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Sumário – O objetivo deste trabalho foi o de comentar e analisar a utilização de equipamentos não lineares denominados de pára-raios, discutir os fenômenos e efeitos causados pelas descargas atmosféricas diretas e indiretas em equipamentos do sistema elétrico de potência (SEP).

Termos do Índice – Pára-raios, Descargas Atmosféricas, Direta, Indireta, Sistema de Potência.

I. INTRODUÇÃO A constante evolução dos sistemas elétricos exige das

concessionárias de eletricidade um fornecimento de energia cada vez mais estável e confiável.

Linhas de transmissão de energia são elementos vitais nesta confiabilidade e estão sujeitas a desligamentos temporários provocados por descargas atmosféricas (DA), que causam descargas por superação do nível crítico de tensão (flashover) nos isoladores, levando o disjuntor da subestação alimentadora a desligar a linha.

Os pára-raios para linhas de transmissão (LT) são desenhados para excelente desempenho na proteção contra sobretensões, onde são aplicados diretamente suspensos na linha protegendo os isoladores de suspensão contra "flashover" provocado por DA e para a redução do nível de sobretensão nos condutores das LT, tanto para surtos provocados por DA como para surtos de manobras.

O espectro de agentes envolvidos com os problemas advindos das sobretensões por DA é muito amplo, contemplando os setores de produção, transmissão e distribuição de eletricidade, os consumidores de energia, a indústria do setor eletro-eletrônico, novas indústrias emergentes, parcela do setor científico nacional na área de engenharia e a sociedade civil.

Os efeitos mais importantes decorrem da incidência direta de descargas e da indução eletromagnética gerada por descarga nas proximidades dos pontos de incidência.

As solicitações determinadas por estes efeitos têm natureza diversificada, mas são mais relevantes os riscos à segurança dos seres vivos e o impacto em sistemas eletro-eletrônicos. Têm grande interesse para a engenharia os efeitos das descargas atmosféricas diretas (DAD) em LT e estruturas e os efeitos das descargas atmosféricas indiretas (DAI) nas redes de distribuição de energia e de comunicação, incluindo os danos em equipamentos do sistema elétrico e nas cargas dos consumidores conectados a tais redes. M. R. Santos, aluno de Doutorado – PEA 5761 – Coordenação de isolamento. É funcionário da AES Eletropaulo, Brasil (e-mail: marcos.rosa@AES.com).

II. PRODUTOS E METODOLOGIAS PARA PROTEÇÃO DOS SISTEMAS ELÉTRICOS

Consoante o problema específico com relação à DA,

existem metodologias e produtos de proteção com tal finalidade, destacando-se os dispositivos pára-raios e supressores de surto.

Verifica-se a necessidade de instalação dos dispositivos pára-raios em várias areas, onde a demanda de soluções contra DA é alta:

- Proteção de ambientes e estruturas contra as correntes e tensões associadas à incidência direta de DA;

- Proteção de LT de alta tensão contra a incidência direta de descargas;

- Proteção de redes de média e baixa tensão (redes de distribuição e de telecomunicações) contra tensões induzidas por DA próximas;

- Proteção de equipamentos e dispositivos eletrônicos sensíveis.

A eficácia da solução depende basicamente da consistência

da metodologia, da qualidade do produto de proteção e, sobretudo, das hipóteses assumidas quanto aos parâmetros de DA e do meio circundante, por exemplo:

- Caracterização adequada dos parâmetros de descargas; - Caracterização das sobretensões; - Caracterização de parâmetros do solo nas condições impostas pelas correntes de descarga; - Conhecimento da dinâmica de estabelecimento das solicitações (sobretensões e sobrecorrentes) que acometem os sistemas submetidos aos efeitos das descargas.

III. SOBRETENSÕES ATMOSFÉRICAS Foi escolhida uma ETD de responsabilidade operativa da

AES Eletropaulo para estudo de caso, a subestação Tamoio, localizada na região de Diadema, estado de São Paulo. A ETD TMO possui 35.522 consumidores, 34.361 na região de Diadema e 1.161 em São Bernardo do Campo.

Devido à significância das DA nas saídas de LT, Estações Transformadoras de Distribuição (ETD), Subestações (S/E) e equipamentos, justifica muitos cuidados com estes equipamentos e linhas diante dos surtos atmosféricos. No caso de interrupções, o prejuízo para a concessionária de energia se dará devido às perdas no faturamento, custos sociais, confiabilidade da rede frente aos reguladores oficiais. Já para o consumidor, o prejuízo se dará devido à interrupção de energia e perdas de produção, entre outros fatores.

Evolução de Pára-Raios em Estudos de Sobretensões

PEA 5761 - Marcos Rosa dos Santos - Nº. USP: 5473863 - Coordenação de Isolamento.

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O fenômeno que provoca as descargas atmosféricas tem características particulares. O equacionamento de uma DA é muito complexo devido o raio não possuir forma distinta e constante. A formação de um canal ionizado e chamado de Leader e é estabelecida através da camada de ar entre a nuvem e a terra.

A efetiva passagem da corrente pelo canal ionizado é chamada de corrente de retorno (Return Stroke).

Nas figuras abaixo estão representadas as descargas em função do tipo de carregamento elétrico das nuvens, carregadas com diferentes distribuições de carga.

Fig. 1. Descarga nuvem-terra negativa.

Fig. 2. Descarga nuvem-terra positiva.

Fig. 3. Descarga nuvem-terra negativa.

Fig. 4. Descarga nuvem-terra positiva.

No início, a descarga se dá com formação de um canal LEADER descendente, que se aproxima da terra progressivamente, aumentando o campo elétrico e propiciando uma movimentação ascendente de cargas com polaridade oposta, situadas no solo.

Fig. 5. Descarga atmosférica- formação do canal de descarga.

A suportabilidade do isolamento, associada às sobretensões

atmosféricas, é chamada de “tensão nominal suportável a impacto atmosférico” ou “tensão crítica de descarga”.

A onda utilizada para testes de isolamento, 1,2x50�s representada abaixo, oferece uma idéia dos tempos envolvidos em um fenômeno desta natureza.

Fig. 6. Onda padronizada de impulso atmosférico.

Onde: I: Intensidade da corrente tf: tempo de frente td: tempo de cauda (ou descida)

Em testes de laboratório, frequentemente, é encontrada a forma de onda com exponencial dupla

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que quando se aplica a transformada de Fourier verifica-se a existência de componentes significativas de alta frequência.

Para o cálculo de sobretensões atmosféricas (SA), a onda

pode ser modelada através de um gerador de corrente, incluindo o efeito da impedância do canal em paralelo.

Fig. 7. Representação do impulso atmosférico.

A polaridade (-) é predominante nas DA dos raios em LT.

( ) ( )ttmáx eeUtu βα −− −=

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O comportamento probabilístico das intensidades de corrente de raio, com polaridade (-), pode ser aproximado para corrente entre 5 kA e 200 kA:

(2) Estudando os casos de DA em estruturas que transportam

energia em longas distâncias, maiormente sujeitas às intempéries da natureza, são classificadas em situações críticas as LT e torres metálicas.

Linhas e cabos, quando submetidos à DA, sofrem sobretensões em altas freqüências, na ordem de centenas de Hz.

O cálculo dos parâmetros envolvidos neste fenômeno pode ser realizado através dos métodos tradicionais, levando-se em conta os devidos acoplamentos, o efeito pelicular, a resistividade do solo, etc.

Com relação às torres de LT, estas podem ser modeladas com maior precisão nos resultados quando consideradas as impedâncias de surto e tempo de trânsito das torres. As torres não muito elevadas podem ser representadas com impedâncias concentradas, onde, de acordo com estudos e fórmulas empíricas, na ordem de 70 a 250 �.

Fig. 8. Formas típicas de torres. O cálculo de tempo de trânsito � de torre pode ser obtido

considerando-se o aumento do caminho de propagação devido aos braços desta estrutura. A velocidade de propagação corresponde a 80% da velocidade da luz (c-300 m/�s), porém a sugestão para a simplificação dos cálculos é de se utilizar a própria velocidade da luz, claro que considerando sua geometria.

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Onde: ht: Altura da torre (m) �t: tempo de trânsito da torre

IV. MODELO ELETROGEOMÉTRICO Este artigo trata o estudo de sobretensões em Linhas de

Transmissão, portanto todos os comentários serão para estes equipamentos.

O modelo de cálculo para uma LT foi realizado através dos estudos dos dados extraídos de uma extensa relação de desligamentos, baseando-se na proposição de uma trajetória para o canal do raio.

Esse canal propaga-se continuamente, nem sempre na mesma direção, e na sua ponta existe uma região que pode dar início à descarga, desde que exista algum caminho condutor dentro dessa área. Essa região é definida por uma distância de atração, conforme a figura a seguir, ou seja, o raio atinge o primeiro condutor a penetrar no cone coberto pela distância de atração (strike distance).

Fig. 9. Canal e distância de atração.

Algumas propostas são apresentadas para o comportamento

médio da distância de atração, que é uma função da intensidade da corrente do raio, segundo o modelo eletrogeométrico.

Abaixo a equação da distância de atração para os cabos condutores, cabos-guarda e solo.

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Onde: rs: distância de atração (m) I: amplitude da corrente de raio (kA)

Portanto, uma LT, juntamente com o solo, apresenta as

seguintes envoltórias definidas pelas distâncias de atração, para um determinado nível de corrente.

Fig. 10. Distância de atração.

6,2

311

1

��

���

�+=

IPI

cht

t =τ

65,010Irs =

4

As envoltórias de blindagem mudam conforme o valor da corrente, e para níveis elevados de corrente cresce a proteção dos cabos-guarda, devido a intersecção das curvas dos cabos-guarda com as do solo, permitindo somente descargas nos cabos-guarda ou no solo.

À medida que a corrente diminui, a região que pode causar uma falha de blindagem é evidenciada, aumentando a superfície de exposição dos cabos condutores.

No caso de correntes bem reduzidas, pode-se imaginar pequenos círculos em torno dos condutores, sem nenhuma intersecção, sem blindagem.

Fig. 8. Superfície de exposição em função da corrente de raio.

V. ESTUDO DE CASO O efeito atmosférico tem influência direta em

equipamentos do sistema elétrico de potência. Em períodos de chuvas, onde também ocorrem muitas descargas atmosféricas, os equipamentos do sistema de potência são submetidos a uma maior severidade em função de descargas atmosféricas, ventos, umidade, etc, pois estão totalmente expostos a esses efeitos.

As concessionárias, preocupadas com o desempenho de seus sistemas e, principalmente, com os índices de qualidade estipulados pelos órgãos reguladores, elaboram planos de manutenção preventiva e corretiva em preservação se seus equipamentos nestas ocasiões.

Os sistemas de aterramento de subestações, bem como de seus equipamentos, necessitam da aplicação de técnicas muito elaboradas para a minimização de fenômenos como tensão de passo e tensão de toque, preservando as condições adequadas de manobras.

Outro equipamento que sofre ações severas dos efeitos atmosféricos é a LT. Estes equipamentos, por atravessar regiões de matas, campos abertos, lagos, etc, se tornam, muitas vezes, o ponto de descarga dos raios, estes podendo atingir a torre, ou mesmo os próprios condutores.

Portanto, será feita uma análise para o período de dois anos para duas linhas de transmissão de 88 kV, onde serão apresentados os desligamentos, as causas, montante de carga interrompida, tempo de interrupção e as condições atmosféricas no momento dos desligamentos.

Para efeito de segurança, serão preservados os nomes das linhas, bem como suas fontes de alimentação. Essas linhas serão chamadas neste trabalho de circuitos 1 e 2.

Abaixo, as tabelas descritivas referente aos desligamentos.

Tab. 1. Dados estatísticos da LT n.º 1 de 88 kV.

Tab. 2. Dados estatísticos da LT n.º 2 de 88 kV.

Cada desligamento descrito nas tabelas 1 e 2 reflete a real

situação da operação da subtransmissão em tempo real, com suas causas e conseqüências.

Abaixo, estão apresentados os gráficos dos circuitos por data e montante de carga interrompida.

Fig. 9. Gráfico de interrupção de carga da LT n.º ‘1 de 88 kV.

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Fig. 10. Gráfico de interrupção de carga da LT n.º ‘2 de 88 kV.

Com o elevado índice de desligamentos causados por

descargas atmosféricas, decidiu-se implantar pára-raios em dois trechos da LT n.º 2, aproveitando resultados de projeto de pesquisa e desenvolvimento “Repotencialização de Linhas de Transmissão e Melhoria de Desempenho”.

Abaixo, foto da instalação dos pára-raios, realizada em 31/01/2009.

Fig. 11. Fotografia do pára-raios instalado na LT n.º 2 de 88 kV.

Fig. 12. Fotografia do pára-raios instalado na LT n.º 2 de 88 kV.

Analisando os desligamentos da LT n.º 2, separando-os

por períodos de 12 meses, verifica-se que no ano de 2007, 80% dos desligamentos foram classificados como “Defeito transitório”. No ano de 2008 ocorreu apenas um desligamento classificado como defeito transitório, que foi responsável por 25% dos desligamentos.

Já no ano de 2009, contabilizando os dados até o oitavo dia do mês de dezembro, houve somente um desligamento, classificado como “desligamento acidental”, porém com zero por cento de desligamentos classificados como defeito transitório, causados na maioria das vezes por descargas

atmosféricas.

VI. CONCLUSÃO Este trabalho apresentou todas as formas de descargas

atmosféricas, os sentidos do Leader e a formação das descargas subseqüentes.

No caso de torres utilizadas em linhas de transmissão e subtransmissão, os efeitos estão diretamente relacionados com suas geometrias. O campo elétrico deve ser estudado em cada geometria em determinação da configuração e disposição dos cabos-guarda.

O modelo de proteção contra descargas atmosféricas, apresentado neste trabalho, eletrogeométrico, apresentou a maior confiabilidade em comparação aos demais, para estas estruturas metálicas.

No estudo de caso com desligamentos reais, podem-se verificar as épocas de maior criticidade a que as linhas são submetidos. Períodos de chuvas e ventos fortes estão diretamente relacionados aos desligamentos.

Para o estudo realizado na linha n.º 2 de 88 kV, verificou-se que, mesmo com o baixo índice de desligamentos no ano de 2008, nãos foram constatados desligamentos relacionados com a causa Defeito Transitórios no ano de 2009, porém, devido à experiência operacional, pode-se concluir que a linha n.º 2 não sofreu interrupção por DA, visto que a linha n.º 1 apresenta um desligamento no ano de 2009.

VII. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA

[1] ZANETTA Jr, L. C. Transitórios Eletromagnéticos em Sistemas de Potência – São Paulo: EDUSP, 2003.

[2] PIANTINI, A. PEA-5762 – Desempenho de Linhas Aéreas Frente a Descargas Atmosféricas – POLI: 2009.

VIII. BIOGRAFIA

Marcos Rosa dos Santos nasceu em São Paulo, Brasil, em 13 de março de 1971. Graduado em Engenharia Elétrica, ênfase em Eletrônica, pela Faculdade de Engenharia Industrial (FEI) em 2003.

Concluiu o Mestrado pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo na área de Sistemas de Potência no ano de

2008 e atualmente é aluno de Doutorado em Sistemas de potência pela mesma entidade.

Trabalha na AES Eletropaulo desde 1985. Iniciou como Aprendiz de Eletricista de Manutenção, passou pela área de Operação de Estações e atualmente trabalha no Centro de Operação do Sistema, coordena a operação do sistema elétrico de potência, nível de tensão, carregamento e freqüência, são as principais grandezas controladas, todas em tempo real.

Despacha com as equipes de operação, manutenção e proteção do sistema de subtransmissão.