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UNIVERSIDADE DA BEIRA
INTERIOR
PROTECO DE SISTEMAS DE ENERGIA ELICA
CONTRA DESCARGAS ELCTRICAS ATMOSFRICAS
RAFAEL BAPTISTA RODRIGUES
(MESTRE)
TESE PARA OBTENO DO GRAU DE DOUTOR EM
ENGENHARIA ELECTROTCNICA
Orientador: Doutor Joo Paulo da Silva Catalo
Co-orientador: Doutor Victor Manuel Fernandes Mendes
FEVEREIRO 2010
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Tese realizada sob orientao de
Professor Doutor Eng. Joo Paulo da Silva Catalo
e sob co-orientao deProfessor Doutor Eng. Victor Manuel Fernandes Mendes
Respectivamente, Professor Auxiliar do
Departamento de Engenharia Electromecnica da
UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR
e Professor Coordenador com Agregao do
Departamento de Engenharia Electrotcnica e Automao do
INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE LISBOA
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Dedicado Lusa, minha companheira de sempre,
e aos meus filhos Teresa, Miguel e Margarida
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Resumo
Esta tese incide sobre o tema da proteco de sistemas de energia elica contra
descargas elctricas atmosfricas. Foram disponibilizados, para o propsito
desta tese, os registos dos primeiros cinco anos de actividade do sistema
automtico de deteco de trovoadas do Instituto de Meteorologia.
Novos resultados referentes caracterizao da actividade cerunica sobre o
territrio continental Portugus so apresentados. elaborada uma modelao
matemtica adequada ao estudo da propagao das sobretenses transitriascausadas por DEA. Um novo modelo sobre a proteco de sistemas de energia
elica foi desenvolvido e sujeito a simulao com o programa de computador
EMTP-RV. Os resultados da simulao com o EMTP-RV so apresentados e
discutidos. Ainda, foi desenvolvido um novo programa de computador,
LPS 2008. O LPS 2008 permite efectuar a anlise de risco de danos causados
por DEA de acordo com a norma internacional IEC 62305-2. O LPS 2008
simula o modelo da esfera rolante proposto pela IEC 62305, identificando os
pontos vulnerveis de uma estrutura e permitindo ao projectista conceber um
sistema de proteco eficaz.
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Palavras-chave
Modelao e Simulao
Parques Elicos
Proteco contra DEA
Proteco contra Sobretenses Transitrias
Anlise do Risco
Mtodo da Esfera Rolante
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Abstract
This thesis focuses on the lightning protection of wind power plants. For the
purpose of this thesis, the records of the first five years of operation of the
Lightning Location System were made available by the Portuguese Institute of
Meteorology. New results concerning the characterization of the lightning
activity over the continental territory of Portugal are presented. A mathematical
model suitable for studying the transient overvoltages caused by lightning is
provided. A new lightning protection wind turbine model was developed for thesimulations carried out with the computer program EMTP-RV. The results of the
simulation with EMTP-RV are presented and discussed. A new computer
program, LPS 2008, was developed for the purpose of this thesis. LPS 2008 is
able to perform risk analysis due to lightning damages in accordance with
IEC 62305-2. LPS 2008 is also able to simulate the rolling sphere model
proposed by IEC 62305, identifying the vulnerable points on a given structure
and enabling the design of a reliable lightning protection system.
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Keywords
Modelling and Simulation
Wind Power Plants
Lightning Protection
Transient Overvoltages Protection
Risk Analysis
Rolling Sphere Method
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Agradecimentos
Ao Professor Doutor Joo Paulo da Silva Catalo, Professor Auxiliar do
Departamento de Engenharia Electromecnica da Universidade da Beira
Interior, principal responsvel como orientador cientfico, desejo expressar o
meu profundo agradecimento por tantos motivos que tornariam este texto
demasiado extenso. De facto, o Professor Doutor Joo Paulo da Silva Catalo
no se poupou a esforos desde que nos conhecemos em Agosto de 2007.
Incansvel na procura de bibliografia de apoio, excelente na reviso de textos,na escolha de conferncias ou revistas para divulgao dos trabalhos,
e inexcedvel no apoio e motivao constantes. Foi um enorme privilgio para
mim poder trabalhar ao seu lado e contar com a sua amizade e ser certamente
um privilgio para qualquer aluno t-lo como Professor. Bem-haja Prof.
Catalo.
Ao Professor Doutor Victor Manuel Fernandes Mendes, Professor Coordenadorcom Agregao do Departamento de Engenharia Electrotcnica e Automao do
Instituto Superior de Engenharia de Lisboa, responsvel como co-orientador
cientfico, desejo expressar o meu agradecimento por ter acreditado neste
projecto desde o seu inicio, por me ter ajudado a encontrar o caminho para o
concretizar e por todos os momentos de discusso, aconselhamento, partilha de
conhecimento e amizade.
Ao Professor Doutor Carlos Manuel Pereira Cabrita, Professor Catedrtico do
Departamento de Engenharia Electromecnica da Universidade da Beira
Interior, desejo expressar o meu agradecimento pelo caloroso acolhimento na
Universidade da Beira Interior e pelo interesse continuado que manteve sobre os
resultados do trabalho de investigao.
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Ao Professor Doutor Jos Carlos Loureno Quadrado, Professor Coordenador
com Agregao do Departamento de Engenharia Electrotcnica e Automao do
Instituto Superior de Engenharia de Lisboa, desejo expressar o meu
agradecimento pela ajuda e estmulo constante na prossecuo dos meus
objectivos quer acadmicos quer profissionais.
Ao Doutor Victor Manuel Martins Soares Prior, Coordenador do Processamento
e Previso Numrica do Estado do Tempo do Instituto de Meteorologia, desejo
expressar o meu agradecimento pela oportunidade de poder trabalhar em
primeira mo informao do sistema automtico de deteco de trovoadas.
Parque Expo 98, S.A. e Parque Expo Gesto Urbana do Parque das
Naes, S.A., desejo expressar o meu agradecimento pela compreenso, estmulo
e apoio financeiro com que me agraciaram.
Ainda, Professora Doutora M. T. Correia de Barros, do Instituto Superior
Tcnico, Professora Doutora Mnica Aguado, da Universidade Pblica de
Navarra, Dr. Sandra Correia, do Instituto de Meteorologia e a todos aqueles
que contriburam directa ou indirectamente para a elaborao deste trabalho de
doutoramento, desejo expressar o meu agradecimento.
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ndice
Captulo 1 Introduo 1
1.1 Enquadramento 2
1.2 Motivao 10
1.3 Estado da Arte 14
1.4 Organizao do Texto 24
1.5 Notao 26
Captulo 2 Descarga Elctrica Atmosfrica 27
2.1 Introduo 28
2.2 Formao das Nuvens de Trovoada 29
2.3 Desenvolvimento da DEA 32
2.4 Processo de Impacto 37
2.5 Parmetros da DEA 40
Captulo 3 Caracterizao da Actividade Cerunica em
Portugal Continental 49
3.1 Introduo 50
3.2 Sistemas de Localizao de DEA 50
3.3 Sistema de Localizao de DEA em Portugal 593.4 Mtodo de Anlise 63
3.5 Resultados e Discusso
66
3.6 Concluses 78
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Captulo 4 Proteco dos Parques Elicos contra Efeitos
Indirectos das DEA 82
4.1 Introduo 83
4.2 Modelao Matemtica 84
4.3 Ferramenta Computacional EMTP-RV 91
4.4 Resultados e Discusso 93
4.5 Concluses 115
Captulo 5 Proteco dos Parques Elicos contra Efeitos
Directos das DEA 116
5.1 Introduo 117
5.2 Anlise do Risco de Danos 121
5.3 Modelo Electrogeomtrico e RSM 126
5.4 Ferramenta Computacional LPS 2008 130
5.5 Resultados e Discusso 137
5.6 Concluses 148
Captulo 6 Concluso 150
6.1 Contribuies 151
6.2 Publicaes 153
6.3 Direces de Investigao 157
Referncias Bibliogrficas 158
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Apndice A 172
A.1 Caracterizao da Actividade Cerunica em
Portugal Continental 173
Apndice B 186
B.1 Introduo ao Programa LPS 2008 187
B.2 Desenhar Objectos em 3D 188
B.3 Obteno das reas de Influncia 197
B.4 Executar o Programa LPS 2008 200
B.5 Simulao do Modelo RSM com o LPS 2008 212
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Lista de Figuras
Fig. 1.1 Saldo importador de produtos energticos entre 2000 e
2008 (Fonte: DGEG) ............................................................... 2
Fig. 1.2 Repartio da produo de energia elctrica em 2008 e
2009 (Fonte: REN) .................................................................. 4
Fig. 1.3 Atlas elico mundial (Fonte: www.climate-
charts.com/images/NasaWindSpeed) ..................................... 5
Fig. 1.4 Atlas elico de Portugal (Fonte: INETI) ................................. 6
Fig. 1.5 DEA atinge aerogerador no parque elico de Torres
Vedras em 09/09/2009 ............................................................ 12
Fig. 1.6 Danos causados pela DEA na nacelle do aerogerador
atingido no parque elico de Torres Vedras em
09/09/2009 .............................................................................. 13
Fig. 2.1 DEA sobre o Parque das Naes em 09/09/2009 .................... 29
Fig. 2.2 Mecanismos de elevao do ar quente e hmido naatmosfera (Fonte: IM) ............................................................. 30
Fig. 2.3 Classificao das nuvens (Fonte: IM) ..................................... 31
Fig. 2.4 Relao entre a frequncia e o mtodo de localizao das
DEA [19] ................................................................................ 35
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Fig. 2.5 a) DEA fotografada com uma cmara em repouso.
b) DEA fotografada com uma cmara em movimento [24] .... 37
Fig. 2.6 Processos envolvidos numa DEA nuvem-solo negativa[24] ......................................................................................... 38
Fig. 2.7 Definio dos parmetros do arco-de-retorno curto
(T2< 2 ms) [5] ......................................................................... 40
Fig. 2.8 Definio dos parmetros do arco-de-retorno longo
(2 ms < Tlong< 1 s) [5] ............................................................ 41
Fig. 2.9 Possveis combinaes de arcos-de-retorno em DEA
descendentes (tpicas em terrenos planos e estruturas
baixas) [5] ............................................................................... 41
Fig. 2.10 Densidade de probabilidade de i, segundo a IEC 61663-1,
CIGRE e Eriksson [27] ........................................................... 43
Fig. 2.11 Distribuio da frequncia acumulada dos parmetros da
DEA [5] ................................................................................ 45
Fig. 3.1 Situao ptima para o mtodo DF [33] ................................. 51
Fig. 3.2 a) Mtodo TOA da direco hiperblica. b) Exemplo de
ambiguidade [34] .................................................................... 53
Fig. 3.3 Exemplo de localizao do algoritmo IMPACT [34] ............. 54
Fig. 3.4 Em cima: representao altitude/tempo de DEA nuvem-
solo; em baixo: representao altitude/distncia horizontal
em direco a norte de DEA [18] ........................................... 57
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Fig. 3.5 Em cima: representao altitude/distncia horizontal em
direco a norte de DEA nuvem-nuvem; em baixo:
representao XY de DEA [18] ............................................. 58
Fig. 3.6 Mapa de nvel isoceraunico de Portugal continental, desde
1961 a 1990 (Fonte: IM) ........................................................ 60
Fig. 3.7 Detector instalado em Braga e aspecto das antenas
electromagnticas (Fonte: IM) ........................................... 62
Fig. 3.8 Localizao actual dos detectores IMPACT e expanso
prevista ao territrio insular (Fonte: IM) ................................ 62
Fig. 3.9 Preciso de localizao e eficincia de deteco para DEA
maiores que 5 kA (Fonte: IM) ................................................ 62
Fig. 3.10 Aspecto da visualizao obtida em 29/10/2002 (Fonte:
IM) .......................................................................................... 63
Fig. 3.11 Agrupamento dos registos segundo critrios de validao ..... 64
Fig. 3.12 reas de trabalho consideradas .............................................. 65
Fig. 3.13 Aspecto de um ficheiro de dados ASCII do IM ..................... 66
Fig. 3.14 DEA em funo da latitude em 2007 ...................................... 69
Fig. 3.15 DEA em funo da longitude em 2007 .................................. 70
Fig. 3.16 DEA em funo do ms na regio B em 2007 ........................ 71
Fig. 3.17 Probabilidade acumulada do pico de corrente sobre a
regio B ................................................................................... 72
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Fig. 3.18 Mapa GFD global de Portugal de 2003 a 2006 (Fonte:
IM) ...................... 74
Fig. 3.19 Mapas GFD de Portugal com DEA positivas de 2003 a2006 (Fonte: IM) .... 75
Fig. 3.20 Mapas GFD de Portugal com DEA negativas de 2003 a
2006 (Fonte: IM) ... 76
Fig. 3.21 Mapa orogrfico de Portugal (Fonte: IGP) ............................ 78
Fig. 4.1 Circuito equivalente de uma linha de transmisso
considerada com parmetros distribudos ............................... 87
Fig. 4.2 Ps do rotor do aerogerador (Fonte: Enercon) ........ 94
Fig. 4.3 Sistema de accionamento do aerogerador (Fonte:Enercon) .................................................................................. 94
Fig. 4.4 Ligao do aerogerador ao transformador (Fonte:
Enercon) .................................................................................. 95
Fig. 4.5 Esquema elctrico da torre elica (Fonte: Siemens) ............... 96
Fig. 4.6 Esquema elctrico equivalente em EMTP-RV da Fig.4.5em funcionamento normal ...................................................... 98
Fig. 4.7 Modelo da linha de parmetros distribudos CP ..................... 100
Fig. 4.8 Formas de onda da tenso: a) sada do gerador (m2);
b) sada do transformador elevador (m6, 7, 9); c) sada
do transformador auxiliar (m4) ............................................... 104
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Fig. 4.9 Esquema elctrico equivalente em EMTP-RV da Fig.4.5
com DEA indirecta .................................................................. 105
Fig. 4.10 Formas de onda da sobretenso resultantes da simulaoem EMTP-RV do esquema da Fig.4.9: a) sada do
gerador (m2); b) sada do transformador elevador (m6,
7, 9); c) sada do transformador elevador (m1); d)
sada do transformador auxiliar (m4) ...................................... 106
Fig. 4.11 Esquema elctrico equivalente em EMTP-RV da Fig.4.5
com DEA indirecta e DPST quase idealmente ligado ............. 107
Fig. 4.12 Formas de onda da sobretenso resultantes da simulao
em EMTP-RV do esquema da Fig.4.11: a) sada do
gerador (m2); b) sada do transformador elevador (m1);
c) sada do transformador auxiliar (m4) ............................... 108
Fig. 4.13 Esquema elctrico equivalente em EMTP-RV da Fig.4.5
com DEA indirecta e DPST idealmente ligado ....................... 109
Fig. 4.14 Formas de onda da sobretenso resultantes da simulao
em EMTP-RV do esquema da Fig.4.13: a) sada do
gerador (m2); b) sada do transformador elevador (m1);
c) sada do transformador auxiliar (m4) ............................... 110
Fig. 4.15 Esquema elctrico com dois aerogeradores ............................. 111
Fig. 4.16 Esquema elctrico equivalente em EMTP-RV da Fig.4.15
com ocorrncia de uma DEA indirecta junto a uma das
torres ................................ 112
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Fig. 4.17 Formas de onda da sobretenso resultantes da simulao
em EMTP-RV do esquema da Fig.4.16: a) sada do
transformador elevador (m1); b) sada do transformador
auxiliar (m4); c) sada do transformador elevador (m16);
d) sada do transformador auxiliar (m12) ............................ 113
Fig. 4.18 Formas de onda da sobretenso obtidas para esquema da
Fig.4.16 com I =200 kA: a) sada do transformador
elevador (m1); b) sada do transformador auxiliar (m4);
c) sada do transformador elevador (m16) ........................ 114
Fig. 5.1 Capacidade instalada na Europa em Finais de 2008 [73] ....... 117
Fig. 5.2 Capacidade instalada e acumulada em Portugal (Junho de
2009 [73]) ............................................................................... 118
Fig. 5.3 Localizao dos parques elicos em Portugal (Junho de
2009 [73]) ............................................................................... 118
Fig. 5.4 Modelo E-126 da Enercon (Fonte: Enercon) .......................... 119
Fig. 5.5 Aplicao do modelo electrogeomtrico proteco de
um condutor de fase de uma linha area [83] ...................... 128
Fig. 5.6 Ecr de boas-vindas do LPS 2008 ....... 131
Fig. 5.7 LPS 2008 a ser executado com o AutoCAD .......................... 132
Fig. 5.8 Um dos ecrs de entrada de dados no LPS 2008 .................... 134
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Fig. 5.9 Fluxograma para deciso de instalao de medidas de
proteco adicionais no LPS 2008 .......................................... 135
Fig. 5.10 Ecr para simulao do RSM no LPS 2008 ............................ 136
Fig. 5.11 Aerogerador modelado em 3D no AutoCAD .......................... 138
Fig. 5.12 Resultado da simulao do RSM com o LPS 2008 ao
aerogerador .............................................................................. 139
Fig. 5.13 Esquema elctrico equivalente em EMTP-RV da Fig.4.5
com DEA directa ..................................................................... 139
Fig. 5.14 Formas de onda da sobretenso resultantes da simulao
em EMTP-RV do esquema da Fig.5.13: a) sada do
gerador (m2); b) sada do transformador elevador (m6,
7, 9); c) sada do transformador elevador (m1); d)
sada do transformador auxiliar (m4) ..................................... 140
Fig. 5.15 Esquema elctrico equivalente em EMTP-RV da Fig.4.5
com DEA directa e com DPST quase idealmente ligado ........ 141
Fig. 5.16 Formas de onda da sobretenso resultantes da simulao
em EMTP-RV do esquema da Fig.5.15: a) sada do
gerador (m2); b) sada do transformador elevador (m1);
c) sada do transformador auxiliar (m4) ............................... 142
Fig. 5.17 Esquema elctrico equivalente em EMTP-RV da Fig.4.5
com DEA directa e com DPST idealmente ligado ................. 143
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Fig. 5.18 Formas de onda da sobretenso resultantes da simulao
em EMTP-RV do esquema da Fig.14: a) sada do
gerador (m2); b) sada do transformador elevador (m1);
c) sada do transformador auxiliar (m4) ............................... 144
Fig. 5.19 Esquema elctrico equivalente em EMTP-RV da Fig.4.15
com ocorrncia de uma DEA directa numa das torres ............ 145
Fig. 5.20 Formas de onda da sobretenso obtidas para esquema da
Fig.5.19 com I =10 kA: a) sada do transformador
elevador (m1); b) sada do transformador auxiliar (m4);c) sada do transformador elevador (m16); d) sada do
transformador auxiliar (m12) .................................................. 146
Fig. 5.21 Formas de onda da sobretenso obtidas para esquema da
Fig.5.19 com I =200 kA: a) sada do transformador
elevador (m1); b) sada do transformador auxiliar (m4);
c) sada do transformador elevador (m16); d) sada dotransformador auxiliar (m12) .................................................. 147
Fig. A.1 DEA em funo da latitude em 2003 ...................................... 173
Fig. A.2 DEA em funo da latitude em 2004 ...................................... 174
Fig. A.3 DEA em funo da latitude em 2005 ...................................... 174
Fig. A.4 DEA em funo da latitude em 2006 ...................................... 175
Fig. A.5 DEA em funo da longitude em 2003 ................................... 175
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Fig. B.1 a) Vista em planta do edifcio b) Vista em perspectiva
isomtrica ............................................................................... 192
Fig. B.2 Edifcio complexo pretendido ................................................. 193
Fig. B.3 Resultado aps construo das duas caixas ........................... 193
Fig. B.4 Resultado aps executar Union ........................................... 194
Fig. B.5 a) Aspecto das duas cunhas b) Resultado aps o comando
Union ................................................................................... 195
Fig. B.6 Aspecto de todas as cunhas ..................................................... 195
Fig. B.7 a) O efeito do comando Slice b) Aspecto de todas as
cunhas aps o comando Slice ............................................... 195
Fig. B.8 Aspecto final do telhado ......................................................... 196
Fig. B.9 Aspecto final da portaria ......................................................... 196
Fig. B.10 Desenho 3D respeitante ao edifcio da Fig. B.1,
mostrando as reas de influncia ............................................. 197
Fig. B.11 Resultado do comando Arc Start Center End ....................... 198
Fig. B.12 Resultado do comando Trim ............................................... 199
Fig. B.13 Ecr de Boas-Vindas do LPS 2008 ..................................... 201
Fig. B.14 Ecr inicial do LPS 2008 ........................................................ 201
Fig. B.15 Anlise do risco de danos a um aerogerador com 116 m
de altura segundo a BS 6651 ................................................... 202
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Fig. B.16 Entrada de dados para anlise do risco de danos a um
aerogerador com 116 m de altura segundo a IEC 61662,
ecr D1 ..................................................................................... 203
Fig. B.17 Entrada de dados para anlise do risco de danos a um
aerogerador com 116 m de altura segundo a IEC 61662,
ecr D2 .................................................................................... 204
Fig. B.18 Entrada de dados para anlise do risco de danos a um
aerogerador com 116 m de altura segundo a IEC 61662,
ecr D3 .................................................................................... 204
Fig. B.19 Entrada de dados para anlise do risco de danos a um
aerogerador com 116 m de altura segundo a IEC 61662,
ecr D4 ..................................................................................... 205
Fig. B.20 Entrada de dados para anlise do risco de danos a um
aerogerador com 116 m de altura segundo a IEC 61662,
ecr D5 .................................................................................... 205
Fig. B.21 Resultados da anlise do risco de danos a um aerogerador
com 116 m de altura segundo a IEC 61662, ecr R1 ............... 206
Fig. B.22 Resultados da anlise do risco de danos a um aerogerador
com 116 m de altura segundo a IEC 61662, ecr R2 .............. 206
Fig. B.23 Concluses da anlise do risco de danos a um aerogerador
com 116 m de altura segundo a IEC 61662, ecr C ................ 207
Fig. B.24 Concluses da anlise do risco de danos a um aerogerador
com 116 m de altura segundo a IEC 61662 com IPR de
nvel III, ecr C ....................................................................... 208
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Fig. B.25 Entrada de dados para anlise do risco de danos a um
aerogerador com 116 m de altura segundo a IEC 62305-2,
ecr D1 .................................................................................... 209
Fig. B.26 Entrada de dados para anlise do risco de danos a um
aerogerador com 116 m de altura segundo a IEC 62305-2,
ecr D2 .................................................................................... 209
Fig. B.27 Entrada de dados para anlise do risco de danos a um
aerogerador com 116 m de altura segundo a IEC 62305-2,
ecr D3 ..................................................................................... 210
Fig. B.28 Entrada de dados para anlise do risco de danos a um
aerogerador com 116 m de altura segundo a IEC 62305-2,
ecr D4 .................................................................................... 210
Fig. B.29 Resultados da anlise do risco de danos a um aerogerador
com 116 m de altura segundo a IEC 62305-2, ecr R1 ........... 211
Fig. B.30 Concluses da anlise do risco de danos a um aerogerador
com 116 m de altura segundo a IEC 62305-2 com IPR de
nvel IV, ecr C1 ..................................................................... 211
Fig. B.31 Concluses da anlise do risco de danos a um aerogerador
com 116 m de altura segundo a IEC 62305-2 com IPR e
DPST de nvel IV, ecr C1 ..................................................... 212
Fig. B.32 Simulao do RSM a um aerogerador com 116 m de
altura segundo a IEC 62661 com IPR de nvel III, ecr
RSM ........................................................................................ 213
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Fig. B.33 Resultado da simulao do RSM a um aerogerador com
116 m de altura segundo a IEC 62661 com IPR de nvel I
e IV .......................................................................................... 214
Fig. B.34 Igreja dos Pastorinhos modelada em 3D com o AutoCAD ..... 215
Fig. B.35 Resultado da simulao do RSM Igreja dos Pastorinhos ..... 216
Fig. B.36 IPR na igreja dos Pastorinhos .................................................. 217
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Lista de Tabelas
Tabela 2.1 Classificao oficial das sobretenses at 1993, segundo a
IEC ........................................................................................... 44
Tabela 2.2 Valores dos parmetros da DEA de CIGRE (Electra N. 41
ou N. 69) e [5] ........................................................................ 46
Tabela 2.3 Valores de e log de CIGRE (Electra N. 41 ou N. 69)[5] ... 47
Tabela 3.1 Agrupamento dos registos segundo critrios de validao ...... 64
Tabela 3.2 Valor absoluto e relativo de DEA por ano e por polaridade .... 67
Tabela 3.3 Valores de GFD e Td .............................................................. 68
Tabela 5.1 Valores tpicos para RT ...........................................................125
Tabela 5.2 Dados tpicos para caracterizar uma estrutura .........................133
Tabela 5.3 Dados tpicos para caracterizar a instalao elctrica daestrutura, o seu equipamento electrnico e a linha de
abastecimento de energia .........................................................133
Tabela 5.4 Dados tpicos para caracterizar as zonas de uma estrutura ......134
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xxiv
Lista de Siglas
2D Duas Dimenses
3D Trs Dimenses
AT Alta Tenso
BOD Breakover Diode
BT Baixa Tenso
CIGRE Conseil International des Grands Rseaux lectriques
CP Constant Parameter
CRDF Cathode Ray Direction Finder
DEA Descarga Elctrica Atmosfrica
DF Direction Finders
DGEG Direco Geral de Energia e Geologia
DPST Dispositivos de Proteco contra Sobretenses Transitrias
EMTP Electro-Magnetic Transient Program
GAI Global Atmospherics Inc.
GDT Gas Discharge Tube
GFD Ground Flash Density
IE Instalao Elctrica
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xxv
IEC International Electrotechnical Commission
IGP Instituto Geogrfico Portugus
IM Instituto de Meteorologia
IMPACT Improved Accuracy Using Combined Technology
INEGI Instituto de Engenharia Mecnica e Gesto Industrial
INERIS Institut National de lEnvironnement Industriel et des Risques
INETI Instituto Nacional de Engenharia, Tecnologia e Inovao
IPR Instalao de Pra-Raios
ktep Quilo Toneladas Equivalentes de Petrleo
LF Low Frequency
LLS Lightning Location System
LPATS Lightning Position and Tracking System
MAT Muito Alta Tenso
MOV Metal Oxide Varistor
MT Mdia Tenso
M Milhes de Euros
NS Norte-Sul
PT Posto de transformao
QE Quadro de Entrada
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xxvi
REN Rede Elctrica Nacional
RSM Modelo da Esfera Rolante
TOA Time of Arrival
TSS Tyristhor Surge Supressor
UE Unio Europeia
VLF Very Low Frequency
VHF Very High Frequency
WE West-East
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xxvii
Lista de Smbolos
A rea
Constante de atenuao
B Densidade de fluxo magntico
Desvio padro logaritmico ou constante de fase
C Capacidade
Cd Factor de localizao
Ce Factor ambiental
Ct Factor de correco transformador MT/BT
c Velocidade da luz no vcuo
D Densidade de fluxo elctrico
d Distncia ou profundidade de enterramento
Profundidade de penetrao
E Intensidade do campo elctrico
Permitividade dielctrica do meio
0 Permitividade dielctrica do vcuo
r Permitividade dielctrica relativa do meio
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xxviii
f Frequncia
Fluxo magntico
G Condutncia
H Intensidade do campo magntico
H Altura a que se encontra o condutor do solo
i Intensidade da corrente elctrica
I Valor de pico da intensidade da corrente elctrica
Jc Densidade da corrente
K Escarpamento
KS1 Coeficiente da presena de blindagem
KS2 Coeficiente de equipotencializao
KS3 Coeficiente da instalao dos cabos
KS4 Coeficiente da tenso suportada Uw
L Coeficiente de auto-induo ou perda mdia em consequncia de
uma DEA capaz de influenciar a estrutura ou o servio
l Comprimento
M Valor mdio
Permeabilidade magntica do meio
0 Permeabilidade magntica do vcuo
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xxix
r Permeabilidade magntica relativa do meio
N Nmero anual de DEA capaz de influenciar a estrutura ou o
servio
P Probabilidade de uma DEA com influncia na estrutura ou
servio causar danos
Q Carga elctrica
R Resistncia ou risco global de danos causados por DEA
rcd Raio do condutor
Resistividade do solo
v Densidade volumtrica de carga elctrica
Sm Incremento mximo
s Seco do condutor
Condutividade
log Disperso
t Tempo
tf Tempo de frente de onda
th Tempo de meia onda
u Tenso elctrica
V Potencial elctrico
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xxx
v Velocidade de propagao de uma onda mvel numa linha de
transmisso
W Energia
Frequncia angular
x Espao
Z Impedncia
Z0 Impedncia impulsiva
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1
CAPTULO
1
Introduo
Neste captulo abordado e enquadrado o tema da energia elica nos contextos
ambiental, energtico e potencial de desenvolvimento. O recente e enormecrescimento de potncia instalada em parques elicos, no mundo em geral e na
Europa e Portugal em particular, as descargas elctricas atmosfricas, enquanto
causa principal de danos destes sistemas, e a possibilidade de utilizar os registos
dos primeiros anos de funcionamento do sistema de deteco de trovoadas do
Instituto de Meteorologia, so alguns dos factores de motivao para abordar
este tema. Apresenta-se uma reviso do estado da arte e descrita a forma como
o texto est organizado. Finalmente, apresenta-se a notao utilizada nesta tese.
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Introduo
2
1.1 Enquadramento
A assinatura do Protocolo de Quioto em 1997 aumentou significativamente a
reflexo sobre as questes ambientais no que concerne s decises polticas quer
a nvel mundial quer a nvel de cada nao, sobre a mitigao das emisses
antropognicas dos gases responsveis pelo efeito de estufa. O protocolo entrou
em vigor em 16 de Fevereiro de 2005 e fixou metas para os diversos pases
signatrios at 2012. Assim, para os pases da Unio Europeia (UE), no global
foi fixada uma reduo de 8% face aos nveis de emisso verificados em 1990.
A evoluo nacional do saldo importador de produtos energticos entre 2000 e
2008, de acordo com a factura energtica de 2008 da responsabilidade da
Direco Geral de Energia e Geologia (DGEG), apresentado na Fig. 1.1.
Fig. 1.1 Saldo importador de produtos energticos entre 2000 e 2008 (Fonte: DGEG)
Na Fig. 1.1 as colunas representam o saldo importador em quilo toneladas
equivalentes de petrleo (ktep) e as reas representam o saldo importador em
milhes de euros (M).
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Introduo
3
O petrleo bruto e os seus refinados representaram em 2008 cerca de 77 % do
saldo importador em M (Fonte: DGEG), o que representa uma forte
dependncia exterior de produtos energticos no renovveis com
responsabilidade no efeito de estufa.
O Governo Portugus aprovou uma estratgia nacional para a energia expressa na
resoluo do Conselho de Ministros de Outubro de 2005. O Governo Portugus
empenhado na reduo das emisses de CO2, no aumento da qualidade dos
servios energticos e em promover a concorrncia, definiu nesta estratgia as
grandes linhas a implementar no sector da energia elctrica. Esta estratgia
estabeleceu vrios objectivos para o sector, nomeadamente a expanso do
investimento em energias renovveis e a promoo da eficincia energtica.
Assim, o Governo estabeleceu na Resoluo do Conselho de Ministros n. 1/2008
novas metas para a energia elica:
Aumentar em 1950 MW a capacidade instalada, at 2012, perfazendo
um total de 5100 MW em que 600 MW sero por renovao do
equipamento;
Criar um cluster industrial e tecnolgico para acelerar a taxa de
instalao de capacidade em energia elica.
Em 2009, o consumo de energia elctrica foi de 49,9 TWh, segundo informao
da Rede Elctrica Nacional (REN), registando a primeira evoluo anual
negativa, de 1,8 %, desde 1981. A produo em regime especial cresceu 25 % e
abasteceu 29 % do consumo, dos quais 15 % se deveram s elicas que
reforaram a potncia em 700 MW. Em particular, no dia 8 de Novembro de
2009 os aproveitamentos em energia elica abasteceram cerca de 50 % do
consumo, tendo o valor mdio do abastecimento desse ms sido de 24 %. O saldo
importador foi o mais baixo desde 2003 e abasteceu 10 % do consumo, como
apresentado na Fig. 1.2.
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Introduo
4
Fig. 1.2 Repartio da produo de energia elctrica em 2008 e 2009 (Fonte: REN)
Ainda pela Fig. 1.2, comparando o ano de 2008 com 2009 observada uma
diminuio do saldo importador em cerca de 9 %, o qual se deveu principalmente
ao aumento da produo elica.
A energia elica uma forma de energia que deriva da converso da energia
solar devido ao desequilbrio no aquecimento da atmosfera provocado pelo sol.
Este desequilbrio est associado s irregularidades da superfcie terrestre e ao
movimento de rotao da Terra. O regime dos ventos influenciado pela forma
do solo, pelos planos de gua e pelo coberto vegetal.
Desde h alguns milhares de anos que a energia elica utilizada. H 5000 anos
que utilizada na navegao no rio Nilo, ou em bombagem de gua na China,
muitos sculos antes da Era Crist. Em Portugal frequente encontrar no cume
dos montes as runas de moinhos de vento que deixaram de funcionar h dcadas
devido ao progresso tecnolgico. Contudo, em muitas quintas ainda se podem
encontrar moinhos de vento para bombagem de gua.
O que apelidamos de aproveitamento de energia elica est associado com o
processo pelo qual a energia cintica do vento utilizada na converso para a
forma de energia mecnica.
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Introduo
5
Esta energia mecnica pode ser utilizada para muitas actividades tais como: moer
gro, bombear gua ou accionar um gerador que a converte em energia elctrica.
A energia elctrica assim obtida pode ser injectada na rede elctrica para ser
distribuda ao consumidor, constituindo os aproveitamentos ditos de ligados
rede.
O aproveitamento da energia elica tambm pode ter uma aplicao localizada,
ou seja, utilizada apenas para fornecer electricidade num determinado local
situado longe da rede elctrica de distribuio aos consumidores, constituindo os
aproveitamentos ditos de autnomos.
O conhecimento do potencial elico um factor determinante na escolha do local
de instalao dos aproveitamentos da energia elica. O atlas elico mundial
apresentado na Fig. 1.3.
Fig. 1.3 Atlas elico mundial (Fonte: www.climate-charts.com/images/NasaWindSpeed)
O atlas da Fig. 1.3 representa a velocidade mdia anual do vento medida
cinquenta metros acima do solo ou da superfcie do mar.
ms-1
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Introduo
6
O departamento de energias renovveis do Instituto Nacional de Engenharia,
Tecnologia e Inovao (INETI) produziu uma base de dados do potencial elico
do vento em Portugal, que apresenta as caractersticas fsicas e energticas do
escoamento atmosfrico num conjunto de 57 locais em Portugal continental e
uma folha de clculo simplificada, que permite, em funo do investimento,
avaliar a viabilidade econmica. A Fig. 1.4 apresenta um atlas elico de Portugal
sessenta metros acima do solo ou da superfcie do mar.
Fig. 1.4 Atlas elico de Portugal (Fonte: INETI)
Em Portugal, devido sua situao geogrfica e geomorfologia, apenas nas zonas
montanhosas a velocidade e a regularidade do vento susceptvel de
aproveitamento energtico.
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Introduo
7
A maior parte dos locais com essas caractersticas favorveis situam-se a norte
do rio Tejo, e a sul junto Costa Vicentina e Ponta de Sagres, sendo raros os
locais favorveis na extensa plancie alentejana.
Ainda, a Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto em colaborao
com o Instituto de Engenharia Mecnica e Gesto Industrial (INEGI), o Instituto
de Engenharia de Sistemas e Computadores do Porto e o Research Centre for
Wind Energy and Atmospheric Flowsdesenvolveram o programa VENTOS, que
utilizado para simulao computacional do comportamento do escoamento do
vento sobre solos complexos com ou sem arborizao. A base de dados do
potencial elico, a folha de clculo simplificada e o programa Ventos so
ferramentas importantes para o conhecimento do potencial elico, mas outras so
ainda necessrias, como o caso do programa de computador desenvolvido nesta
tese no mbito da proteco dos aerogeradores.
Os aerogeradores podem ser classificados em dois tipos: de eixo horizontal,
como os antigos moinhos; e de eixo vertical, como o aerogerador Darrieus.
A tecnologia dos aerogeradores tem evoludo muito devido aos avanos
tecnolgicos dos materiais, da engenharia, da electrnica e da aerodinmica.
Em geral, os aerogeradores esto agrupados num determinado local, onde as
condies do vento so favorveis. Estes agrupamentos so designados por
Parques Elicos. A energia elctrica por eles obtida incorporada na rede
elctrica e distribuda aos consumidores da mesma forma que a obtida nas
centrais trmicas convencionais.
A energia produzida por qualquer aerogerador directamente proporcional ao
cubo da velocidade do vento. Por isso, existe vantagem em instalar os
aerogeradores nas zonas em que a velocidade do vento elevada, ditos de
ventosos. Como a velocidade do vento afectada pelo relevo do solo, e aumenta
com a altura acima do solo, de acordo com a lei de Prandel, as turbinas so
montadas em torres muito altas.
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Introduo
8
Os produtores de energia elctrica em regime especial, anteriormente designados
por produtores independentes, entregam REN toda a energia produzida. O valor
da tarifa praticada depende da tecnologia utilizada, sendo o mesmo estabelecido
pelo Decreto-Lei n. 225/2007 de 31 de Maio. Os aerogeradores instalados numa
zona com maior velocidade de vento, originando uma significativa
disponibilidade de energia cintica das massas de ar, permitem um retorno
econmico do investimento mais favorvel em comparao com os situados em
zonas mais desfavorveis. Mas, no s importante fazer uma avaliao da
disponibilidade em energia cintica das massas de ar, visto que, a actividade
cerunica do local tambm um factor importante do sucesso do investimento.Esta tese constitui um contributo no mbito da caracterizao da actividade
cerunica em Portugal continental.
Os custos da energia elctrica produzida pelos aerogeradores so
fundamentalmente determinados por:
Custo do investimento, como por exemplo no aerogerador, nas
fundaes e na ligao rede;Tempo de vida til do equipamento;
Taxa de juro associado com o emprstimo requerido para cobrir o
investimento total ou parcialmente;
Custos de manuteno, que normalmente so directamente
proporcionais s avarias;
Custos devidos ao pagamento de impostos e seguros;
O custo unitrio da energia elctrica produzida pelos aerogeradores,
decrescendo com o aumento das horas de indisponibilidade.
Segundo informao disponibilizada na pgina da DGEG, os custos dos
aerogeradores tm vindo a decrescer nos ltimos anos, mas esta tecnologia ainda
requer um investimento inicial mais elevado por kW de potncia instalada do que
a produo de electricidade baseada em derivados de petrleo.
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Introduo
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1.2 Motivao
A energia elica evita importar petrleo ou gs natural e por isso contribui para
aliviar a dependncia e a factura energtica dum pas. A energia elica evita as
emisses de CO2 e os custos associados violao dos nveis de emisso
acordados entre os pases, custos ambientais e de sade pblica, bem como
contribui para diminuir o recurso aos combustveis de origem fssil, ditos de
fonte de energia no renovvel.
Ainda, segundo a DGEG, a energia elica um recurso nacional, fivel, e que
gera cinco vezes mais emprego por Euro investido do que as tecnologias
associadas ao carvo ou ao nuclear. A energia elica representa, pelas razes
anteriormente referidas, um contributo para se atingirem os compromissos
internacionais, nomeadamente os fixados no Protocolo de Quioto.
De acordo com os dados da European Wind Energy Association, em 2008 a
potncia total instalada na UE em produo de electricidade foi de 19651 MW.
A potncia instalada de origem elica foi de 8484 MW, o que perfez 43 %.
A energia elica foi a fonte de energia mais utilizada no aumento da capacidade
de produo de electricidade da UE, frente do gs com 35 % e do petrleo com
13 %.
Por cada MWh de energia elctrica de origem elica so reduzidas entre 0,8 a 0,9
toneladas de emisses de gases com efeito de estufa que seriam produzidas pelautilizao dos combustveis fsseis na produo de energia elctrica.
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Introduo
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O sector da energia elica pois um mercado em franco crescimento, com
11000 M gastos em 2008 na UE, cujo potencial se situa a vrios nveis:
Explorao comercial de energia;
Produo de equipamentos;
Manuteno e servios;
Investigao e desenvolvimento.
Em consequncia, os estudos no mbito da energia elica so linhas de
investigao motivantes pelo carcter utilitrio de no s responderem s
reflexes sobre questes ambientais mas tambm diversificao de fontes de
energia primrias.
A rentabilidade econmica dos parques elicos afectada pelo fenmeno da
Descarga Elctrica Atmosfrica (DEA), ou raio, que na sua forma extrema d
origem s trovoadas, sendo sem dvida um dos fenmenos atmosfricos
devastadores que pode causar a perda de vidas humanas, de bens materiais, e
condicionar a operacionalidade de numerosas actividades socioeconmicas.
A previso deste fenmeno apoiada nas observaes meteorolgicas
tradicionais, nos resultados de modelos de previso numrica e, sobretudo, nas
imagens de satlite, nos dados de radares meteorolgicos e nos dados de
Sistemas de Deteco e Localizao de DEA (LLS -Lightning Location System).
Estes ltimos so de grande utilidade meteorolgica na previso das trajectrias
dos sistemas nebulosos que originam as DEA e na caracterizao da actividade
cerunica da regio.
Em Portugal, o primeiro LLS entrou em funcionamento em meados de 2002.
O Instituto de Meteorologia (IM) gentilmente acedeu a disponibilizar todos os
seus registos desde ento at final de 2007.
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Introduo
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Estes dados so merecedores no s de um tratamento meteorolgico, mas
tambm de um tratamento na ptica das instalaes elctricas, visto que,
encerram informao relevante para a mitigao dos efeitos nefastos das DEA.
As estatsticas mostram que as DEA so de longe a maior causa de danos em
parques elicos [1]. Na Alemanha, 14 % dos aerogeradores localizados em zonas
montanhosas foram danificados por DEA [2]. O Japo outro pas que sofre
intensamente os efeitos das DEA, onde a percentagem de aerogeradores
danificados de 36 % [3]. Infelizmente, no foi possvel obter percentagens
concretas de turbinas elicas afectadas por DEA em Portugal. Contudo, pode-se
referir de acordo com a REN que, em 2009, 36 % das perturbaes nas linhas de
muito alta tenso em Portugal foram provocadas por DEA, percentagem idntica
de aerogeradores danificados no Japo por DEA.
As Fig. 1.5 e 1.6 apresentam os danos infligidos por DEA num aerogerador do
parque de Torres Vedras durante as trovoadas de 9 de Setembro de 2009.
Fig. 1.5 DEA atinge aerogerador no parque elico de Torres Vedras em 09/09/2009
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Introduo
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Fig. 1.6 Danos causados pela DEA na nacelledo aerogerador atingido no parque
elico de Torres Vedras em 09/09/2009
De modo a mitigar os efeitos das DEA em parques elicos crucial conhecer a
actividade cerunica da regio e determinar o risco de danos associado a cada
parque em concreto, tornando assim possvel conceber medidas de proteco
mais eficazes [4].
Em consequncia da rentabilidade econmica dos parques elicos ser afectada
pelos efeitos nefastos das DEA, e da disponibilidade dos primeiros registos de
dados de 2002 at ao final de 2007 permitir uma caracterizao da actividade
cerunica em Portugal continental como at aqui no havia sido possvel,
resultou noutra linha de investigao que foi motivante para a realizao desta
tese.
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Introduo
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Finalmente, com a entrada em vigor em Janeiro de 2006 do conjunto de normas
internacionais, srie IEC 62305, foram confirmados dois aspectos importantes no
que respeita proteco de estruturas e seu contedo contra os efeitos nefastos
das DEA:
O mtodo de anlise de risco de danos causados por DEA,
anteriormente parte integrante do relatrio tcnico IEC 61662, como
mtodo a utilizar na quantificao do risco a que uma estrutura est
sujeita e em funo desse valor permitir a adopo de medidas de
proteco adequadas;
O modelo da esfera rolante, como modelo a utilizar na previso dospontos vulnerveis de uma estrutura e em funo dessa indicao
permitir a instalao apropriada de captores artificiais das DEA.
Em consequncia deste novo enquadramento normativo e ainda pelo facto do
autor desta tese ter j realizado programas de computador baseados na
IEC 61662 e no modelo da esfera rolante, resultou outra linha de investigao
que foi motivante para a realizao desta tese na medida em que, no s seconfirmavam em norma internacional as linhas de investigao seguidas no
passado, como se tornava agora necessrio adaptar nova realidade normativa os
programas ento desenvolvidos.
1.3 Estado da Arte
Proteco contra DEA directas
Benjamin Franklin (1706-1790), escritor, inventor, cientista e diplomata norte-
americano, nascido em Boston, foi juntamente com Jefferson e John Adams,
enquanto desempenhava o cargo de deputado do 1. Congresso (1776), um dos
criadores do manifesto da Declarao da Independncia dos Estados Unidos da
Amrica.
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Em 1752 props uma srie de experincias, realizadas em Frana, que
demonstraram que os raios eram descargas elctricas. Nesse mesmo ano, em
Filadlfia, Franklin levou a cabo uma experincia que se tornou famosa. Lanou
um papagaio de papel durante uma trovoada e atou uma chave metlica na guita
que o sustinha a cerca de metro e meio do solo. O intenso campo elctrico criou
condies para uma forte acumulao de carga elctrica na chave de onde
saltaram pequenos arcos elctricos para os ns dos seus dedos. Franklin teve a
sorte de no morrer durante esta arriscada experincia. Ficou assim provado que
os raios tinham uma natureza elctrica e eram na verdade DEA.
Vrios anos antes, Franklin especulara que uma barra metlica longa e fina,
cravada no alto de um telhado e ligada por um cabo condutor ao solo no exterior
do edifcio, conduziria a electricidade das DEA para o solo sem provocar danos
no edifcio. Esta inveno, apresentada ao pblico em 1753, foi designada por
pra-raios. Ainda hoje, empresas como a Franklin France fabricam e
comercializam o pra-raios do tipo Franklin, quase sem alteraes desde a sua
inveno. O pra-raios do tipo Franklin consiste normalmente num tubo de cobreniquelado cromado ou de ao inoxidvel, com dimetros compreendidos entre
uma e duas polegadas, com um comprimento standard de 2,4 m e uma ponta
afilada, de forma cnica numa das extremidades.
Estes pra-raios podem ser prolongados pela associao de mastros
prolongadores de ao tratado ou ao inoxidvel.
Michael Faraday (1791-1867) foi um qumico e fsico britnico, e considerado
um dos cientistas mais influentes de todos os tempos. Faraday foi principalmente
um experimentalista, frequentemente descrito como o "melhor experimentalista
na histria da cincia".
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Na Qumica, descobriu o benzeno, produziu os primeiros cloretos de carbono
conhecidos por C2Cl6 e C2Cl4, ajudou a estender as fundaes da metalurgia,
alm de ter tido sucesso em liquefazer gases nunca antes liquefeitos, como por
exemplo, o dixido de carbono e o cloro, tornando possveis os processos de
refrigerao to usados hoje em dia. Talvez a sua maior contribuio tenha sido a
de fundar a electroqumica, e introduzir termos como electrlito, nodo, ctodo,
elctrodo, e io.
Na Fsica, foi um dos primeiros a estudar as ligaes entre electricidade e
magnetismo. Em 1821, Faraday publicou um trabalho que denominou de
"rotao electromagntica", o princpio de funcionamento do motor elctrico.
Em 1831, Faraday descobriu a induo electromagntica, o princpio de
funcionamento do gerador elctrico. Faraday demonstrou que uma superfcie
condutora electrizada possui campo elctrico nulo no seu interior, uma vez que as
cargas se redistribuem de forma homognea na parte mais externa da superfcie
condutora.
Esta experincia de Faraday, conhecida por Gaiola de Faraday ou mtodo da
malha, aplicado na proteco de edifcios contra as DEA e consiste em dispor
condutores de cobre ou de ao galvanizado, sobre o telhado e/ou cobertura das
estruturas a proteger, ligando-se uns aos outros com acessrios de aperto
mecnico e de modo a se obter uma malha com dimenso adequada.
Essa malha ligada ao elctrodo de terra atravs de descidas constitudas por
condutores do mesmo material dos instalados no telhado e/ou cobertura. Trata-se
de um mtodo de proteco passivo, muito utilizado na Europa e que beneficia
da vantagem de existirem normas europeias e internacionais que o contemplam.
A proteco contra DEA sofreu um grande impulso com a electrificao dos
pases industrializados no incio do sc. XX.
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Sabe-se h muito que um condutor ligado terra e colocado ao longo de uma
linha, a uma altura superior dos condutores activos, reduz a probabilidade
destes serem directamente atingidos por DEA.
Nos anos sessenta o modelo electrogeomtrico, desenvolvido por Golde,
Armstrong e Whitehead, forneceu uma explicao muito mais satisfatria para o
modo de actuao do cabo-de-guarda. Segundo este modelo, que ser descrito
mais em pormenor no Captulo 5, a distncia do salto final, isto , a distncia
mnima de aproximao entre o traador descendente e o ascendente antes da sua
juno, est directamente relacionada com a corrente de pico da DEA.
Actualmente existem vrios modelos propostos que se enquadram no conceito do
modelo electrogeomtrico. O mais utilizado na prtica, e recentemente
reconhecido em norma internacional [5], [6] e [7] pela International
Electrotechnical Commission (IEC), provavelmente o Modelo da Esfera
Rolante (RSM Rolling Sphere Method), tambm conhecido por modelo da
esfera fictcia ou modelo da bola.
O RSM permite determinar os pontos vulnerveis de uma estrutura, isto , os
pontos com maior probabilidade de serem atingidos directamente por uma DEA.
Este conhecimento possibilita o posicionamento rigoroso dos captores artificiais,
isto , condutores metlicos de seco apropriada a colocar sobre estruturas
essencialmente no metlicas, e em particular nos telhados e/ou coberturas.
Assim, garante-se um nvel de eficincia da Instalao de Pra-Raios (IPR) mais
elevado e que minimiza o custo de instalao.
Claro que outros tipos de pra-raios foram tentados. A ideia de se criar um pra-
raios ionizante com a utilizao da radioactividade foi concebida originalmente
em 1914 pelo fsico hngaro J. B. Szillard, colaborador do casal Pierre e Marie
Curie. Szillard comunicou Academia Francesa de Cincias, em 9 de Maro de
1914, os ensaios realizados com um terminal Franklin contendo um sal de rdio.
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Szillard achava que, quando esse dispositivo era colocado num campo elctrico,
a corrente resultante seria consideravelmente maior que a medida utilizando-se
uma haste de Franklin convencional.
O acrscimo de corrente foi atribudo ionizao do ar provocada pelas
partculas alfa e beta e pelos raios gama provenientes do decaimento do Ra-226 e
de seus descendentes radioactivos. Este aumento da corrente, teria como efeito
aumentar a distncia do salto final e, em consequncia, alargar a zona
probabilstica de proteco.
Em 1931, o fsico belga Gustav P. Capart, tambm colega de Madame Curie,patenteia o primeiro captor ionizante com utilizao de radioactividade.
Em 1953, Alphonse Capart, filho de Gustav, continuou a pesquisa iniciada pelo
pai e por Szillard e construiu o primeiro captor radioactivo.
Em 1956, Capart passou a fabricar em escala industrial os primeiros captores
radioactivos que foram utilizados no mundo. Estes captores foram ento
baptizados com o nome de PREVENTOR e passaram a ser produzidos pela
empresa francesa INDELEC, e pela empresa americana Lightning Preventor of
America.
Aps a Segunda Guerra Mundial, o emprego do Ra-226 foi substitudo pelo
emissor de Amercio 241, radioistopo mais disponvel e econmico naquela
poca.
Apesar de em 1962 o cientista alemo Mller Hillebrand ter apresentado um
estudo sobre o assunto, afirmando que o captor radioactivo e o captor Franklin
apresentavam comportamentos iguais na presena de um campo elctrico, este
tipo de pra-raios foi largamente utilizado em quase todo o mundo entre as
dcadas de setenta e noventa. No entanto, encontram-se hoje proibidos em
muitos pases incluindo Portugal.
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Introduo
19
Com a proibio dos pra-raios radioactivos outros tipos de pra-raios ionizantes
tm sido tentados: piezoelctricos, com perfil especial e com dispositivo de
antecipao. Todos so hastes de Franklin com um dispositivo que promete
ionizar intensamente o ar em volta da ponta e, desta forma, aumentar a distncia
do salto final. Este conceito conhecido por Early Streamer Emission.
O objectivo dos fabricantes de todos os pra-raios que prometem uma rea de
influncia muito maior que o pra-raios de Franklin oferecer aos seus clientes
uma soluo tecnologicamente evoluda e com vantagens econmicas na
instalao.
Infelizmente a realidade dos factos nem sempre a anunciada nos catlogos dos
fabricantes. Foi em Frana que o pra-raios com dispositivo electrnico de
antecipao foi mais impulsionado pela indstria local. Estes so constitudos por
uma haste metlica qual se junta um dispositivo electrnico capaz de produzir,
no momento certo, uma forte ionizao do ar na vizinhana da ponta da haste ao
provocar a disrupo do ar e gerar pequenos arcos elctricos. A ionizao do ar
aumenta o nmero de electres germe aumentando assim a probabilidade de seiniciar o efeito coroa, se o campo elctrico em redor for suficientemente elevado.
Este tipo de pra-raios foi inclusivamente objecto da cobertura normativa
Francesa, a NF C 17-102, mas as dvidas levantadas pela comunidade cientfica
internacional sobre as reais vantagens destes pra-raios relativamente ao pra-
raios Franklin levaram o Governo Francs a encomendar ao Institut National de
lEnvironnement Industriel et des Risques(INERIS) um estudo rigoroso.
Em Outubro de 2001, o INERIS publicou as suas concluses [8] onde se pode ler
que, apesar das bases cientficas nas quais se apoiam estes dispositivos estarem
correctas, o problema reside no momento do disparo do dispositivo electrnico.
Se o disparo ocorre muito cedo o traador ascendente no se poder propagar
suficientemente longe devido ao ainda fraco campo elctrico envolvente e, assim,
no se dar a juno dos dois traadores.
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Introduo
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Aps o disparo o dispositivo electrnico tem necessidade de se recarregar para
efectuar novo disparo e o tempo de carga longo face ao tempo de durao da
DEA. Se o disparo ocorre aps o impacto da DEA no serve para nada e o pra-
raios com dispositivo de antecipao comporta-se como um simples pra-raios
Franklin.
Aps a publicao deste relatrio as vendas dos pra-raios com dispositivo de
antecipao diminuram drasticamente em todo o mundo. Curiosamente em
Portugal as vendas aumentaram e at foi publicada, em Dezembro de 2003, uma
norma, a NP 4466.
Proteco contra DEA indirectas
O modo de proteger uma Instalao Elctrica (IE) contra os efeitos indirectos das
DEA, isto , as sobretenses de origem atmosfrica pode resumir-se em trs
etapas fundamentais: a intercepo da DEA; a conduo para o solo da corrente
veiculada pela DEA, com limitao da sobretenso correspondente; e a utilizao
de dispositivos capazes de limitar as sobretenses a valores inferiores aossuportveis pelo equipamento.
Uma vez que a DEA interceptada pelos captores da IPR, a corrente elctrica
veiculada por esta escoa-se para a terra atravs das descidas e do elctrodo de
terra, originando sobretenses transitrias que podem ser perigosas, quer para a
segurana das pessoas, quer para a funcionalidade dos equipamentos.
Evidentemente que se deseja o menor valor possvel para a resistncia do
elctrodo de terra, de maneira que as sobretenses no atinjam valores
susceptveis de causar dano, mas as caractersticas do solo desempenham um
importante papel no valor desta resistncia e como no possvel alcanar o
valor de zero Ohm, as sobretenses so inevitveis.
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Introduo
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A corrente que ento flui no dispositivo de comutao em operao, deve ser
cortada antes de atingir valores de corrente de curto-circuito (ICC) e assim evitar o
accionamento de outros dispositivos de proteco como fusveis ou disjuntores.
possvel encontrar dois tipos de dispositivos de comutao em
comercializao, baseados neste princpio de funcionamento:
Explosor em tubo de gs, tambm conhecido por Gas Discharge Tube
(GDT);
Dodo de disrupo, tambm conhecido por Breakover Diode (BOD).
O GDT normalmente constitudo por um par de elctrodos no interior de um
tubo de vidro, ou cermica, cheio com um determinado gs. O GDT ainda no
um dispositivo de proteco suficientemente eficaz para ser usado per si na
proteco de equipamento com microelectrnica. O GDT reage lentamente ao
aumento da tenso; por esta razo, quando em presena de sobretenses
transitrias, o GDT pode deixar a tenso subir muito acima do valor mximo da
tenso de alimentao, antes de ser activado. De modo a quantificar o que acabou
de ser dito, digamos que um GDT com tenso estipulada de 240 V pode operar
apenas quando a sobretenso transitria excede 1500 V, o que ser inaceitvel
para muito do equipamento electrnico moderno.
Uma vez activado, o GDT comporta-se como um curto-circuito e torna-se ento
difcil deslig-lo. So normalmente utilizados em redes de distribuio ou
instalaes de potncia.
No entanto, apresentam como vantagem a capacidade de suportarem correntes de
elevado valor sem se destrurem e, por essa razo, so frequentemente aplicados
no Quadro de Entrada (QE).
O BOD um dispositivo semicondutor da famlia do tristor, cuja caracterstica
U/I est muito mais prxima da ideal, mas mantm a dificuldade de ser desligado
e suporta correntes com menor valor de amplitude.
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Introduo
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O dispositivo limitador de tenso, quando em presena de uma sobretenso
transitria, ir manter a tenso, aos terminais do equipamento, num valor
suportvel por este. O aumento da intensidade de corrente atravs do dispositivo
provoca a diminuio da sua resistncia interna, o que faz com que a tenso no
aumente. O dispositivo ideal seria aquele que, independentemente do valor
assumido pela corrente, mantivesse a tenso sempre num valor constante e
suportvel pelo equipamento.
O mercado disponibiliza dois tipos de dispositivos limitadores de tenso que se
aproximam destas caractersticas, com tecnologias de fabrico diferentes:
Varistor de xido metlico, tambm conhecido na literatura por Metal
Oxide Varistor(MOV);
Dodo supressor de sobretenses transitrias, tambm conhecido por
Tyristhor Surge Supressor(TSS).
Os MOVs so resistncias no-lineares constitudas por pequenas esferas de
material, comprimidas umas contra as outras. A interface existente entre duas
esferas forma uma juno semicondutora. A quantidade de junes existentes no
dispositivo determina o valor da tenso qual o dispositivo dever funcionar.
As suas dimenses condicionam a intensidade de corrente que pode fluir atravs
deste dispositivo. O dispositivo MOV capaz de suportar uma elevada
intensidade de corrente e operar muito rapidamente, mas apesar disso, a sua
caracterstica U/I afasta-se do dispositivo ideal. Ainda assim, os MOV
representam um grande avano tecnolgico face aos dispositivos baseados no
carboneto de silcio.
O TSS uma verso melhorada do dodo zener, possuindo uma juno semi-
condutora alargada. A sua caracterstica U/I bastante prxima da ideal mas
suporta uma intensidade de corrente relativamente baixa. O TSS testado e
utilizado em circunstncias idnticas ao MOV.
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1.4 Organizao do Texto
O texto da tese est organizado em seis captulos. O Captulo 2 destinado
caracterizao da DEA. O Captulo 3 destinado caracterizao da actividade
cerunica em Portugal continental. O Captulo 4 destinado proteco dos
parques elicos contra efeitos indirectos das DEA. O Captulo 5 destinado
proteco dos parques elicos contra efeitos directos das DEA. No Captulo 6 so
apresentadas as consideraes finais.
Seguidamente, apresentada uma descrio mais detalhada do contedo de cada
captulo.
No Captulo 2 apresentada uma sntese sobre a importncia das DEA nas
diferentes culturas e religies ao longo da histria da humanidade. O processo da
formao das nuvens bem como o processo de formao das DEA revisto.
Particularmente nesta reviso abordada a formao das nuvens de trovoada.
Apresentam-se os diferentes tipos de DEA e as diferentes fases do processo de
impacto de uma DEA. Finalmente, so apresentados justificadamente os
parmetros caractersticos das DEA usados nesta tese.
No Captulo 3 apresentado o estudo realizado actividade cerunica sobre o
territrio de Portugal continental. Os dados experimentais foram recolhidos pelo
Sistema de Localizao Automtica de DEA e cedidos para o propsito desta
tese pelo IM. Aps uma breve reviso sobre os diversos sistemas de deteco e
localizao, com especial enfoque para o sistema utilizado em Portugal,
apresentam-se os resultados obtidos. Os resultados correspondem aos primeiros
cinco anos de funcionamento deste sistema com quase quatro milhes de registos
e incluem, entre outros, distribuio geogrfica, sazonal e de polaridade, e
probabilidade acumulada da corrente de pico das descargas elctricas nuvem-
solo.
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No Captulo 4 apresentado o estudo realizado proteco dos parques elicos
contra os efeitos indirectos das DEA. So obtidas as equaes da linha de
transmisso. As principais caractersticas do programa de computador EMTP-RV
so realadas. O programa EMTP-RV utilizado no estudo da propagao das
sobretenses causadas por DEA indirectas em dois casos de estudo. No primeiro
caso de estudo considera-se apenas um aerogerador dotado do seu equipamento
habitual, e no segundo so considerados dois aerogeradores interligados.
No Captulo 5 apresentado o estudo realizado proteco dos parques elicos
contra os efeitos directos das DEA. apresentada uma reviso sobre o mtodo de
anlise de risco de danos causados por DEA proposto pela normalizao
internacional IEC 62305. apresentado um novo programa de computador
em Visual Basic, o LPS 2008, desenvolvido para o propsito desta tese.
O LPS 2008 corre sobre o AutoCAD, efectua a anlise de risco de danos de uma
qualquer estrutura ou conjunto de estruturas baseado na IEC 62305 e permite
ainda a simulao em 3D do RSM. O RSM permite identificar os pontos
vulnerveis de uma estrutura em funo do nvel de proteco escolhido.O programa EMTP-RV utilizado no estudo da propagao das sobretenses
causadas por DEA directas em dois casos de estudo. No primeiro caso de estudo
considera-se apenas um aerogerador dotado do seu equipamento habitual, e no
segundo so considerados dois aerogeradores interligados.
No Captulo 6 so apresentadas as contribuies originais desta tese sobre o tema
da proteco de sistemas de energia elica contra descargas elctricasatmosfricas. Ainda, so indicadas as publicaes cientficas que resultaram no
contexto de divulgao e validao do trabalho de investigao realizado.
Por fim, so indicadas direces para futuros desenvolvimentos.
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1.5 Notao
Em cada um dos captulos desta tese utilizada a notao mais usual na literatura
especializada, harmonizando, sempre que possvel, aspectos comuns a todos os
captulos. Contudo, quando necessrio, em cada um dos captulos utilizada uma
notao apropriada. As expresses matemticas, figuras e tabelas so
identificadas com referncia ao captulo em que so apresentadas e so
numeradas de forma sequencial no captulo respectivo, sendo a numerao
reiniciada quando se transita para o captulo seguinte. A identificao de
expresses matemticas efectuada atravs de parnteses curvos ( ) e aidentificao de referncias bibliogrficas efectuada atravs de parnteses
rectos [ ].
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CAPTULO
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Neste captulo apresentada uma sntese sobre a importncia das DEA nas
diferentes culturas e religies ao longo da histria da humanidade. O processo
da formao das nuvens bem como o processo de formao das DEA revisto.
Particularmente nesta reviso abordada a formao das nuvens de trovoada.
Apresentam-se os diferentes tipos de DEA e as diferentes fases do processo de
impacto de uma DEA. Finalmente, so apresentados justificadamente os
parmetros caractersticos das DEA usados nesta tese.
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2.1 Introduo
Desde sempre os raios e os troves infundiram medo e respeito ao ser humano e
so ao mesmo tempo smbolo de poder. Isto torna-se evidente quando se conhece
o importante papel que os raios desempenharam nas diferentes culturas e
religies.
No antigo Egipto, o deus Typhon era o responsvel por lanar os raios do cu.
Nos antigos livros de vedas da ndia, Indra descrita como a deusa do cu, dos
raios, da chuva, tempestades e troves, e aparece representada no seu carro no
qual carrega os raios. Os sumrios representam a deusa Zarpenik, em 2500 a.C.,
cavalgando pelo ar com um feixe de raios em cada mo. Os gregos acreditavam
que os raios eram uma arma utilizada pelo deus Zeus e pela sua famlia.
Na mitologia grega o raio foi criado por Minerva, deusa da sabedoria. Os raios
eram por isso uma manifestao divina e onde quer que cassem era solo sagrado.
Por esta razo, muitos templos gregos e romanos foram erguidos nestes pontos de
impacto de modo a que ficassem mais perto dos seus deuses. Os muulmanostambm atribuem a Al o fenmeno do raio. Pode ler-se no Coro Ele quem te
mostra a luz e lana o trovo. A mitologia escandinava refere o deus Thor, deus
do trovo, como o inimigo de todos os demnios e combatia-os com os raios que
esculpia no seu carro. Para os romanos era Jpiter o dono dos raios e no livro que
Sneca escreveu, provavelmente o primeiro livro sobre os raios, pode ler-se:
Jpiter atira os raios contra colunas, rvores e s vezes at contra as suas
prprias esttuas.
Efectivamente, as trovoadas continuam a proporcionar imagens to fantsticas
quanto perigosas (Fig. 2.1). No raro encontrarmos pessoas fascinadas pelo
espectculo da trovoada. Alguns correm ao encontro das trovoadas s para as
fotografar ou pelo prazer de as contemplar. Pelo contrrio, outras pessoas sentem
um medo terrvel durante uma trovoada, mas provavelmente ningum fica
indiferente.
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Fig. 2.1 DEA sobre o Parque das Naes em 09/09/2009
Contudo, as trovoadas e as suas DEA podem ser extremamente perigosas e todos
os anos matam centenas de pessoas e ferem muitas mais, j para no falar dos
avultados prejuzos materiais. Importa, pois, conhecer a sua natureza de modo a
mitigar os seus efeitos nefastos e podermos apreciar a sua beleza com o mximo
de segurana.
2.2 Formao das Nuvens de Trovoada
Os primeiros a desenvolver teorias sobre as nuvens foram os jnicos da sia
Menor no sc. VIII a.C., que acreditavam ser as nuvens uma forma mais espessa
de ar hmido. Esta ideia persistiu at quase metade do sc. XVII, quando Ren
Descartes afirmou que o ar e o vapor de gua eram dois elementos distintos.
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Em 1751 o fsico francs Charles Le Roy observou que se aprisionasse ar hmido
num frasco de vidro e o deixasse arrefecer se produzia orvalho no interior do
frasco. Mas, quando se aquecia o frasco a uma temperatura especfica, chamada
ponto de orvalho, a condensao desaparecia. Verificou tambm que o ar quente
pode conter mais vapor de gua e parecer mais seco que o ar frio, ou seja, a
humidade relativa e depende da temperatura do ar.
Em 1802 o qumico ingls John Dalton props a teoria que o vapor de gua era
um gs que se comportava no ar como qualquer outro gs, mas no se combinava
quimicamente em soluo. As molculas de gua no ar exercem uma presso de
vapor de gua que independente dos outros gases. Quando esta alta o ar
satura-se de vapor de gua e qualquer aumento do mesmo traduz-se em
precipitao. A humidade relativa a relao entre a presso do vapor de gua
existente e a mxima presso possvel de vapor de gua e expressa-se em
percentagem.
A formao das nuvens depende da instabilidade atmosfrica e do movimento do
ar: as nuvens formam-se quando uma massa de ar carregada de humidade
aquecida e se eleva na atmosfera. O ar quente e hmido pode ser elevado
segundo diversos mecanismos (Fig. 2.2).
Fig. 2.2 Mecanismos de elevao do ar quente e hmido na atmosfera (Fonte: IM)
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Enquanto o ar hmido sobe lentamente, a presso atmosfrica diminui,
permitindo que a massa de ar hmido se expanda. A energia necessria para esta
expanso procede do calor prprio da massa de ar em ascenso e a sua expanso
provoca uma queda da temperatura no seu interior.
Se a massa de ar hmido continuar a elevar-se, pode arrefecer o suficiente para
atingir o ponto de orvalho e o vapor de gua condensa em torno de ncleos
higroscpicos formando as nuvens. Os ncleos higroscpicos podem ser
partculas de p, fumo, sais ou substncias microscpicas. Quando o vapor de
gua atinge o ponto de orvalho liberta o calor latente, caracterstico da mudana
do estado gasoso para o estado liquido e do liquido para o slido. Esta libertao
de calor torna mais lento o arrefecimento da massa de ar hmido, permitindo-lhe
manter o seu poder ascensional e consequentemente o crescimento da nuvem.
Consoante as condies climatricas as nuvens podem crescer segundo uma
variedade de formas, tamanho e altitude. A Fig. 2.3 apresenta os diversos tipos de
nuvens.
Fig. 2.3 Classificao das nuvens (Fonte: IM)
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As nuvens de trovoada so as Cumulonimbus, com a base entre 700 e 1500 m de
altitude, e com os topos a atingir 24 a 35 km, sendo a mdia entre 9 e 12 km.
So formadas por gotas de gua, cristais de gelo, flocos de neve e granizo e o seu
interior agitado por fortes correntes de ar. Quando o topo alcana a troposfera
este expande-se horizontalmente devido aos ventos superiores, adquirindo a
forma de bigorna; so os Cumulonimbus Incus. Uma descrio mais detalhada
sobre o assunto pode ser encontrada em [9].
2.3 Desenvolvimento da DEA
O planeta Terra encontra-se electricamente carregado e comporta-se como um
condensador esfrico. A Terra possui uma carga elctrica negativa de 1106C
enquanto a atmosfera possui idntica carga mas positiva [10].
Observaes realizadas indicam que em cada instante ocorrem na Terra entre
1000 e 2000 trovoadas [11]. Assume-se que a nuvem de trovoada se comportacomo um gerador elctrico que injecta cargas negativas na terra, de modo a
compensar as trocas de carga com a ionosfera, mantendo assim o equilbrio
elctrico.
DEA nuvem-nuvem
A DEA nuvem-nuvem actua de modo a equilibrar e neutralizar a carga elctrica
entre regies da atmosfera ou entre nuvens. A DEA nuvem-nuvem ocorre, na
maior parte das vezes, entre a principal regio de carga negativa, localizada onde
a temperatura do ar se situa entre -10 e -20 C, e a regio de carga positiva por
cima da negativa [12].
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A fase activa da DEA comea com a formao de uma canal disruptivo
(breakdown streamer) movendo-se para cima desde a regio negativa com uma
velocidade aproximada de 100 m/s [13] e [14].
Quando o canal disruptivo alcana a regio positiva torna-se um canal condutor
atravs do qual flui a corrente. Frequentemente, so observados impulsos de
corrente que acompanham o aumento do canal vertical devido ao processo
disruptivo [15]. As maiores emisses em baixa-frequncia, associadas aos
processos de transporte de corrente, ocorrem logo aps a fase inicial de uma
descarga nuvem-nuvem [16] e [17].
Quando o canal vertical atinge o seu comprimento mximo, cerca de 20 a 50 ms
aps o incio, descargas horizontais desenvolvem-se no topo do canal vertical.
Seguidamente, aparecem tambm descargas horizontais em torno do canal na
regio negativa.
Durante a fase activa de uma DEA o processo disruptivo reinicia-se no canal
vertical inicial, intervalado por impulsos de corrente [14]. O fluxo de correnteeventualmente pra aps um intervalo de tempo da ordem das centenas de mili-
segundos, quando a regio de carga negativa em torno da base do canal vertical
se encontrar suficientemente empobrecida ou at com carga positiva acumulada.
Nesta fase, a actividade localiza-se basicamente a baixa altitude, com descargas
horizontais que transportam carga negativa para a regio empobrecida.
DEA nuvem-solo
A maioria das DEA nuvem-solo comeam com uma DEA nuvem-nuvem a qual
chamada descarga preliminar. Aps cerca de 1/10 do segundo, aparece o canal
guia descendente e denteado denominado traador (stepped-leader) por baixo da
nuvem, deslocando-se para baixo em saltos sucessivos. A maioria transporta
carga negativa ao longo do canal mas alguns so positivos.
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Aps poucas dezenas de mili-segundos, quando a ponta do canal guia se encontra
a algumas dezenas de metros acima do solo ou de objectos implantados no solo,
o campo elctrico por baixo da ponta torna-se suficiente para iniciar um ou mais
canais disruptivos ascendentes (streamers), habitualmente a partir dos objectos
mais altos na vizinhana do canal guia descendente.
Quando um dos canais disruptivos ascendentes contacta o canal guia descendente
d-se o primeiro arco-de-retorno (return stroke). O arco-de-retorno basicamente
uma onda de corrente positiva intensa que se propaga para cima, a cerca de
metade da velocidade da luz, e descarrega o canal. Aps uma pausa de 40 a
80 ms, outro canal guia (dart-leader) pode restabelecer o canal e propiciar um
arco-de-retorno subsequente.
Uma DEA nuvem-solo tpica contem diversos arcos-de-retorno e tem uma
durao aproximada de meio segundo. Em cerca de 3050 % das DEA nuvem-
solo o canal ao restabelecer-se no toma o mesmo caminho, e consequentemente
a DEA atinge dois ou mais pontos [18].
Caractersticas das DEA nos domnios do tempo e da frequncia
Da apresentao anterior acerca das DEA nuvem-nuvem e nuvem-solo, claro
que ambos os tipos de DEA emitem energia num largo espectro de rdio
frequncias.
Durante os processos de ionizao e disrupo observam-se fortes emisses em
muito alta frequncia (VHF Very High Frequency). Mas quando ocorrem
fluxos de corrente em canais previamente ionizados, como nos casos dos arcos-
de-retorno e na fase activa das DEA nuvem-nuvem, a maior parte das emisses
verifica-se em baixa e muito baixa frequncia (LF e VLF Low and Very Low
Frequency).
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A Fig. 2.4, apresentada pela primeira vez por Malan [19], mostra a relao entre
a frequncia emitida e o mtodo de localizao das DEA. Pierce [20] tambm
contm um excelente resumo acerca da radiao emitida pelas DEA nestas
bandas de frequncia.
Fig. 2.4 Relao entre a frequncia e o mtodo de localizao das DEA [19]
Nas DEA nuvem-solo as emisses VLF e LF esto relacionadas com o
comprimento do canal condutor e com a elevada intensidade da corrente [18].
Consequentemente, existem apenas uns poucos impulsos de grande magnitudepor DEA.
As DEA nuvem-nuvem produzem desde dezenas a centenas de pequenos
impulsos em LF, mas apenas ocasionalmente produzem impulsos de grande
magnitude [21] e [22]. Na banda do VHF, pelo contrrio, h aproximadamente
100 vezes mais impulsos que em LF e VLF, e as amplitudes alcanadas so
comparveis s registadas nas DEA nuvem-solo.
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A radiao VHF produzida pelos processos de disrupo com dimenses da
ordem das dezenas a centenas de metros e pequenas correntes [23].
Devido s diferentes caractersticas dos impulsos emitidos pelas DEA, emfrequncia e amplitude, diferentes tcnicas so usadas para melhor se adequarem
deteco das DEA.
Detectores de sinais em LF e VLF, que se propagam ao longo da superfcie
terrestre, tm sido usados para detectar os arcos-de-retorno das DEA nuvem-solo
desde h muitos anos. Os detectores que operam em LF tambm podem ser
usados para detectar DEA nuvem-nuvem; no entanto a amplitude destes sinais consideravelmente menor e exige maior sensibilidade da parte do detector.
A mesma tecnologia pode ainda ser usada para deteco de sinais puramente
VLF, os quais se propagam milhares de quilmetros devido s reflexes entre a
ionosfera e o solo, emitidos por arcos-de-retorno de DEA nuvem-solo. Isto
permite localizar DEA nuvem-solo em locais distantes nos quais no possvel
colocar detectores.
Os sistemas que operam em VHF so igualmente sensveis maioria dos
processos das DEA nuvem-nuvem e nuvem-solo mas, uma vez que s operam
em linha de vista, o seu alcance bastante limitado.
No entanto, conciliando esta caracterstica com o facto dos sinais VHF serem de
curta durao, possvel modelar as fontes de sinais VHF como fontes pontuais
localizveis em 3D. O elevado nmero de impulsos por DEA permite que sejam
mapeados com maior detalhe.
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2.4 Processo de Impacto
Duas imagens de uma DEA negativa podem ser observadas na Fig. 2.5 [24].
Nesta figura possvel observar-se a imagem de uma DEA negativa obtida com
uma cmara em repouso e outra imagem da mesma DEA com a cmara em
movimento horizontal.
Fig. 2.5 a) DEA fotografada com uma cmara em repouso; b) DEA fotografada com
uma cmara em movimento [24]
A imagem com a cmara em movimento revela a existncia de sete canais
luminosos entre a nuvem e o solo. Cada canal luminoso corresponde a um arco-
de-retorno. O primeiro arco-de-retorno situa-se direita dos demais uma vez que
o tempo cresce da direita para a esquerda. Cada canal composto por um
traador descendente (SteppedLeader) e uma descarga de corrente ascendente
chamada arco-de-retorno.
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Julga-se que a forma denteada e errnea do canal ionizado se deve existncia de
bolsas ionizadas, as quais so arrastadas ao sabor de fortes ventos, no per
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