1Sobretensões Atmosféricas em Linhas de Transmissão Bruno do Prado Jácome
[email protected] Universidade Federal de São João Del Rei 1 INTRODUÇÃO experimentais na área. No Brasil podem-se citar os desenvolvidos no Morro do Cachimbo pela Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) e os desenvolvidos pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), além do desenvolvimento da Rede Integrada Nacional de Detecção de Descargas Atmosféricas (RINDAT). Com a privatização das concessionárias, a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), órgão regulador do governo, tem exigido que as mesmas aperfeiçoem seus padrões de qualidade no fornecimento de energia. Paralelamente, os consumidores também estão cada vez mais exigentes, e um maior investimento em pesquisas e desenvolvimento de novas técnicas e tecnologias se faz necessário. Portanto, o estudo dos efeitos causados por descargas atmosféricas, com base nas considerações sobre transitórios eletromagnéticos, no sistema elétrico de potência é um tópico de extrema importância. Neste trabalho será analisado, por meio do software ATPdraw (Alternative Transients Program), o comportamento de linhas de transmissão frente a descargas atmosféricas. Foram feitas simulações de descargas incidindo no topo de uma torre de transmissão. As sobretensões causadas pela incidência das descargas foram medidas na cadeia de isoladores da linha, variando-se a resistência de pé de torre e o tempo de frente da onda para que pudesse ser feita uma análise de sensibilidade, e com base nessa análise tirar conclusões e propor melhorias para o sistema elétrico que está sujeito a tais fenômenos diariamente. 2 TRANSITÓRIOS E SOBRETENSÃO ATMOSFÉRICA Os sistemas elétricos de potência, que englobam geração, transmissão e distribuição de energia elétrica, devem ser projetados para fornecê-la com qualidade, confiabilidade e de forma contínua. Entretanto, estão sujeitos a situações imprevistas, como incidência de descargas atmosféricas, e podem trabalhar de maneira não satisfatória e com falhas. As descargas atmosféricas podem incidir diretamente nas torres ou nos cabos das linhas de transmissão causando uma série de problemas. Podem ocorrer desligamentos, dependendo das características da descarga atmosférica incidente, como magnitude e tempo de frente da onda, do ponto de incidência, como cabo páraraios ou cabo fase, e das características da linha de transmissão. Esses fenômenos estão entre as principais causas de distúrbios, provocando sobretensões e ocasionando uma parcela significativa das interrupções e danos, muitas vezes permanentes, nos sistemas elétricos. Tais situações podem resultar em grandes prejuízos às empresas do setor e à sociedade, e um bom sistema de proteção deve atuar para minimizar tais imprevistos. A coordenação e isolamento de linhas de transmissão é um conjunto de técnicas e estudos buscando condições de isolamento adequadas às sobretensões esperadas, que são causadas entre outros motivos, por descargas atmosféricas, levando em consideração as características dos possíveis equipamentos protetores. Porém, construir uma linha que consiga suportar todos os níveis de sobretensão seria muito custoso. Dessa forma, o isolamento adequado para cada linha de transmissão deve ser feito de tal forma que se minimize os custos e coloque a linha em “níveis aceitáveis” de falha. O avanço da tecnologia tem ajudado muito nesta tarefa, permitindo aos engenheiros eletricistas uma maior facilidade em cálculos de sobretensão, através de programas de simulações de transitórios eletromagnéticos. As descargas atmosféricas injetam surtos nos sistemas elétricos por duas maneiras: por indução, quando acontece acoplamento eletromagnético com os condutores, e por incidência direta. Para sistemas de transmissão e distribuição de energia elétrica, as mesmas possuem grande impacto devido à predominância de linhas aéreas e sua grande extensão. Muitos desligamentos em linhas são causados por descargas atmosféricas, representando quase um terço do total. Dessa forma, esse é um dos motivos de o sistema elétrico de potência ser alvo de muitas pesquisas acerca dos efeitos das descargas atmosféricas. Entretanto encontramse muitas divergências nas teorias desses fenômenos e isso tem levado a uma maior motivação para estudos Neste estudo realizado, conceitos de propagação de ondas eletromagnéticas são considerados para se ter um melhor entendimento acerca dos transitórios que ocorrem em linhas de transmissão, lançando-se mão da teoria de Maxwell. Entretanto, aplicar tais conhecimentos exige uma modelagem computacional devido à sua complexidade, onde é possível representar uma torre e suas linhas de transmissão, assim como uma descarga atmosférica incidindo em ambas. Simulando este problema prático, conseguimos obter então, resultados que se aproximam bastante da realidade física do sistema elétrico e, finalmente, um estudo com base nesses resultados pode ser feito. 2.1 O SISTEMA SOB ESTUDO O objetivo deste estudo é analisar as sobretensões causadas por descargas atmosféricas em linhas de transmissão. Para isso, por meio do software ATPdraw 5 0. foi obtida a distribuição temporal de tensão na cadeia de isoladores desprezando a influência de torres adjacentes. Será variada a resistência de pé de torre (R pe) e os tempos de frente das duas ondas em questão. A resistência de pé de torre foi variada de 10 a 80 ohms com incrementos de 10 ohms. A escolha do programa para realizar as simulações se dá pelo fato deste programa poder representar o sistema por parâmetros distribuídos. A partir daí a sobretensão aumenta diferentemente dependendo da resistência de aterramento. O valor obtido foi de 541 ohms.1.5 1.pl4.5 1.0 v :XX0053 2. O sistema sob estudo é representado na figura 1. Observa-se. Existem alguns métodos para se calcular a impedância de surto da torre (ZT). pois a onda de corrente que incide no cabo páraraios não é refletida. Esse é exatamente o tempo que a onda de corrente leva para percorrer toda a extensão da torre. Os cabos fase foram desprezados nesta análise. O esquema de montagem no programa ATP é mostrado na figura 2. Isso pode representar solos úmidos (resistividade baixa) e solos secos (resistividade relativamente elevada). hn é a altura média do cabo-pára raios ao solo e Dn é o diâmetro do cabo. Já na torre. A descarga atmosférica neste caso foi modelada por uma rampa retangular. foram simuladas incidências de descargas em pontos da torre. A amplitude da descarga foi estipulada em 45 kA. A distância entre as torres é de 300 metros. com tempo de frente constante de 1. A distribuição temporal de tensão na cadeia de isoladores é mostrada na figura 3. Dois tipos de ondas simularão a descarga atmosférica: a rampa retangular e a rampa triangular. analisando o gráfico obtido. A impedância de surto do cabo pára-raios (ZPR) foi calculada utilizando-se a seguinte equação: Onde ZPR é a impedância de surto do cabo pára-raios. O valor da impedância de surto obtida foi de 130 ohms.2 (Alternative Transients Program). menor é a sobretensão na cadeia de isoladores.5 2. Uma descarga atmosférica irá incidir diretamente na torre do meio e será obtida uma distribuição temporal de tensão na cadeia de isoladores. Nesta etapa. Figura 1 – Linha de transmissão sofrendo uma descarga atmosférica.0 (f ile TFC_RR.0 v :XX0021 1. (A) Rampa retangular com tempo de frente constante. e neste trabalho tal método foi omitido.2 us e amplitude de 45 kA.1 SIMULAÇÕES Neste item serão mostradas as simulações realizadas em cada etapa do estudo.0 0. 2. (B) Rampa Triangular com tempo de frente constante .Simulação ATP. que quanto menor a resistência de pé de torre.0 0. a velocidade foi considerada em 85%. Ramp Ret Figura 2 . Utilizando tal procedimento. 3. pois não é o foco deste. e ser um programa específico para se analisar transitórios eletromagnéticos. o tempo de frente da onda foi mantido constante.17 us a sobretensão na cadeia de isoladores cresce igualmente independente da resistência de pé de torre. e como dito anteriormente.0 [MV] 2. x-v ar t) v :XX0005 v :XX0085 v :XX0101 v :XX0117 Figura 3 – Distribuição temporal de tensão para valores de resistência de pé de torre diferentes.0 Distribuição temporal de tensão 0. 2. foi colocada em série com a linha de transmissão uma resistência de valor igual à impedância de surto da linha. evidenciando a influência do solo nas sobretensões causadas por descargas atmosféricas.5 v :XX0069 [us] 3. A velocidade de propagação no cabo pára-raios foi considerada em 90% da velocidade da luz. ser refletida pelo sistema de aterramento e chegar até à cadeia de isoladores. Outro fato que pode ser observado é que até 0. A figura representa uma linha de transmissão composta por três torres.1 – SIMULAÇÕES SEM INFLUÊNCIA DAS TORRES ADJACENTES 4hn Z PR = 60 ln Dn (1) Para desprezar os efeitos das torres adjacentes. A altura da torre (d1) foi estipulada em 24 m e a distância do topo da torre à cadeia de isoladores (d2) é de 4. técnica chamada de casamento de impedância. Foram considerados apenas esses dois tipos de ondas por efeito de simplificação.0 1.5 v :XX0037 2. toda influência das torres adjacentes é eliminada. Primeiramente as torres adjacentes foram desprezadas bem como as reflexões que iriam influenciar a sobretensão na torre principal.5 m. Simulação ATP. A descarga atmosférica neste caso foi modelada por uma rampa triangular. e como dito anteriormente. ser refletida pelo sistema de aterramento e chegar até à cadeia de isoladores. como no item (B). A descarga atmosférica neste caso foi modelada por uma rampa triangular.5 0. analisando o gráfico obtido. maior será a sobretensão na cadeia de isoladores. encontra-se uma sobretensão máxima de 1.0 Figura 5 . Outro fato que pode ser observado.pl4.5 us. (D) Rampa triangular com resistência de pé de torre constante Como nos itens anteriores.5 2. A distribuição temporal de tensão na cadeia de isoladores é mostrada na figura 7. as influências das torres adjacentes também foram desprezadas utilizando casamento de impedância. Esse é exatamente o tempo que a onda de corrente leva para percorrer toda a extensão da torre.5.2 1.6 MV. Figura 7 . O esquema de montagem no programa ATP é mostrado na figura 4. x-v ar t) v :XX0005 v :XX0085 v :XX0101 v :XX0117 [us] 5 0.5 0. 3.0 0. Dessa forma conclui-se que quanto mais rápida for a frente de onda.0 Figura 6 . ou seja. O esquema de montagem no programa ATP é mostrado na figura 4.3 Como no item (A).pl4. Comparando as duas ondas simuladas. Análogo aos itens anteriores. (C) Rampa retangular com resistência de pé de torre constante Neste caso pode-se observar que enquanto para um tempo de frente de 0. as influências das torres adjacentes também foram desprezadas utilizando casamento de impedância.Simulação ATP.6 (f ile Noname2. A resistência de pé de torre foi mantida .Distribuição temporal de tensão para valores de resistência de pé de torre diferentes.4 0 1 2 v :XX0021 v :XX0037 3 v :XX0053 4 v :XX0069 (f ile TFC_RT. Ramp Ret Figura 4 .4 0.17 us a sobretensão na cadeia de isoladores cresce igualmente independente da resistência de pé de torre. tempo de cauda de 50us e amplitude de 45 kA. quanto menor for o valor do tempo de frente da onda de corrente. A descarga atmosférica neste caso foi modelada por uma rampa retangular. A amplitude da onda foi mantida em 45 kA. x-v ar t) v :XX0005 [us] 2. A partir daí a sobretensão aumenta diferentemente dependendo da resistência de aterramento. Os valores de velocidade de propagação da onda na torre e no cabo pára-raios são idênticos ao item anterior. que quanto menor a resistência de pé de torre. foi obtida a distribuição temporal de tensão na cadeia de isoladores desprezando a influência de torres adjacentes. o tempo de frente da onda foi mantido constante. A resistência de pé de torre foi variada de 10 a 80 ohms.9 e 1.2 us.0 0.8 v :XX0022 1. foi obtida a distribuição temporal de tensão na cadeia de isoladores desprezando a influência de torres adjacentes. é que até 0. A distribuição temporal de tensão na cadeia de isoladores é mostrada na figura 5. foi obtida a distribuição temporal de tensão na cadeia de isoladores desprezando a influência de torres adjacentes. a sobretensão máxima cai para 1. 0. com tempo de frente constante de 1. mas variou-se o tempo de frente da rampa retangular em 0.6 1.0 [MV] 1.2 us. 2.15 MV.0 0. pode-se notar pouca diferença entre os resultados obtidos.0 0.Distribuição temporal de tensão para valores de tempo de frente diferentes.8 1. Observa-se novamente.2 v :XX0037 1. Ram p TR Como nos itens anteriores. menor é a sobretensão na cadeia de isoladores.0 [MV] 2. com incrementos no valor de 10 ohms.2 us. para um tempo maior de 1. A resistência de pé de torre foi mantida constante (Rpe=20 ohms). Os valores de velocidade de propagação da onda na torre e no cabo pára-raios são idênticos ao item anterior. Análogo ao item (B). 0 Figura 10 .4 constante (Rpe=20 ohms). Analisando o gráfico.Simulação ATP. que são as reflexões causadas pela descontinuidade entre linha e torre.2 us. ou resistência de aterramento. a influência de 2 torres adjacentes à que sofre ação da descarga atmosférica será considerada para estabelecer uma comparação com o item anterior. Os valores de velocidade de propagação da onda na torre e no cabo pára-raios são idênticos ao item anterior.6 (f ile Noname3. x-v ar t) v :XX0005 [us] 20 0. 2. Mais uma vez. O esquema de montagem no programa ATP é mostrado na figura 4. Ram p TR Ramp Ret Figura 9 . tais simulações foram omitidas.pl4. novamente conclui-se que quanto mais rápida for a frente de onda.2 – SIMULAÇÕES COM INFLUÊNCIA DE 2 TORRES ADJACENTES Nesta etapa. a linha deve superar tais riscos a fim de evitar desligamentos ou .2 0.4 0. as influências das torres adjacentes também foram desprezadas utilizando casamento de impedância.0 0. Uma vez que as curvas obtidas foram bem similares. Figura 8 . desta vez é possível perceber a influência das torres adjacentes.Simulação ATP. a velocidade foi considerada em 85%.6 A distância entre as torres é de 300 metros. A distribuição temporal de tensão na cadeia de isoladores é mostrada na figura 8.0 0. 0. A velocidade de propagação no cabo pára raios foi considerada em 90% da velocidade da luz. Foram feitas simulações também para rampa triangular e as mesmas conclusões foram tiradas. A distribuição temporal de tensão na cadeia de isoladores é mostrada na figura 10. Análogo aos itens anteriores.1.5. x-v ar t) v :XX0005 [us] 2. Foi obtida a distribuição temporal de tensão na cadeia de isoladores considerando a influência de 2 torres adjacentes.2 v :XX0037 1.0 [MV] 1. com tempo de frente constante de 1. Entretanto.8 1.6 1. para um tempo maior de 1.0 0. Novamente pode-se observar que enquanto para um tempo de frente de 0.8 v :XX0021 1. mas variou-se o tempo de frente da rampa triangular em 0.2 ANÁLISE DOS RESULTADOS Neste trabalho simulações computacionais foram executadas em cenários hipotéticos de descargas atmosféricas incidindo em linhas de transmissão. Dessa forma.2 us e amplitude de 45 kA. Figura 7 . maior é a sobretensão na cadeia de isoladores. de 10 a 40 ohms e como dito anteriormente. Dessa forma. 2. Já na torre. fica claro que quanto menor a resistência de pé de torre.9 1.5 us. encontra-se uma sobretensão máxima de 1. 2. A descarga atmosférica foi modelada por uma rampa retangular.2 us.4 0 4 8 v :XX0024 v :XX0069 12 v :XX0088 16 (f ile eaaf 2. a sobretensão máxima cai para 1.4 0.pl4. o tempo de frente da onda foi mantido constante.Distribuição temporal de tensão para valores de tempo de frente diferentes. além da visualização das reflexões causadas pelas torres adicionadas.6 MV.Distribuição temporal de tensão para valores de resistência de pé de torre diferentes.15 MV. O tempo de cauda foi mantido constante assim como a amplitude da onda. O esquema de montagem no programa ATP é mostrado na figura 2.2 0. menor é a sobretensão na cadeia de isoladores. A resistência de pé de torre foi variada de 10 em 10 ohms. o valor de pico de tensão desprezando ou considerando mais de uma torre permanece o mesmo.8 0. 2.0 [MV] 1. Esses cenários simplificados podem representar situações de risco real pelo qual o sistema elétrico está sujeito quando acontece uma tempestade. Neste trabalho foi implementado um modelo bastante simples no software ATPdraw para análise do comportamento de linhas de transmissão frente a descargas atmosféricas no domínio do tempo. tendem a sofrer maiores sobretensões atmosféricas na cadeia de isoladores quando submetidas à descargas atmosféricas. Furnas Centrais Elétricas SA . tópico importante no estudo de transitórios eletromagnéticos.n. um modelo mais preciso de linhas de transmissão (envolvendo parâmetros adicionais) e da descarga atmosférica. Belo Horizonte. 2007. 2007. Dessa forma. envolvendo aproximações dependendo da necessidade de cada estudo. São Luís. R. um estudo sobre a incidência de descargas atmosféricas tem notável importância para o projeto e operação de linhas de transmissão. ou seja. H. F. Dessa forma. No que diz respeito à proposta de continuidade ou melhorias deste trabalho. Dentro deste aspecto. “Sobretensões transitórias devido a descargas atmosféricas em estruturas com dois circuitos de tensões diferentes”.5 interrupções de fornecimento de energia elétrica a todos seus consumidores. H. Até mesmo o processo que envolve a descarga é ainda discutido na literatura. com bases em estudos estatísticos. : il. R. (MG) : [s. A. que melhor se aproxime da realidade poderia ser implementado. Dessa forma tem-se consequentemente um melhor desempenho do isolamento. ou seja. As simulações realizadas mostraram a distribuição temporal de tensão na cadeia de isoladores de uma torre de transmissão com e sem influência de mais 2 torres adjacentes ao sofrer a ação de uma descarga atmosférica no cabo pára raios. M. “Análise de desempenho frente a impulsos atmosféricos induzidos em circuitos de média tensão”. P. Pôde ser notado como é grande a influência da resistência de aterramento das torres de transmissão. Nessas simulações foi demonstrada a importância de se obter valores reduzidos para a resistência de aterramento da torre. “Melhoria de desempenho de linhas de transmissão frente a descargas atmosféricas: desenvolvimento de sistema de informações e análise de casos”. Outro fato importante mostrado por meio das simulações foi o fato de que quanto mais rápida for a frente de onda. quanto menor o tempo de frente do fenômeno. Valores baixos de resistência de aterramento reduzem a sobretensão causada na cadeia de isoladores. muitas modelagens são propostas. C. Diante disso. 3 CONCLUSÃO Os sistemas elétricos de potência estão sujeitos a sofrerem danos em função de descargas atmosféricas incidentes durante uma tempestade. Com isso a probabilidade de ocorrência de descargas disruptivas na cadeia de isoladores tende a diminuir com uma melhor escolha de resistência de pé de torre. dando enfoque no estudo das sobretensões causadas na cadeia de isoladores de uma das fases de uma linha de transmissão. [2] Pereira. M. [5] Saran. O fenômeno foi modelado por 2 tipos de onda de corrente: rampa retangular e rampa triangular. Dessa forma. aumentando a probabilidade de disrupção no sistema de isolamento da torre. De uma maneira geral. Itajubá. que possuem maior resistividade do que solos úmidos. o desempenho do sistema elétrico frente a descargas atmosféricas poderia ser otimizado. M. para que dessa forma se tenha um bom funcionamento do sistema elétrico em geral. muitas conclusões puderam ser feitas a fim de se minimizar os efeitos negativos trazidos pelo fenômeno. “Estudo teórico e computacional do desempenho de linhas de transmissão de alta-tensão na presença de descargas atmosféricas”. quanto menor o tempo de frente da onda de corrente causada pela descarga atmosférica. “Sobretensões de origem atmosférica em linhas de média tensão”. as simulações foram feitas analisando as sobretensões nos isoladores de uma das fases da torre de transmissão quando submetidas à descargas atmosféricas no cabo p-ara-raios. Itajubá. Em conseqüência disso. Outro ponto importante que pôde ser notado é que quanto mais rápida for a descarga atmosférica. 2008. Com as simulações também foi possível constatar o fenômeno das reflexões de uma onda quando a mesma encontra uma descontinuidade (impedância de surto diferentes). P.]. Dessa forma um estudo a respeito das características do comportamento de descargas atmosféricas com base em dados estatísticos deve ser levado em conta no projeto de coordenação de isolamento de linhas de transmissão. Apesar da simplicidade do modelo. . maior será a sobretensão medida na cadeia de isoladores. M. REFERÊNCIAS [1] Nunes. maior será a sobretensão na cadeia de isoladores. [3] Pinheiro. pode-se citar que torres de transmissão situadas em solos secos. Um estudo mais aprofundado sobre coordenação de isolamento de linhas de transmissão devido às sobretensões atmosféricas também complementaria este trabalho. P. ou resistência de pé de torre. Belo Horizonte. essa particularidade deve ser levada em conta no estudo de coordenação de isolamento de linhas de transmissão. 2006. [4] Santos. “Coordenação de isolamento para transitórios de manobra considerando a forma de onda das sobretensões”. Pouca diferença foi notada entre as modelagens. muitos desligamentos acontecem e interrupções de fornecimento de energia acabam gerando anualmente significativos prejuízos financeiros aos consumidores e às concessionárias de energia em função de possíveis queimas de equipamentos e desligamentos. para que resultados mais próximos dos reais pudessem ser obtidos. [6] Silva. Estudos das conseqüências causadas por descargas atmosféricas sobre o sistema elétrico são complexos e caros por envolverem muitos parâmetros em sua modelagem. 116 p. A.