensores IoT. A base tecnológica é a mesma: geração controlada e repetitiva de impulsos com frente rápida e energia limitada [4][5].

2. O impulso atmosférico normalizado 1,2/50 µs

A IEC 60060-1 define o impulso atmosférico pleno normalizado por dois parâmetros virtuais de tempo, ilustrados na Figura 1. O tempo de frente T1 é definido como 1,67 vezes o intervalo entre os instantes em que a tensão atinge 30 % e 90 % do valor de crista, com valor nominal de 1,2 µs e tolerância de ±30 %. O tempo até o meio valor T2 é o intervalo entre a origem virtual e o instante, na cauda, em que a tensão decresce a 50 % da crista, com valor nominal de 50 µs e tolerância de ±20 %. A tolerância admitida para o valor de crista é de ±3 % [1]. A medição desses parâmetros exige sistemas de medição qualificados conforme a IEC 60060-2, com divisores e registradores de resposta dinâmica comprovada [2].

Figura 1 – Impulso atmosférico pleno normalizado 1,2/50 µs, com definição dos tempos de frente (T1) e de meio valor (T2) e tolerâncias da IEC 60060-1. Elaboração: HVEX, com base em [1].

A geração do impulso segue o princípio clássico do circuito de Marx: um capacitor de carregamento é carregado em corrente contínua e descarregado, através de um centelhador, sobre uma rede de resistores. O resistor de frente, em conjunto com a capacitância do objeto e do divisor, define o tempo de frente; o resistor de cauda, em conjunto com o capacitor de carregamento, define o tempo até o meio valor. Como a forma de onda resultante depende da carga, cada objeto exige um ajuste específico da combinação de resistores — e é precisamente esse ajuste que o gerador repetitivo permite explorar com rapidez e segurança, antes de comprometer o gerador de alta tensão.

3. Ensaios repetitivos de baixa energia e resposta de enrolamentos

No ensaio de resposta ao impulso, o gerador repetitivo é conectado ao terminal do enrolamento sob estudo e o osciloscópio registra, simultaneamente, a tensão aplicada e as tensões (ou correntes) em pontos de interesse: derivações, neutro, enrolamentos adjacentes, seções internas em protótipos instrumentados. Como o impulso se repete continuamente, a imagem na tela é estável e o engenheiro pode variar resistores, conexões e aterramentos observando o efeito em tempo real — um ciclo de iteração impraticável com o gerador de impulso pleno.

3.1 Aplicações típicas da técnica

•       Definição da distribuição inicial de tensão ao longo do enrolamento de transformadores, identificando regiões de gradiente elevado que orientam o projeto da isolação entre espiras e entre discos [3];

•       Pré-ajuste da forma de onda 1,2/50 µs sobre o objeto real, com escolha da combinação de resistores de frente e de cauda antes do ensaio pleno de NBI;

•       Verificação da cadeia de medição — divisor, cabo coaxial, atenuadores e osciloscópio — incluindo tempo de resposta e casamento de impedância, conforme requisitos da IEC 60060-2 [2];

•       Detecção de espiras em curto em rotores de geradores síncronos pelo método RSO: impulsos são injetados simultaneamente nas duas extremidades do enrolamento de campo e a comparação das duas respostas revela assimetrias associadas ao defeito, mesmo com a máquina parada ou em giro lento [6];

•       Diagnóstico comparativo tipo assinatura: a resposta ao impulso registrada no comissionamento serve de referência (baseline) para inspeções futuras, na mesma filosofia da análise de resposta em frequência.

3.2 Boas práticas de arranjo de ensaio

A qualidade do resultado depende menos do gerador e mais do arranjo. A Figura 2 mostra o esquema recomendado: gerador, objeto sob ensaio, divisor de tensão e sistema de aquisição compartilhando uma malha de terra única e de baixa impedância. As conexões de alta tensão devem ser curtas e diretas, minimizando laços indutivos que introduzem oscilações espúrias na frente da onda. O cabo entre o divisor e o osciloscópio deve ser coaxial, com casamento de impedância na terminação, e o registrador deve ter largura de banda compatível com a frente de 1,2 µs — na prática, dezenas de megahertz. Recomenda-se ainda registrar sempre a tensão de entrada junto com cada resposta, para que os resultados sejam expressos em razão (função de transferência) e não em valores absolutos, eliminando o efeito de pequenas variações do gerador [2][3].

Figura 2 – Arranjo esquemático do ensaio de resposta ao impulso: gerador repetitivo, objeto sob ensaio, divisor de tensão e osciloscópio sobre malha de terra única. Elaboração: HVEX, com base em [2][3].

4. Compatibilidade eletromagnética: IEC 61000-4-4 e IEC 61000-4-5

Os mesmos fenômenos que ameaçam a isolação — descargas atmosféricas e chaveamentos — também produzem interferência conduzida e irradiada sobre a eletrônica embarcada. A norma IEC 61000-4-4 trata da imunidade a transitórios elétricos rápidos em rajada (EFT/burst): trens de impulsos de frente de 5 ns e duração de 50 ns, repetidos a taxas de 5 kHz a 100 kHz, que simulam o chaveamento de cargas indutivas e o ricochete de contatos [4]. Já a IEC 61000-4-5 especifica o ensaio de imunidade a surtos com o gerador de onda combinada, que entrega 1,2/50 µs em circuito aberto e 8/20 µs em curto-circuito, simulando o acoplamento de descargas atmosféricas em linhas de alimentação e de sinal [5].

Para o fabricante de equipamentos e para laboratórios de certificação, isso significa que a avaliação completa de um produto exige tanto o olhar dielétrico (suportabilidade da isolação ao impulso pleno) quanto o olhar de EMC (imunidade funcional a surtos repetitivos de baixa energia). Um gerador de impulso repetitivo bem projetado cobre a interseção dessas duas necessidades: permite ensaios de surtos absorvidos e irradiados, ensaios de impulso de tensão 1,2/50 µs e de corrente 8/20 µs em dispositivos de proteção, como para-raios, centelhadores e DPS [7].

5. O Gerador de Impulso Repetitivo HVEX

O Gerador de Impulso Repetitivo HVEX é a materialização dessa filosofia de ensaio em um equipamento portátil e flexível, para uso em campo ou em laboratório. Única fabricante nacional de geradores de impulso, a HVEX projeta cada sistema conforme a aplicação do cliente — desde módulos em rack de 19 polegadas, para impulsos até 5 kV, até unidades sobre rodízios para impulsos até 100 kV — atendendo às normas IEC 60060-1, IEC 60060-2, IEC 60076-11, ABNT NBR 5356-1 e IEEE Std C57.12.01 [7][8].

O equipamento integra fonte elevadora variável, diodo retificador em ambas as polaridades, capacitor de carregamento, resistores de ajuste de forma de onda (frente e cauda) com derivações selecionáveis e divisor resistivo para medição — a arquitetura completa de um gerador de impulso em escala compacta (Figura 2). O sistema HVEX LIAS realiza o controle remoto do ensaio, com aterramento automático, alarmes e relés de proteção, e analisa automaticamente tempos de frente e de meio valor, valor de crista e coeficiente de oscilação, gerando relatórios técnicos em .pdf e .doc [7].

5.1 Aplicações típicas

•       Ensaios de resposta ao impulso e pré-ajuste de forma de onda em transformadores de transmissão, distribuição, proteção e medição;

•       Ensaios de compatibilidade eletromagnética (EMC), incluindo surtos irradiados e absorvidos;

•       Qualificação de para-raios, centelhadores e dispositivos de proteção contra surtos (DPS) com impulsos 1,2/50 µs e 8/20 µs;

•       Avaliação de sistemas de isolação de cabos, buchas, isoladores, disjuntores, capacitores e reatores;

•       Laboratórios de certificação, fabricantes e instituições de ensino e pesquisa em alta tensão.

6. Benefícios operacionais mensuráveis

A incorporação de um gerador de impulso repetitivo à rotina de ensaios produz ganhos diretos: redução expressiva do tempo de preparação do ensaio de impulso pleno, pois o ajuste de resistores e da cadeia de medição é feito previamente em baixa tensão e sem risco ao objeto; menor número de aplicações de alta energia sobre a isolação, preservando a vida útil de protótipos e unidades de produção; detecção antecipada de anomalias de enrolamento — espiras em curto, conexões incorretas, oscilações não previstas — antes que se transformem em reprovações custosas; e rastreabilidade completa, com formas de onda e relatórios armazenados pelo HVEX LIAS para comparação histórica. Para laboratórios que também atendem demandas de EMC, um único sistema portátil cobre ensaios que, de outra forma, exigiriam equipamentos distintos [4][5][7].

7. Conclusão

O ensaio de impulso não começa no gerador de Marx: começa na compreensão da resposta do objeto à onda 1,2/50 µs. O gerador de impulso repetitivo é a ferramenta que constrói essa compreensão com segurança, rapidez e repetibilidade — da distribuição de tensão em enrolamentos à imunidade de equipamentos eletrônicos a surtos, em conformidade com IEC 60060-1, IEC 61000-4-4 e IEC 61000-4-5. Dominar a resposta ao impulso é dominar o próprio ensaio.

O Gerador de Impulso Repetitivo HVEX reúne essa capacidade em uma plataforma portátil, personalizável e com automação embarcada, projetada e fabricada no Brasil. Para conhecer as especificações completas, acesse a página do produto e o datasheet em hvex.com.br, ou agende uma conversa com a equipe técnica da HVEX.

Fotos reais

Referências

[1] IEC 60060-1, High-voltage test techniques – Part 1: General definitions and test requirements. IEC, Genebra.

[2] IEC 60060-2, High-voltage test techniques – Part 2: Measuring systems. IEC, Genebra.

[3] IEEE Std C57.12.58, Guide for Conducting a Transient Voltage Analysis of a Dry-Type Winding. IEEE, Nova York. https://standards.ieee.org/ieee/C57.12.58/11651/

[4] IEC 61000-4-4, Electromagnetic compatibility (EMC) – Testing and measurement techniques – Electrical fast transient/burst immunity test. IEC, Genebra.

[5] IEC 61000-4-5, Electromagnetic compatibility (EMC) – Testing and measurement techniques – Surge immunity test. IEC, Genebra.

[6] Utilization of Repetitive Surge Oscillograph (RSO) in the detection of rotor shorted-turns in large turbine-driven generators. IEEE Conference Publication (IEEE Xplore), 2011. https://ieeexplore.ieee.org/document/5996186/

[7] HVEX. Gerador de Impulso Repetitivo – página do produto. https://hvex.com.br/solutions/laboratorios-de-ensaio/gerador-de-impulso-repetitivo

[8] HVEX. Gerador de Impulso Repetitivo – Datasheet técnico. https://space-website.nyc3.digitaloceanspaces.com/produtos-datasheet/1739890616511-Gerador_de_Impulso_Repetitivo_Datasheet.pdf

[9] HVEX. Técnicas em Alta Tensão – Teoria e Prática (material técnico de treinamento). HVEX, Itajubá, MG.