Proteção ANAIS DO II CITENEL / 2003

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1 PROTEÇÃO PROTEÇÃO

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3 Proteção de Redes Elétricas de Baixa Tensão Contra Descargas Atmosféricas S. Visacro F., A. R. De Conti, C. S. Pereira, F. H. Silveira 1, J. V. P. Duarte 2 RESUMO Neste trabalho, os autores descrevem os aspectos fundamentais da investigação que realizaram no projeto Proteção de Redes de Distribuição de Baixa Tensão contra Descargas Atmosféricas (Projeto P&D-ANEEL: CEMIG / LRC) e apresentam os principais resultados alcançados. Tais resultados decorrem de avaliações acerca dos diversos tipos de ocorrência na rede de baixa tensão associados à incidência de descargas sobre a rede ou em suas proximidades. A influência de diversas variáveis no desenvolvimento de surtos transferidos da média para a baixa tensão em redes de distribuição é investigada e, também, os efeitos de incidência e tensão induzida diretamente na rede secundária ou na instalação do consumidor. Tais avaliações foram desenvolvidas na perspectiva de proteção da rede da concessionária e das instalações consumidoras. Os resultados subsidiam a definição de práticas de proteção adequadas à preservação da qualidade da energia fornecida pela empresa. PALAVRAS-CHAVE Proteção contra Descargas Atmosféricas, Proteção de Redes de Distribuição de Baixa Tensão, Sobretensões Atmosféricas nos Consumidores, Tensão Induzida, Surtos Transferidos. I. INTRODUÇÃO As descargas atmosféricas correspondem a uma das principais causas de interrupções e desligamentos nas redes de energia elétrica no Brasil. Seus efeitos destrutivos freqüentemente se estendem a equipamentos e consumidores conectados. Tal quadro determina a necessidade de definição e avaliação de práticas de proteção que assegurem a manutenção do fornecimento de energia dentro de limites de qualidade desejáveis. A carência de investigações aprofundadas no tema, que contemplem as condições particulares do sistema de distribuição instalado em Minas Gerais e as específicas condições ambientais locais, motivou a CEMIG a formular o projeto Proteção de Redes Elétricas de Baixa Tensão contra Descargas Atmosféricas. Este foi contratado ao LRC, com duração aproximada de 2 anos. O presente texto resume as realizações e resultados deste projeto, descritas em detalhe em [1-21]. II. SOBRETENSÕES DE ORIGEM ATMOS- FÉRICA EM REDES DE BAIXA TENSÃO: CONSIDERAÇÕES GERAIS As sobretensões de origem atmosférica podem atingir as redes de baixa tensão e instalações consumidoras fundamentalmente através de quatro diferentes tipos de ocorrência: (i) incidência de descargas diretas na rede elétrica, (ii) tensões induzidas diretamente na baixa tensão, (ii) transferência através do transformador de distribuição de surtos originados na média tensão (por incidência direta ou tensão induzida) e (iv) incidência de descargas diretamente sobre unidades consumidoras. a c a b d FIGURA 1 Mecanismos de interação entre as descargas atmosféricas e as redes de distribuição. Silvério Visacro F.: pesquisador e coordenador do LRC (UFMG). Lrc@cpdee.ufmg.br Clever Sebastião Pereira: pesquisador do LRC (UFMG). clever@cpdee.ufmg.br Alberto R. De Conti: pesquisador associado ao LRC, onde desenvolve tese de doutorado como bolsista do Cnpq. conti@cpdee.ufmg.br Fernando Henrique Silveira: pesquisador associado ao LRC, onde desenvolve tese de doutorado. silveira@cpdee.ufmg.br José Vicente P. Duarte: engenheiro da CEMIG - Engenharia de Distribuição. vicente@cemig.com.br 1 LRC - Lightning Research Center Núcleo de Desenvolvimento Científico e Tecnológico em Descargas Atmosféricas (UFMG-CEMIG). 2 Companhia Energética de Minas Gerais. As descargas diretas podem ocorrer sobre as redes de média e baixa tensão (figura 1-a), bem como sobre edificações (figura 1-d). Os efeitos da incidência direta de descargas em redes de distribuição são de elevada severidade e podem provocar diversos danos no sistema. Esse evento é mais comum no caso de redes rurais de média tensão ou em regiões periféricas de cidades, sendo mais raro em áreas urbanas, devido à presença de edificações elevadas. É muito pouco freqüente em redes de baixa tensão, instaladas, em sua maior parte, sob redes primárias. II Congresso de Inovação Tecnológica em Energia Elétrica 811

4 Proteção Descargas que incidem nas proximidades das redes elétricas (figura 1-b) podem originar sobretensões induzidas, tanto nos circuitos de média quanto de baixa tensão. O grau de severidade dos efeitos associados a esse tipo de evento é muito menor do que aquele dos efeitos originados por incidência direta. Entretanto, sua freqüência de ocorrência é muito superior àquela das descargas diretas. Isto torna as sobretensões induzidas o fator crítico de condicionamento do desempenho das redes de distribuição. A incidência direta na unidade consumidora pode gerar solicitações na rede da concessionária, especialmente se o aterramento de seu sistema de proteção contra descargas for conectado ao aterramento do medidor na entrada de serviço. A disseminação de um surto na média tensão, gerado por descarga direta ou indireta, pode se estender até a rede de baixa tensão através do transformador de distribuição (figura 1-c). A intensidade e a forma das solicitações associadas a esse processo dependem de muitos fatores. O grau de severidade destas pode alcançar níveis críticos, tanto do ponto de vista dos equipamentos instalados na rede de baixa tensão, quanto dos consumidores a ela conectados. III. ABRANGÊNCIA DA INVESTIGAÇÃO RELATIVA AO PROJETO A. Tipos de solicitação No contexto das possíveis solicitações da rede elétrica por descargas, o projeto realizou avaliações que abordam fundamentalmente três questões, contemplando, em cada caso, a análise de severidade correspondente da solicitação e as possibilidades de proteção associadas: (i) Transferência de surtos para o circuito de baixa tensão a partir de ocorrências no circuito primário; (ii) Surtos diretamente gerados na rede de baixa tensão por tensões induzidas; (iii)sobretensões resultantes na rede de baixa tensão em decorrência da incidência direta em unidades consumidoras. Contemplou, ainda, o desenvolvimento de avaliações específicas em tópicos particulares, com destaque para os aterramentos elétricos da rede de distribuição. Tais avaliações foram implementadas segundo duas perspectivas de proteção: aquela do sistema da concessionária e a dos consumidores. B. Metodologia adotada Adotou-se uma abordagem do problema que partiu da análise básica do comportamento do sistema frente às solicitações, através da consideração inicial de configurações simplificadas. Paulatinamente os desenvolvimentos evoluíram em complexidade na medida em que as situações e configurações de sistema mais representativas das aplicações reais passaram a ser consideradas. As realizações de projeto basearam-se em modelagem e sistemática simulação computacional de condições e configurações consideradas representativas respectivamente de solicitações e de configuração de rede. Nessas simulações foi extensivamente empregado o EMTP (Electromagnetic Transient Program) para os estudos de transferência. Os estudos de Tensão Induzida e de Aterramentos adotaram modelos computacionais próprios desenvolvidos anteriormente pela equipe do LRC. Numa primeira etapa do projeto, as avaliações da importância relativa dos diversos mecanismos de solicitação das redes de baixa tensão por descarga indicaram uma grande probabilidade de ocorrência de transferência de surtos para o secundário através do transformador de distribuição. Em decorrência, optou-se por privilegiar a investigação desse fenômeno, ao qual foi dedicada a maior parcela dos desenvolvimentos de projeto. A investigação dos demais mecanismos sucedeu àquela da transferência e, usualmente, tomou os resultados desse processo para referência. C. Configuração Básica do Sistema Analisado A primeira realização do projeto consistiu na elaboração de um documento descritivo detalhado do sistema de distribuição da empresa, contemplando sua configuração, componentes, as práticas e metodologias em uso para sua proteção [1, cap. III]. A atividade proporcionou à equipe do projeto um conhecimento detalhado do sistema da empresa. A rede aérea secundária foi o foco do projeto. Dado o acoplamento desta com a rede primária, a consideração de ambas foi necessária para a realização dos desenvolvimentos. A figura 2 representa simplificadamente a conexão de um transformador de distribuição às cargas instaladas na rede de baixa tensão. Usualmente, dispositivos páraraios protegem os seus terminais de média tensão e, em alguns casos, também podem ser instalados junto aos seus terminais de baixa tensão. O condutor neutro é multi-aterrado e comum às redes de média e baixa tensão, estando conectado ao tanque do transformador. Os transformadores podem ser trifásicos ( -Y) ou monofásicos (secundário com tape central). R T e R C representam, respectivamente, os aterramentos do transformador e dos consumidores conectados. C1 a C3 representam as cargas consumidoras conectadas à rede de baixa tensão. Fases 1, 2 e 3 PRMT's R t Transformador Neutro Cargas C3 C2 C1 FIGURA 2 - Caracterização simplificada da conexão do transformador de distribuição às cargas consumidoras em redes de baixa tensão. R c 812 ANAIS DO II CITENEL / 2003

5 Os condutores da rede de baixa tensão (RBT) podem ter configuração convencional (verticalmente espaçada) ou multiplexada (condutores fase isolados, entrelaçados em torno do condutor neutro). Em redes rurais, muitas vezes um transformador alimenta um único consumidor ou um pequeno conjunto concentrado de cargas. Em redes urbanas, ramais de até 200 m podem ser derivados a partir do transformador para alimentar diversos consumidores. Adotou-se inicialmente um modelo específico de transformador [22] e as redes de baixa tensão convencionais e multiplexadas foram representadas por modelos com parâmetros distribuídos e variáveis na freqüência. A resistividade do solo foi mantida fixa em 1000 Ω. R T e R C foram representados como simples resistências, já que este é o parâmetro usualmente medido pelas concessionárias. O condutor de descida que conecta R T ao tanque do transformador foi modelado por uma indutância de 1 µh/m. e as cargas consumidoras por resistências de 30 Ω. IV. DESENVOLVIMENTOS A. Sobretensões Transferidas através de Transformadores A transferência de surtos da média para a baixa tensão através do transformador de distribuição pode ocorrer de duas maneiras distintas e complementares. A primeira corresponde ao acoplamento direto entre os dois circuitos através dos enrolamentos do transformador e depende principalmente da constituição física do equipamento e das freqüências representativas da sobretensão solicitante. As capacitâncias parasitas do transformador transferem a parcela mais rápida do surto incidente para a rede de baixa tensão. A segunda parcela está associada à condução da corrente de surto pelos pára-raios de proteção do transformador na média tensão. Idealmente, seria desejável que essa corrente fosse totalmente drenada pelo aterramento do transformador (R T ), o que não ocorre na prática. Uma parte da corrente pode ser direcionada para o circuito de baixa tensão através dos condutores neutro (conectado ao tanque do transformador) e fase. A amplitude dessa parcela é tanto maior quanto maior a elevação de potencial no aterramento do transformador. Assumindo-se o circuito da figura 2, foram realizadas simulações com uso do EMTP. Considerou-se a injeção de 1 e 10 ka (5/60 µs) diretamente no primário do transformador, representando, respectivamente, o limite superior das correntes associadas a sobretensões induzidas e descargas diretas ocorridas nas redes de média tensão. Os tempos de frente e de meiaonda utilizados foram derivados dos dados representativos de descargas medidas na Estação do Morro do Cachimbo. Verificou-se nos desenvolvimentos que a parcela associada à elevação de potencial em R T predomina amplamente sobre a transferência por acoplamento capacitivo. As avaliações pertinentes a esse tópico se iniciaram considerando-se uma rede secundária, a descoberto, com um único consumidor de carga concentrada no final de uma rede de certo comprimento. Foram desenvolvidas análises de sensibilidade para esclarecer o papel de cada uma das variáveis do sistema e do sinal solicitante na amplitude da sobretensão resultante no transformador e no consumidor. Estas são referidas nos itens 6 a 14 da tabela 1. À parte o interesse de conferir relevo ao efeito de cada variável, através da abordagem cartesiana, tal circuito apresenta, também, certa representatividade para a situação de consumidor rural. Assim, as conclusões desenvolvidas para essa condição encontram aplicação imediata. Em seguida, passou a ser contemplada a presença de consumidores distribuídos, compondo típicas ramificações da rede secundária em regiões urbanas. Verificado o efeito das ramificações, foi incluído o acoplamento entre a rede primária e secundária, e verificou-se que, basicamente, a qualidade dos resultados e conclusões desenvolvidos não foram alterados. Para concluir a abordagem do fenômeno da transferência através do transformador de distribuição, foi incluída a análise relativa aos efeitos de disrupções entre média e baixa tensão (Figura 3). P P0 PRBT C0 C1 C2 C3 C4 C5 P150+ P m 150 m 150 m 150 m 150 m 150 m 150 m 150 m 150 m 150 m FIGURA 3 Configuração de rede de baixa tensão analisada (transferência) B. Tensão Induzida nas Redes de Baixa Tensão Para se avaliar os efeitos de tensão induzida na rede de baixa tensão, foi analisada uma condição considerada crítica, correspondente à incidência de descarga a uma distância de 50 m da rede, conforme ilustra a figura 4. A onda de corrente incidente foi aproximada por uma rampa (1,2/ 50 µs) de valor de pico variável, sendo determinadas as amplitudes da sobretensão resultante no secundário do transformador e no consumidor, para várias hipóteses representativas das condições do circuito. Ponto de incidência da descarga 150 m 50 m FIGURA 4 - Representação geométrica da linha e ponto de incidência da descarga para avaliações de tensão induzida. C. Surtos gerados por incidência direta no consumidor Verificou-se que o mecanismo de estabelecimento da sobretensão na rede secundária para esse tipo de ocorrência (figura 5) é muito semelhante àquele gerado pela elevação de potencial no aterramento do transformador de distribuição, embora o sentido da corrente seja reverso. As análises desenvolvidas puderam, então, fazer recurso aos resultados das simulações implementadas para as avaliações daquele tipo de evento. Evidentemente, foram observados cuidados com relação aos aspectos diferenciais envolvidos nas ocorrências, como é o caso da amplitude de corrente..... II Congresso de Inovação Tecnológica em Energia Elétrica 813

6 Proteção N F I trafo In 2 If 2 FIGURA 5 Configuração representativa de incidência direta no consumidor D. Configurações de Aterramentos Elétricos da Rede Através de simulação, recorrendo-se a uma elaborada modelagem computacional, foi avaliada a eficiência das configurações de aterramento praticadas e recomendadas pelas normas da empresa. Foram propostas configurações otimizadas de melhor eficiência tanto para rede urbana quanto rural. N F In 1 If 1 Ic 2 V. RESULTADOS E ANÁLISES Por carência de espaço, neste texto são apresentados apenas os resultados objetivos das análises desenvolvidas no decorrer do projeto, na forma de um conjunto de conclusões e de algumas recomendações específicas. As análises e as justificativas que sustentam tais conclusões estão detalhadas na referência [1]. RESULTADOS DAS AVALIAÇÕES Representatividade das ondas de corrente solicitantes 1. A solicitação de maior importância corresponde à transferência da média para baixa tensão, com percurso de correntes moderadas (limite superior da ordem de 1kA) pelos cabos de descida, associadas à tensão induzida. Uma condição crítica e corresponde ao fluxo de corrente de 10 ka, associada a parcela de uma corrente de incidência direta em local próximo ao transformador. 2. Na falta de uma indicação sustentada na literatura da forma de onda representativa, o uso da onda 5/60µs, seguida de análise de sensibilidade do efeito da variação do tempo de frente de onda, é um procedimento consistente. Transferência pelo transformador 3. Importância relativa das parcelas de transferências de surto através do transformador: Predominância absoluta da transferência por elevação de potencial no aterramento, em relação à transferência direta através do acoplamento capacitivo entre as espiras do primário e secundário do transformador. 4. O modelo do transformador perde importância: embora para diferentes potências as respostas sejam diferentes, a importância relativa da transferência direta continua muito reduzida. 2 F N 1 5. Para a maior parte das análises relativas à transferência de surtos da média para a baixa tensão, é suficiente representar os pára-raios, a indutância do cabo de descida, a impedância do aterramento do transformador e a indutância do seu secundário. Comportamentos básicos associados à transferência: 1 consumidor no final da rede (sobretensão na carga) 6. Influência da configuração física da rede de baixa tensão (redes convencional x multiplexada): Menores sobretensões para a rede multiplexada (significativas diferenças: 1/3 a 1/2). Influência do comprimento da rede de baixa tensão: 7. Comportamento: sobretensão cresce com o comprimento. 8. Ocorre saturação deste crescimento (rede convencional: 100 a 150 m ; rede multiplexada: a aproximadamente 300 m, sendo o crescimento da sobretensão, neste caso, mais suave e contínuo). 9. O uso de redes menores (~50 m) limitaria as sobretensões. Influência dos aterramentos do circuito: 10. Aterramento do Transformador (R T ): Quanto menor o valor de R T, mais reduzida é a sobretensão transferida (depende de parâmetros como ρ) 11. A sobretensão cresce com a relação R T / R C, sendo importante manter valor reduzido para tal relação. 12. Influência dos tempos característicos do surto Surtos mais rápidos promovem maiores sobretensões no consumidor e no trafo: (1,2/50 : 5/60 : 8/20) à (amplitude: ~ 3:2:1) Influência das cargas consumidoras: 13. Existe quase uma proporcionalidade inversa entre o módulo da carga e a sobretensão na carga. Assim, a carga do consumidor é um fator crítico: (Exemplo: R carga =30Ω:10 Ω - Sobretensões: 2,5 kv:1 kv). 14. Pouca influência dos efeitos capacitivo e indutivo para os valores assumidos para L e C (a sobretensão mantém a amplitude, embora adquira certa oscilação). Influência do uso de dispositivos pára-raios na rede de baixa tensão Uso de pára-raios no secundário do transformador 15. Grampeia a tensão no secundário do trafo, protegendo-o. 16. Os níveis de tensão nos medidores na entrada do consumidor são menores que sua suportabilidade (> 5kV) para correntes injetadas no pára-raios primários da ordem de 1 ka. 17. Promove aumento da sobretensão na carga (até 30%). Aumenta mais para valores mais elevados da relação R T / R C. 18. Esse efeito é mais acentuado para correntes maiores. Aplicação de 1 pára-raios em posição intermediária (substitui o do secundário do transformador) 19. Proteção do transformador: Este fica desguarnecido, embora o NBI do seu secundário seja relativamente elevado (35 a 40 kv). 20. Também os consumidores ligados diretamente ao transformador ficam desprotegidos. 21. Proteção da carga: Naturalmente deve ser melhor se o pára-raios está mais próximo da carga. Aplicação de conjunto adicional de pára-raios em posição intermediária na baixa tensão (a) Sem aterramento no PR 814 ANAIS DO II CITENEL / 2003

7 22. A sobretensão cresce no consumidor à medida que o ponto de instalação do PR se afasta do consumidor. A prática é tanto mais efetiva quanto menor for R T / R C. 23. Proteção assegurada apenas para instalação junto ao consumidor (medidor). Mesmo assim, não deve haver distância considerável entre o ponto de entrada e as cargas da residência, sobretudo se houver aterramento interno. 24. Para distâncias de 45 m do consumidor, há influência apenas se R T << R C, com pequena redução da sobretensão no consumidor. Nos outros casos praticamente não muda em relação à ausência de PR adicional. Para dist. de 30 e 15 m há redução discreta da sobretensão no consumidor: (~10 a 15% para 30 m e 20 a 30% para 15 m). (b) Com aterramento no PR (R i ) 25. Existe diferença em relação à condição de ausência de aterramento apenas se R I << R T, com pequena redução da sobretensão no consumidor. 26. O comportamento é afetado apenas discretamente pelo tempo de frente e amplitude da onda de corrente. No caso da amplitude, devido ao efeito do PR, a relação entre a sobretensão e a corrente é menor que a linear (I = 10kA V < V 1kA x 10). Influência do nível de proteção dos pára-raios (d= 15m, 30m) 27. O efeito da variação do nível de proteção (para distâncias de 15 e 30 m do PR ao consumidor) é muito discreto na sobretensão. Apenas se R I << R T o efeito se manifesta. O eventual aumento do nível de proteção afetaria pouco a proteção do consumidor. Assim, a proteção é assegurada apenas quando o PR é instalado diretamente na carga. Influência de ramificações na rede de baixa tensão (1 ramo) 28. Na Rede Multiplexada os efeitos são menos intensos. 29. À exceção de Po (consumidor ligado ao transformador), o elemento mais penalizado (consumidor no final da rede, C5, ou nova carga, Cx) é aquele de menor resistência de aterramento. Efeito no final da rede: 30. A presença de uma carga numa posição anterior à metade da rede (mais próxima ao transformador) tende a reduzir a sobretensão no final da rede. A redução será tanto maior quanto mais próximo do transformador estiver a nova carga. A redução será tanto maior quanto menor for a resistência de aterramento da nova carga (R CX ). 31. A presença de uma carga numa posição posterior à metade da rede (mais próxima do final da rede) tende a aumentar a sobretensão no final da rede. A piora será tanto maior quanto mais próximo do consumidor estiver a carga. A piora será tanto maior quanto menor for R CX desta nova carga. Efeito na nova carga: 32. A nova carga é sempre penalizada com maior sobretensão, exceto em P 0. A penalização é tanto maior quanto menor for R CX. Redes Rurais 33. A presença de aterramentos no neutro da rede de média tensão nos postes adjacentes ao transformador que alimenta o consumidor é importante para reduzir os efeitos dos surtos gerados em pontos distantes e que se propagam em direção ao transformador. 34. Usualmente há sobretensões menores na carga, pois:1. o medidor está junto ao poste (transformador) e o comprimento da ligação interna é pequeno. 2.A resistência de terra do consumidor é muito elevada (não é esperada a existência de aterramento interno: R T /R C 0). 35. Se o comprimento da rede interna for grande ou, eventualmente, houver R C de valor reduzido, a sobretensão pode aumentar Condições de risco: No eventual fluxo de corrente de surto pelo aterramento do transformador, pela inexistência de aterramento interno na instalação do consumidor, podem ser estabelecidos valores muito elevados de tensão fase-terra e neutro-terra. Isto denota a importância de obter valor reduzido de R T para o consumidor rural. O uso de pára-raios (PR): 36. Reduz à ordem da metade a amplitude dos surtos que só são significativos se L é longo (L ~75m). 37. Proteção do transformador: Em princípio, apenas pela transferência não é necessária, exceto se houvesse aterramento local interno. Entretanto, na ocorrência de rupturas em algum ponto da RBT associadas aos elevados níveis de tensão fase-terra e neutro-terra desenvolvidos, seus enrolamentos podem ser submetidos a correntes intensas. Esta condição é idêntica à hipótese R T / R C Em caso de consumidores múltiplos derivando de um poste com aterramento exclusivo além do transformador (onde estão os diversos medidores) a condição é diferente: com possibilidade de sobretensões superiores na carga (apesar de uma possível relação R T /R C favorável). 39. Em geral, com o emprego de redes multiplexadas, as sobretensões são bem menores. Redes Urbanas 40. Representatividade do circuito ramificado com 6 consumidores e 150 m adotado: em princípio a condição é mais severa que aquela em que a carga de cada poste fosse disseminada e não concentrada numa resistência de 30 Ω e em que houvesse rede simétrica em relação ao poste. 41. Os níveis de sobretensão são muito reduzidos para correntes da ordem de 1 ka : não ultrapassam 1 kv. Por conseguinte, nas avaliações, investigou-se o comportamento para uma condição crítica, considerando I = 10 ka (itens 13.3 a 13.8 [1]). 42. Na ausência de pára-raios, o secundário do transformador e os consumidores alimentados diretamente pelo transformador são submetidos às maiores sobretensões. Comportamento na presença de PR no secundário do trafo: 43. Perfil da sobretensão: Cresce ao afastar-se do transformador. 44. No caso em que as resistências de aterramento dos consumidores é menor que a do transformador (R C < R T ), há uma exceção a este comportamento. Neste caso tem-se: 44.1 Para rede convencional: vale comportamento descrito (exceção: C1, consumidor ligado ao primeiro poste após o transformador) Para rede multiplexada: tem-se comportamento inverso, com decrescimento da sobretensão no consumidor ao afastar-se do transformador. 45. Efeito da redução de R T do Transformador: Redução generalizada da sobretensão nos consumidores. Entretanto, para rede muito ramificada, os níveis de redu- II Congresso de Inovação Tecnológica em Energia Elétrica 815

8 Proteção ção da sobretensão não são tão significativos: (20 a 40% para redução de R T à metade). Maiores reduções relativas ocorrem se a resistência de aterramento dos consumidores (R C ) é elevada. Efeito da melhoria localizada de Aterramento (1 consumidor)apenas um consumidor tem baixo valor de resistência de aterramento (exemplo: existência de edificação com SPDA - sistema de proteção contra descargas com anel de equalização de potencial no solo): 46. Com a melhoria da resistência de aterramento do consumidor ligado ao transformador (Co), há redução generalizada da sobretensão no ramal, embora Co seja penalizado. 47. A sobretensão ao longo do ramal praticamente não é afetada pela redução de R C de um dos demais consumidores. Entretanto, o consumidor cuja resistência de aterramento foi reduzida é severamente penalizado, com aumento da sobretensão associado ao direcionamento da corrente de surto para seu aterramento. 48 Instalação de um só PR (comparação: sem PR, PR no secundário ou PR no final da rede):instalação apenas no transformador: protege apenas este equipamento. A sobretensão cresce a partir de P 1 (consumidor ligado no primeiro poste além daquele do transformador). O comportamento é semelhante àquele referido no item 17 desta tabela.instalação no final da rede: protege apenas o último consumidor (C5) e melhora moderadamente a sobretensão em C4 (consumidor alimentado pelo penúltimo poste). Não influencia nos demais 49. Instalação de dois pára-raios (um no secundário do trafo)aparentemente a melhor proteção média é provida pela instalação do PR adicional no meio do trecho. A melhoria da resistência de aterramento do PR adicional (R I ) só reduz a sobretensão (e, ainda, moderadamente) se o PR adicional está em P1, poste adjacente ao transformador. 50. Instalação de 3 pára-raios (um no secundário do transformador e outros dois no meio e no final da rede)o consumidor junto ao transformador (Po) não é afetado. Consegue-se controle razoável do perfil da tensão ao longo da rede. O efeito do aterramento dos PR s adicionais pode ser importante. Efeito do acoplamento das redes de média e baixa tensão (rede real: neutro aterrado) (a) Carga concentrada (única: 1 consumidor, L=30m ) 51. Quando a sobretensão se dirige para o transformador e a(s) carga(s) estão antes dele, há significativo aumento do perfil da sobretensão ao longo da rede (da ordem de 1:2 ). 52. Quando a sobretensão se dirige para o transformador e a(s) carga(s) estão além (após) dele, há significativa redução do perfil da sobretensão ao longo da rede (da ordem de 2:1 ). 53. O efeito de acoplamento não altera a qualidade das conclusões desenvolvidas anteriormente e, praticamente assegura níveis de sobretensão inferiores ou, no máximo, iguais àqueles observados na hipótese de ausência de acoplamento. (b) Cargas distribuídas ( L=150m com 5 postes) 54. Os níveis das tensões são bastante reduzidos em relação à situação anterior (carga concentrada ) 55. Em relação ao perfil da sobretensão no caso da transferência pelo transformador sem acoplamento, aparentemente há uma tendência a uniformizar a amplitude do nível da sobretensão ao longo dos consumidores da rede(aumento relativo em Po, consumidor ligado no transformador, ou redução relativa dos demais consumidores). Há exceção apenas no caso da condição crítica de solicitação (último consumidor, C5, do mesmo lado da corrente incidente, onde V C =~3V C0 ). Inclusão das disrupções 56. Representatividade do circuito empregado: 56.1 Rede urbana: extremamente conservador (severo). Faltam circuitos secundários dos dois lados (simétricos) em relação ao ponto de injeção de corrente e falta circuito secundário contínuo (ou neutro). A consideração dos dois aspectos certamente reduziria sensivelmente tanto o nível das sobretensões quanto a extensão de sua abrangência Rede rural: os resultados para Co (consumidor junto ao transformador) poderiam ser considerados representativos para ondas vindas do lado oposto à carga. 57. O cômputo da ocorrência de disrupções entre média e baixa tensão promove a redução generalizada das sobretensões nos consumidores. 58. As sobretensões ao longo da rede (que na ausência de disrupção são tanto maiores quanto maior a resistência de aterramento dos consumidores) passam a ser tanto menores quanto menores forem tais resistências. 59. Extensão do efeito das sobretensões devido à incidência direta, considerando disrupção: Redes rurais: ~150m (inferior a 3kV) ; (600m <2kV). Redes urbanas carregadas: ~ 60m (inferior a 5kV ). É ainda menor se o circuito secundário é simétrico e contínuo. Tensão Induzida 60. Os parâmetros de corrente fundamentais que influenciam na amplitude da tensão induzida na rede de distribuição são o valor de pico da corrente (~ diretamente proporcional à amplitude) e o tempo de frente de onda de descarga (~ inversamente proporcional). 61. A avaliação de maior severidade com parâmetros locais de descarga (Descargas subsequentes x Descarga única ou Primeira) sugere os níveis gerados de sobretensão sejam de mesma ordem. A definição depende de uma série de fatores associados à descarga específica em análise (amplitude, tempo de frente, velocidade de propagação da corrente de retorno no canal de descarga, altura do ponto de conexão dos canais ascendente e descendente). Ao considerar valores medianos dos mesmos apontados na literatura internacional, tende a haver um balanço, que aponta na direção de amplitudes semelhantes para os dois eventos. 62. Os parâmetros da linha de maior influência são a altura (diretamente proporcional à amplitude), a configuração da rede (convencional ou multiplexada) e as conexões à terra. 63. Os níveis das tensão geradas em relação à terra são elevados: 80kV a 320kV (respectivamente fase casada ou aberta, corrente de descarga próxima, de valor 40kA) 63. A amplitude da sobretensão atinge valores mais elevados para a situação de fase aberta, em função das múltiplas reflexões de onda. 64. A blindagem proporcionada na fase pela presença do neutro é discreta (redução da sobretensão da ordem de 20% apenas para configuração convencional de rede) 816 ANAIS DO II CITENEL / 2003

9 65. A existência de pelo menos dois aterramentos é importante para redução da sobretensão (embora o simples casamento de impedâncias resulte em sobretensões menores: efeito das reflexões nos aterramentos) 66. O valor da resistência do aterramento do neutro não é importante para a tensão na carga. 67. O número de descidas também não influencia na amplitude da sobretensão na carga, desde que existam pelo menos duas. 68. A ausência de PR no transformador pode submetê-lo a tensões muito elevadas, capazes de danificá-lo. 69. A presença do PR no transformador o protege, mas pouco influencia a amplitude da sobretensão na carga do consumidor. 70. A presença da carga no consumidor é que efetivamente limita a sobretensão na mesma. Esta é tanto menor quanto maior for a carga (menor valor de impedância). Os níveis de tensão entre fase e neutro ficam muito reduzidos para cargas maiores (Z<10Ω) 71. A presença de pára-raios no consumidor é que assegura a sua proteção, mesmo para iluminação direta. Incidência direta no consumidor / ramal de entrada 72. O mecanismo de estabelecimento da sobretensão neste caso é muito semelhante àquele de transferência do surto da média para a baixa tensão a partir da elevação de potencial no transformador. Entretanto, o percurso da corrente é inverso (do aterramento do consumidor para o aterramento do transformador). 73. Considerando os níveis de isolamento das instalações do consumidor, independentemente do mesmo estar protegido por supressores, em caso de incidência, muito possivelmente haverá contato elétrico entre fases e neutro e terra locais, com fluxo de corrente em todos os condutores que podem servir de caminho para a mesma no seu percurso em direção ao aterramento do transformador (ou dos consumidores próximos). Do ponto de vista da instalação do consumidor, a ocorrência assemelha-se àquela na qual há injeção de corrente no aterramento do transformador e ocorre a operação dos pára-raios colocados no secundário deste. Neste caso, a corrente flui em direção ao transformador. 74. Quanto menor for a relação R T / R C maior será a solicitação do secundário do transformador, devido ao associado aumento do fluxo de corrente do aterramento do consumidor para aquele do transformador. 75. Qualitativamente os resultados são semelhantes aos desenvolvidos para o caso análogo, revertendo o sentido de fluxo do surto e considerando o transformador como uma carga usualmente de alto valor de impedância e de baixo valor de resistência de aterramento. 76. Caso não possua pára-raios no seu secundário, em decorrência do fluxo de corrente nos seu enrolamento de baixa tensão, os enrolamentos do transformador podem ser submetidos a tensões elevadas capazes danificá-lo. Aterramento 77. Verificou-se, em todos os casos, a importância do aterramento do transformador e da relação R T / R C na definição dos níveis de sobretensão resultantes. 78. Verificou-se, como aspecto de relevo, que o elemento (inclusive consumidor) que possui valor de resistência de aterramento muito inferior às demais é penalizado pelo maior fluxo de corrente em direção ao seu aterramento e conseqüente maior valor de sobretensão resultante associado. Para os quatro tipos de ocorrência tem-se: Transferência de surto da média para baixa tensão 79. A resistência total vista pela corrente injetada deve ter o menor valor possível para redução da sobretensão. 80. A relação R T / R C deve ser minimizada para reduzir o fluxo de corrente para o aterramento do consumidor, o qual é responsável pela sobretensão ali resultante e pela elevação de potencial nesse aterramento, que pode comprometer a segurança do consumidor. Tensão Induzida na baixa tensão 81. É importante a existência de conexão à terra, mas o valor da resistência de aterramento não influencia a amplitude da sobretensão Incidência no consumidor 82. O comportamento é o inverso da transferência de surto da média para a baixa tensão a partir da elevação de potencial no transformador. 83. Quanto menor for a relação R T / R C, maior será a sobretensão transferida do aterramento do consumidor para o transformador, que só estará protegido caso tenha pára-raios também no secundário. Práticas de aterramento 84. Região urbana: Foi indicada uma configuração simples e de baixo custo para redução do aterramento do transformador (busca da melhor relação R T / R C ) em relação ao atual critério adotado. 85. Região rural: Foram indicadas modificações nas atuais práticas para aprimoramento do aterramento rural A diversidade de situações e configurações existentes num sistema de distribuição dificulta sobremaneira a proposição de recomendações objetivas, que possuam caráter generalizado de aplicação. Nesta perspectiva, a maior parte das recomendações (no que concerne a procedimentos e práticas de proteção) deve partir da identificação da situação real de aplicação considerando a condições de referência de uma das conclusões apresentadas no texto. De qualquer forma, dentre os resultados do projeto, foi identificado um conjunto de recomendações de caráter geral e de aplicação direta, apresentados, a seguir. RECOMENDAÇÕES RECOMENDAÇÕES 1. Necessidade de Investigações adicionais: para melhor definição das ondas de tensão e correntes representativas das solicitações reais, sobretudo para fins de ensaios; para composição de modelos representativos das cargas para as condições da solicitação por surtos atmosféricos (não disponíveis na literatura). 2. Nas condições de Minas Gerais, para proteção do transformador, recomenda-se o uso do pára-raios no primário e no secundário sempre, para redes rurais e urbanas. 3. Ampliar o emprego de redes multiplexadas. 4. No que se refere a solicitações por descargas atmosféricas, o uso de menores comprimentos para a rede de baixa tensão é preferível (50 a 100 m). Recomenda-se a realização de estudos que considerem outros aspectos relevantes na definição de eventual adoção de comprimentos reduzidos desta rede, para se verificar a viabilidade desta definição. II Congresso de Inovação Tecnológica em Energia Elétrica 817

10 Proteção 5. A proteção do consumidor é assegurada apenas com a instalação dos pára-raios junto à carga. 6. Mesmo na existência de pára-raios junto ao medidor, pode haver níveis excessivos de sobretensão se a carga alimentada estiver a mais de 15m do medidor. Em caso de redes internas longas, a proteção requer a instalação de pára-raios junto à carga alimentada pela rede interna. 7. Para consumidores com cargas sensíveis, orientá-los que efetuem proteção específica, preferencialmente dentro da edificação. 8. Investir na redução da resistência de aterramento do transformador. 9. Recomendar aos consumidores que possuam baixo valor de resistência de aterramento (edificações amplas com SPDA ou ferragens das fundações conectadas ao terra etc.), que promovam a proteção de suas cargas. 10. Como a melhoria da resistência de aterramento do transformador ou dos primeiro consumidores (aqueles alimentados diretamente do transformador) contribuem para a redução generalizada da sobretensão na rede secundária, verificar a viabilidade econômica das práticas para: Reduzir R T (área urbana: adotar nova configuração sugerida, área rural: adotar aprimoramento das configurações praticadas); Reduzir a resistência de aterramento destes primeiros consumidores; Conectar o máximo de consumidores ao transformador (contribui para a redução da resistência naquele ponto). 11. Em princípio, a instalação de cargas na rede é evento fora do controle da empresa. Entretanto, tanto na perspectiva de proteção da nova carga a ser instalada quanto das cargas ao final da rede, deve ser conferida prioridade à ligação da carga dos postes mais próximos do transformador (na hipótese de existir distâncias de aproximadamente mesma ordem para derivação) 12. A prática da empresa de não aterrar o conjunto de páraraios adicional é consistente. Se for pretendida alguma melhoria de aterramento, que o investimento seja efetuado na melhoria da resistência de aterramento do transformador. 13. Em caso de necessidade de instalação de um conjunto de pára-raios (por reclamação do consumidor), instalálo o mais próximo possível do mesmo. Em não havendo pára-raios no secundário do transformador alimentador, providenciar sua instalação. 14. Como não há indicativo de melhoria de desempenho com a variação do nível de proteção dos pára-raios, recomenda-se a continuidade de adoção da atual especificação. 15. Consumidor rural: sugerir o emprego de condutores multiplexados entre o medidor (no poste) e as instalações alimentadas. sugerir o uso do menor comprimento possível da sua rede interna (conexão do medidor às suas instalações); investir na melhoria dos aterramentos adjacentes ao poste que sustenta o transformador que alimenta o consumidor; assegurar valores reduzidos de R T para conferir condição de segurança ao consumidor. 16. Estimular os consumidores a práticas de aterramento que busquem equipotencialização, sobretudo na existência de SPDA s. VI. CONCLUSÕES Com base nos desenvolvimentos realizados, foi possível estabelecer a influência dos diversos parâmetros constituintes das redes de distribuição de energia elétrica na amplitude das sobretensões resultantes no circuito de baixa tensão e nas cargas conectadas. Como resultado das conclusões referidas, puderam ser elaboradas diversas recomendações quanto às práticas e procedimentos de proteção. Algumas destas têm caráter genérico de aplicação e foram apresentadas separadamente. Contudo, existe enorme diversidade de situações e configurações na rede de distribuição, o que dificulta a apresentação de recomendações generalizadas. A partir da caracterização de situação de aplicação e sua identificação com condições contempladas anteriormente, é possível derivar recomendações específicas, considerando as correspondentes conclusões apresentadas. Entretanto, a questão de maior relevo associada ao desenvolvimento deste projeto não se constitui nas inúmeras conclusões e recomendações. A experiência desenvolvida pela equipe do projeto é o seu resultado fundamental e de maior valor. Esta proporcionou a compreensão plena dos mecanismos de estabelecimento das sobretensões associadas a descargas atmosféricas nas redes de baixa tensão e no esclarecimento do papel de cada variável envolvida na definição da amplitude da solicitação. Resultou, ainda, no desenvolvimento da capacidade de definir soluções e recomendações para proteção das redes. Tais aspectos conferem à equipe potencialidade para desenvolver tecnologias inovadoras e não-convencionais para proteção de sistemas de distribuição. Outro aspecto importante deste projeto é assegurar a continuidade dos desenvolvimentos e competências associados às suas realizações. Este aspecto foi contemplado através da aprovação pela ANEEL de projeto P&D, elaborado pela equipe, cuja implantação está em curso. O projeto Proteção das redes de distribuição de média tensão contra as descargas atmosféricas: Desenvolvimento de modelos computacionais e validação por meio de rede experimental junto à Estação do Morro do Cachimbo tem duração de dois anos e complementa as investigações do tema. Por outro lado, a experiência vivenciada sugere a adoção pela empresa de uma nova abordagem para tratamento da questão da proteção de seu sistema de distribuição contra descargas atmosféricas. Esta se basearia na constituição de um sistema de informação sobre o sistema da empresa, articulado com um conjunto de aplicativos computacionais dedicados, para análise de situações específicas de solicitação e para definição de práticas e procedimentos apropriados. Tal abordagem complementaria as definições das normas internas da empresa relativas a projeto e a manutenção do sistema de distribuição, que foram desenvolvidas num contexto passado de menor disponibi- 818 ANAIS DO II CITENEL / 2003

11 lidade de ferramentas de avaliação. A possibilidade de adoção desta abordagem decorre das condições únicas (no cenário nacional) de que dispõe a empresa. Estas são fundamentalmente constituídas pela disponibilidade de um sistema de detecção e localização de descargas (SLT s) com base de dados consolidada por mais de 10 anos de registro, pelo nível muito elevado de organização e registro de suas normas e procedimentos (de projeto e manutenção) e pelo pessoal de muita competência técnica na área. Tais condições permitiriam a composição de uma base de dados sobre o sistema de distribuição da empresa, que contemplasse o geo-referenciamento dos seus componentes e o registro dos parâmetros de maior significância para sua proteção (como a resistência de aterramentos dos transformadores, localização de equipamentos danificados com associação com descargas como causa, localização de consumidores reclamantes de danos por descarga, dentre outros). Por outro lado, a partir do conhecimento acumulado no tema, poderiam ser desenvolvidos aplicativos computacionais dedicados para auxílio à decisão quanto às questões de proteção para situações específicas de projeto e manutenção. Tais aplicativos incorporariam elementos para simulação de ocorrências, empregando modelos de rede elaborados para as condições típicas do sistema da empresa, numa base de processamento amigável e implementada para gerar respostas objetivas a condições reais de aplicação. Fazendo recurso à base de dados, tais aplicativos poderiam apresentar as definições específicas de proteção para os problemas de projeto e manutenção da rede de distribuição. Além da rapidez de resposta, um sistema desta natureza apresenta como vantagem a possibilidade de seu aprimoramento contínuo pela incorporação das experiências vivenciadas. Evidentemente, a aplicação desta idéia não é trivial e requer realizações elaboradas, tempo considerável de desenvolvimento, investimentos financeiros e, sobretudo, vontade política de realizá-la. A sua sugestão é apresentada na perspectiva de avaliação pela empresa da viabilidade de sua implementação. VII. REFERÊNCIAS [1] Visacro S.F., A.R. De Conti, Pereira C., Silveira F.H., Relatório Final do Projeto Proteção das Redes Elétricas de Baixa Tensão contra Descargas Atmosféricas - Projeto P&D - ANEEL, Setembro de 2002 [2] De Conti, A. R., Proteção de Redes Elétricas de Baixa Tensão Contra Descargas Atmosféricas: Transferência de Surtos Através de Transformadores de Distribuição, Dissertação de Mestrado, UFMG - Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, [3] Silveira, F. H., Aplicação de Um Novo Modelo para Cálculo de Tensão Induzida por Descarga Atmosférica, Dissertação de Mestrado, UFMG - Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, [4] Visacro, S. F., Soares, A. 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F., Lightning Overvoltage in Low Voltage Distribution Lines: Multiplexed Versus Conventional Configuration, IEEE/PES Latin America, São Paulo, Mar., 2002 [9].De Conti, A. R., Visacro, S. F., Pereira, C., Duarte, J.V.P., Silveira, F. H., Effects Of Transferred Lightning Surges on Consumer Loads for Typical Brazilian Low Voltage Networks, 25th International Conference on Ligthning Protection, Cracóvia, Polônia, Set., [10] De Conti, A. R., Visacro, S. F., Lightning Overvoltages on Low Voltage Networks: Analysis and Protection, GROUND 2002 International Conference on Grounding and Earthing, Rio de Janeiro, Nov., [11] De Conti, A. R., Visacro S. F., Duarte, J.V.P., Proteção de Redes Elétricas de Baixa Tensão Contra Descargas Atmosféricas: Parte I : Sobretensões Transferidas, Anais do 1o CITENEL, Brasília, [12] De Conti, A. R., Visacro, S. F., Pereira, C., Duarte, J.V.P., Qualidade de Energia: Práticas de Proteção dos Consumidores, Revista Eletroevolução, (Artigo Premiado no IX ERLAC), no. 24, p.50-54, Brasil, Setembro, [13] De Conti, A. R., Visacro, S. F., Duarte, J.V.P., Avaliação de Sobretensões Transferidas em Redes de Baixa Tensão Instaladas em Áreas Urbanas, XV SENDI - Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétrica, Salvador, Nov., [14] Silveira, F. H., Visacro, S. F., Schroeder, M. A. O, Soares, A. J., Novo Modelo para Cálculo de Tensão Induzida em LT s, Anais do IX ERLAC - Encontro Regional Latino Americano da Cigré, Foz do Iguaçu, Brasil, Maio, [15] Visacro, S. F., Silveira, F. H., Schroeder, M. A. O, Soares, A. J., Avaliação da Importância Relativa de Tensão Induzida em Linhas de Alta Tensão, XVI SNPTEE- Seminário Nacional de Produção e Transmissão de Energia Elétrica, Campinas, Brasil, Out., [16] Silveira, F. H., Visacro, S. F., Schroeder, M. A. O, Soares, A. J., Evaluation of Lightning-Induced Overvoltages for High Voltage Transmission Lines, VI SIPDA International Symposium on Lightning Protection, Santos, Brasil, Nov., [17] Silveira, F. H., Visacro, S. F., Vale, M. H. M., Modelos de Canal de Descarga: Inclusão do efeito corona e perdas no núcleo ionizado, SICEL 2001 International Symposium on Power Quality, Bogotá, Colômbia, Nov., [18] Silveira, F. H., Visacro, S. F., Lightning Induced Overvoltage: How return current model influences it, Proceedings of IEEE/PES T&D 2002 Latin America, São Paulo, Brasil, Mar., [19] Silveira, F. H., Mesquita, C. R., Visacro, S. F., Evaluation of the Influence of Lightning Channel and Return Current Characteristics on Induced Overvoltages, 26th International Conference on Lightning Protection, Cracóvia, Polônia, Set., [20] Silveira, F. H., Visacro, S. F., Schroeder, M. A. O, Soares, A. J., De Conti, A. R., Vale, M. H. M., The Influence of Transmission Line Configuration on the Amplitude of Lightning Induced Overvoltages, Proceedings of 26th International Conference on Lightning Protection, Cracóvia, Polônia, Set, [21] Silveira, F. H., Visacro, S. F., Lightning Induced Overvoltages: The Influence of Lightning and Line Parameters, GROUND 2002 International Conference on Grounding and Earthing, Rio de Janeiro, Nov., [22] Bassi, W., Piantini, A., Voltages and currents on secondary lines caused by direct lightning hits on medium voltage lines, GROUND nd International Conference on Grounding and Earthing, Belo Horizonte Brazil, Jun II Congresso de Inovação Tecnológica em Energia Elétrica 819

12 Protetor de Linha Telefônica com Fibra Ótica C.Silva e L.Marques, Enautec e C.Guaracy, Coelba Proteção RESUMO Este trabalho teve como meta o desenvolvimento de um equipamento eletrônico de pequenas dimensões e baixo custo que pudesse ser instalado na chegada de linhas telefônicas públicas ou privadas, com o objetivo de promover uma proteção contra transientes e surtos de grande intensidade, geralmente presentes quando da ocorrência de descargas atmosféricas ou elevação de potencial de malhas de terra causada por curtos circuitos em redes de distribuição, como se observa em subestações de energia elétrica. Utilizando a tecnologia de comunica-ção por fibras ópticas, surtos de elevado nível de tensão são isolados da linha telefônica, preservando a integridade física de equipamentos e de pessoas. PALAVRAS-CHAVE Fibra Ótica, Isolação, Linha Telefônica, Proteção, Surtos I. INTRODUÇÃO Nos dias atuais, mesmo com o processo de automação de subestações há a necessidade de obtenção de dados de medição de faturamento e de oscilografia através de canais alternativos de comunicação, utilizando-se as linhas telefônicas como meio físico. A ocorrência de curtos-circuitos em alimentadores derivados dessas subestações e o consequente deslocamento do potencial da malha de terra, que pode atingir milhares de Volts, torna provável a queima de equipamentos conectados à linha telefônica que se encontra em outro referencial de terra. Outra causa da queima está relacionada com a incidência de descargas atmosféricas em regiões com elevado nível ceráunico. deve ser transparente ao usuário da linha, de modo que não seja necessário nenhuma modificação na forma de utilização dos equipamentos conectados a linha. Deste modo o custo para acrescentar esta proteção a eventuais surtos estará reduzido ao custo do equipamento isolador e à sua instalação. Além de prover segurança e proteção a pessoas e equipamentos, outros benefícios são decorrentes do uso deste equipamento: 1.Redução de custos operacionais e patrimoniais com a maior disponibilidades das linhas telefônicas e o aumento da segurança do ambiente de chegada da referida linha para pessoas, animais, etc. 2.Reduzir o número de falhas ou avarias nos equipamentos conectados na linha telefônica. 3.Reduzir o nível de ruído nas comunicações pela drástica redução das correntes de modo comum circulantes pelos condutores da linha telefônica (zumbidos, etc.). 4.Obter, em função do benefício do ítem 3, melhoria na velocidade de comunicação de dados e na estabilidade da conexão ou inteligibilidade das conversações. Outra questão a se considerar é a nacionalização de equipamento com esta função, pois não é conhecido no mercado nacional produto similar ao proposto, o que deverá contribuir para viabilizar a telemedição em subestações através das linhas telefônicas a um custo menor, mas com desempenho compatível com similares importados. II. OBJETIVO DESTE TRABALHO A fim de garantir a integridade física de pessoas e equipamentos que façam uso de linha telefônica em áreas sujeitas a ocorrência de surtos de elevado potencial é necessário interpor um meio de isolação entre a linha telefônica e o usuário. Este meio de isolação entretanto Agradecemos à parceria ANEEL/COELBA pelo apoio a este trabalho. C. Silva e L.Marques trabalham na Enautec Sistemas Eletrônicos ( cesar.augusto@enautec.com.br, luiz.marques@enautec.com.br) C.Guaracy trabalha na Companhia de Eletricidade da Bahia - COELBA ( cguaracy@coelba.com.br) III. BENEFICIÁRIOS DESTE PROJETO Motivado em princípio pela busca de uma solução para os frequentes prejuízos verificados em subestações em decorrência de surtos nas linhas telefônicas, este projeto têm sua utilidade estendida a usuários com perfil diverso do das concessionárias de energia. Em vista da popularização da informática e redes como a Internet, até mesmo o usuário doméstico pode ter neste equipamento um eficaz meio de proteção pessoal e para seu equipamento. Entre alguns beneficiário, podemos citar: 1.O setor industrial em função da complexidade das instalações e elevado nível de ruído elétrico (RFI), além do aspecto de segurança quanto ao processo industrial, que requer grande número de ramais de comunicação. 820 ANAIS DO II CITENEL / 2003

13 2.Residências, hospitais, escritórios e outros locais onde a interação do homem com a linha telefônica se dá em diversos níveis, especialmente com a popularização da internet e sistemas de PABX. 3. Concessionárias de serviços telefônicos, beneficiadas com a elevação do índice médio de disponibilidade das linhas telefônicos. 4.Sistemas de segurança patrimonial e operadores de serviços com atendimento 24hs. IV. DESENVOLVIMENTO Na Figura 1 está representado na forma de diagrama de blocos o protótipo desenvolvido. Podemos distinguir 4 etapas principais, que são: 1. Proteção Primária 2. Híbrida Lado Externo 3. Barreira de Isolação 4. Híbrida Lado Protegido Pelo fato da fibra ótica ser um meio de transmissão unidirecional, torna-se necessário o uso de circuitos denominados "Híbridas" que convertam o sinal elétrico da linha telefônica, a qual é a 2 fios e bidirecional, para uma linha a 4 fios unidirecional. Deste modo teremos a separação entre os sinais recebidos e transmitidos viabilizando o uso das fibra óticas como meio de transmissão, sendo uma fibra para cada direção de transmissão. As etapas que constituem o protótipo são brevemente apresentadas a seguir. Mais detalhes serão dados em tópicos posteriores. 1. Proteção Primária A proteção primária consiste em uma rede de dispositivos de proteção destinados a absorver e dissipar os surtos de tensão. Surtos de modo comum são desviados para o aterramento. Esta etapa além de aumentar a eficiencia do equipamento como protetor, determina a sua durabilidade, pois é responsável por proteger os circuitos eletrônicos da Híbrida Lado Externo. O projeto desta etapa do equipamento deve levar em consideração os tipos de surtos e intensidades que se deseja bloquear a fim de que o sistema opere com segurança. 2. Híbrida Lado Externo A Híbrida Lado Externo separa os canais de transmissão e recepção de áudio. Em outras palavras, transforma a linha telefônica a 2 fios em uma linha a 4 fios, onde 2 são para transmissão de áudio e 2 fios são para recepção de áudio. Esta separação é necessária em vista da utilização de fibras óticas na etapa de Isolação, pois a transmissão de sinais na fibra é unidirecional. 3. Barreira de Isolação Esta etapa é responsável por isolar eletricamente o equipamento protegido da linha telefônica. No protótipo foram utilizados 2 pares de fibras ópticas com comprimento de 16 cm, através das quais se dá toda a sinalização telefônica e transmissão/recepção de áudio entre as duas placas de comunicação que constituem o equipamento (placa Lado Externo e placa Lado Protegido). A eficiência da proteção é decorrente da característica isolação da fibra óptica, pois a troca de sinais entre as placas de comunicação se dá através de luz. 4. Híbrida Lado Protegido A Híbrida Lado Protegido faz as operações inversas à da Híbrida Lado Externo. Ela torna o canal novamente em uma linha a dois fios onde o sinal transmitido e o recebido percorrem o mesmo par de fios. Deste modo reconstitue o sinal tal qual ele era na linha telefônica externa. A eficiência das híbridas na separação e reconstituição dos sinais transmitidos e recebidos é fundamental para que o equipamento como todo não deteriore significamente a capacidade de transmissão de dados da linha. Isso que dizer que quanto melhor for o desempenho das híbridas que constituem o protótipo, menor será a diferença entre as taxas de transmissão conseguidas sem o isolador inserido na linha em relação à mesma linha com o isolador intercaladado. Procuramos utilizar estruturas de híbridas que tivessem o melhor desempenho possível a fim de tornar o isolador transparente ao equipamento protegido. V. SURTOS ELÉTRICOS Em linhas telefônicas os surtos de tensão podem ocorrer de dois modos principais. No primeiro caso temos o "surto em modo diferencial". Nesta situação o que ocorre é que um dos fios de cobre que constitue o par telefônico sofre uma elevação de potencial de modo que a diferença de potencial entre os dois fios vai além dos 48VDC que são o padrão da linha. Neste caso o risco maior é para o equipamento conectado a linha, em vista dos circuitos do mesmo não terem sido projetados para operar em níveis além dos 48VDC. Geralmente os equipamentos telefônicos possuem uma proteção rudimentar feita com VDRs (Voltage Dependent Resistors) os quais em vista de suas propriedades de resistência negativa, absorve o surto a medida que a diferença de potencial entre as linha vai além de determinado limite. Entretanto os surtos mais perigosos, com potencial de dano tanto para equipamento quanto para pessoas que se utilizem de linha telefônica são aqueles chamados "surtos em modo comum" (ver Figura 2). Esta afirmação é reforçada em vista do levantamento que realizamos sobre as causas de danos em equipamentos utilizados pela Coelba para executarem a função de proteção contra surtos em linha telefônicas. Este equipamentos foram projetados para resistirem a surtos de modo diferencial. Quando submetidos a surtos de modo comum, em vista da ausência de dispositivos de proteção para esta modalidade de ocorrência, os equipamentos são danificados e se tornam totalmente inoperantes. No caso de surtos em modo comum os dois fios que constituem o par II Congresso de Inovação Tecnológica em Energia Elétrica 821

14 Proteção telefônico são simultâneamente elevados para potenciais que podem ser da ordem de milhares de Volts. A descarga ocorre do par telefônico para algum ponto de terra e a corrente de pico pode atingir dezenas de Ampéres. Para este caso é necessário que o sistema de proteção, além de evitar a chegada do surto no extremo da linha onde estão conectados os equipamentos telefônicos, também desvie este surto para um ponto de aterramento dedicado a este fim, evitando que a descarga de alta tensão se dê em pontos em que represente perigo a equipamentos e pessoas. O sistema de proteção deve efetuar tanto as funções de bloqueio do surto, através do uso de um meio de comunicação isolante, quanto realizar o desvio do surto para o aterramento, possibilitando a dissipação de sua energia. Além de efetuar a função de proteger o usuário (pessoas e equipamentos) da linha telefônica, o sistema deve também dispor de recursos para sua própria proteção, de modo a aumentar sua durabilidade e diminuir custos de manutenção e com interrupção de serviço da linha. VI. RESULTADOS Na figura 2 temos uma visão geral do protótipo construído. Este protótipo é constituído de dois módulos principais denominados respectivamente Lado Externo, o qual é conectado à linha telefônica externa, e um segundo módulo denominado Lado Protegido, ao qual é conectado o equipamento telefônico a ser protegido. A comunicação entre os dois módulos se dá através de 2 pares de fibras ópticas (figura 3). Em um par trafega toda a sinalização telefônica como o sinal de "RING" que trafega da placa Lado Externo para a placa Lado Protegido quando é feita uma chamada para esta linha, e o sinal de "PEDIDO DE LINHA", que trafega da placa Lado Protegido para a placa Lado Externo quando se deseja fazer uma ligação através da linha telefônica. No outro par de acopladores ópticos trafega o sinal analógico de voz ou dados. Linha Telefônica FIGURA 3 - fibras ótica acoplando as placas l A placa Lado Protegido, a qual é alimentada através de uma fonte chaveada universal de 24V possui os circuitos necessários para regenerar o sinal de RING quando uma chamada é detectada na placa Lado Externo. Possui ainda 4 indicadores luminosos os quais permitem verificar o correto funcionamento do Isolador. Cada um deste indicadores, quando acesos, informam os seguintes estados de operação do equipamento: 1. LIGADO (Led Vermelho 1) Indica que o equipamento está conectado à fonte de alimentação. 2. CHAMADA (Led Amarelo) Quando uma chamada é efetuada para a linha telefônica, a central telefônica envia um sinal denominado "Ring" através desta linha. Este sinal ao ser detectado pela placa Lado Externo é transmitido para a placa Lado Protegido através da fibra denominada RING (ver figura 3), e a recepção deste sinal é informado pela placa Lado Protegido pelo acendi-mento do led CHAMADA (led amarelo). Simultâneamente o regenerador de ring da placa Lado Protegido é acionado e o sinal por ele gerado é aplicado ao equipamento protegido, o que irá ativar a campanhia do telefone (ou outro equipamento conectado ao Isolador Óptico). Terra FIGURA 1- surto de modo comum. Surtos na linha telefônica podem caminhar para o solo através do usuário ou equipamento. 3. LINHA (Led Verde) Este led, quando aceso, informa que o equipamento protegido solicita tomada de linha para discagem ou atendimento. Este é o caso quando por exemplo retiramos o telefone do gancho para efetuar uma ligação ou atender uma chamada. Nesta situação a placa Lado Protegido enviará um pedido de linha para a placa Lado Externo através da fibra óptica denominada LINHA (ver Figura 3). FIGURA 2 - Protótipo do isolador fechado (foto 1) e com a tampa aberta (foto 2). 4. CONECTADO (Led Vermelho 2) Após o pedido de linha ser efetuado (ocorrendo o acendimento do led LINHA), esta informação trafegará pela fibra óptica denominada LINHA (ver figura 3) e informará a placa Lado Externo que efetue a conexão. Após a conexão ter-se 822 ANAIS DO II CITENEL / 2003

15 completado, a placa Lado Externo retornará uma res-posta à placa Lado Protegido confirmando a tomada da li-nha externa. A placa Lado Protegido irá então acender o led CONECTADO. Isto significa que o equipamento protegido estará opticamente conectado à linha telefônica externa. O led CONECTADO (led vermelho 2) acenderá confirmando esta condição. Este processo é praticamente instantâneo, de modo que a transparência ao usuário estará garantida. É possível mostrar na tela de um osciloscópio uma compa-ração entre o sinal de áudio gerado pelo equipamento protegido (no caso, o sinal DTMF gerado pressionandose uma tecla de um telefone) e o sinal que é transmitido à linha telefônica pela placa Lado Externo. Observamos que são idênticos. O mesmo ocorreria se comparassemos o sinal aplicado na placa Lado Externo e transmitido ao equipamento protegido pela placa Lado Protegido. Isso mostra que do ponto de vista de comunicação de sinais o Isolador é transparente tanto à linha telefônica quanto ao equipamento protegido. O protótipo está capacitado a operar tanto em linhas com discagem por pulso quanto em linhas com discagem por tom (que usam sinais DTMF). Na entrada de linha externa do Isolador está presente um centelhador (para-raios) cuja função é desviar para a malha de aterramento os surtos de maior intensidade, permitindo assim que o mesmo se dissipe. VII. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Mello, Luiz Fernando Pereira de Projeto de Fontes Chaveadas, 2ª Edição, São Paulo, Érica, [2] Simone, Gilio Aluisio Transformadores, 8ª Edição, São Paulo Érica, [3] Erst, Stephen J. Electronic Equations Handbook, 1ª Edição, São Paulo McGraw-Hill, [4] Ott, Henry W Noise Reductin Techniques in Electronic Systems, 2nd ed, Wiley Interscience,1988. [5] Montrose, Mark IEMC and the Printed Circuit Board: Design, Theory and Layout made simple, Wiley Interscience, [6] Williams, Tim EMC for Products Designer, 2nd ed, Newnes, 1996 [7] Circuit Cellar Magazine Are You Grounded? - George Novacek, Issue 145, August 2002 II Congresso de Inovação Tecnológica em Energia Elétrica 823

16 Sistema para Monitoramento do Estado de Religadores / Seccionalizadores Rurais A. A. Kopiler, CEPEL C. R. S. H. Lourenço, CEPEL A. O. Lima, CEPEL e I. M. Coutinho, ESCELSA Proteção RESUMO Este artigo apresenta o Sistema para Monitoramento do estado de Religadores/Seccionalizadores Rurais desenvolvido para a área de concessão da ESCELSA. Este sistema é capaz de informar a uma central (posto de atendimento) a operação dos equipamentos de proteção (religadores/ seccionalizadores), através do monitoramento do estado destes equipamentos. Com isso, reduz-se o tempo de atendimento e, consequentemente, a duração da interrupção de energia melhorando os índices de qualidade de fornecimento (DEC, DIC), trazendo benefícios tanto para a concessionária como para o consumidor. Este sistema, além de identificar o equipamento acionado, também registra os horários de interrupção, restabelecimento de energia e o tempo médio de atendimento, permitindo a posterior comparação dos índices de qualidade de fornecimento. Durante o desenvolvimento deste sistema foram analisados a forma de sensoriamento do equipamento, o sistema de comunicação e o sistema de alimentação mais adequados. Um protótipo foi instalado na cidade de Linhares, localizada ao norte do estado do Espírito Santo. PALAVRAS-CHAVE Distribuição, Rural, Religadores, Seccionalizadores e Monitoramento. I. INTRODUÇÃO O atendimento a consumidores localizados nas áreas rurais é realizado através de milhares de quilômetros de redes de distribuição. Por se tratar de redes aéreas, as mesmas estão sujeitas a desligamentos ocasionados por descargas atmosféricas, vandalismo, defeitos nos componentes e equipamentos, contato dos condutores com a vegetação, etc. No entanto, a grande maioria dessas faltas corresponde à faltas não permanentes (90% dos casos). Para minimizar este efeito são instalados, de forma coordenada, equipamentos de proteção (religadores e seccionalizadores). Somente quando ocorrer uma falta permanente, o equipamento isolará o trecho defeituoso, abrindo seus contatos, e todos os consumidores localizados à jusante do mesmo ficarão desligados. A.A. Kopiler trabalha no Centro de Pesquisas de Energia Elétrica ( aak@cepel.br). C.R.S.H. Lourenço trabalha no Centro de Pesquisas de Energia Elétrica ( celia@cepel.br). A.O. Lima trabalha no Centro de Pesquisas de Energia Elétrica ( arlei@cepel.br). I.M. Coutinho trabalha na Espírito Santo Centrais Elétricas S.A. ( imc@escelsa.com.br). Tais equipamentos contribuem para a melhoria da qualidade do fornecimento, ou seja, para a redução dos índices de duração e freqüência das interrupções (DEC, FEC, DIC, FIC e DMIC). O restabelecimento do fornecimento somente será realizado após o recebimento pela concessionária da reclamação dos consumidores afetados. Nessa ocasião, as equipes de manutenção serão acionadas para localizar, identificar, eliminar o defeito e finalmente, restabelecer o fornecimento. O desenvolvimento de um sistema que seja capaz de informar a falta a uma central de operação, identificando o equipamento que operou, agilizará o atendimento, com benefícios para os consumidores pela redução da duração da interrupção e do tempo de atendimento. Além disso, este sistema possibilitará uma melhor identificação dos pontos críticos do sistema de distribuição rural. II. ETAPAS DO DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA O objetivo do sistema de monitoramento de religadores/seccionalizadores rurais é adquirir o estado em que o equipamento se encontra (aberto ou fechado) e enviar esta informação para uma central, onde possa ser visualizada, armazenada e analisada para que o operador atue quando necessário. Após a aquisição, a informação é enviada à central a- través de um protocolo de comunicação e meio de comunicação conveniente (sistema de comunicação). Está previsto também um sistema de alimentação que permita o funcionamento ininterrupto da unidade terminal remota (UTR) e do sistema de comunicação. Este sistema de alimentação é dimensionado de modo a garantir que a informação chegue à central, mesmo em caso de interrupção de fornecimento de energia. As principais etapas do desenvolvimento deste sistema foram: 1.Definição da forma de aquisição do estado do e- quipamento (sensoriamento); 2.Definição do sistema de comunicação, incluindo o meio de comunicação e o protocolo utilizado, em função da localização do ponto monitorado e da central que recebe a informação; 3.Definição do sistema de alimentação dos equipamentos instalados no poste onde se encontra o religador monitorado. 824 ANAIS DO II CITENEL / 2003

17 A figura 1 apresenta um diagrama em blocos esquematizando algumas etapas do projeto. RELIGADOR OU SECCIONALIZADOR P O S T E SISTEMA DE COMUNICAÇÃO SENSORIAMENTO UNIDADE TERMINAL REMOTA ALIMENTAÇÃO FIGURA 2. Sensor de fim de curso e seu posicionamento na bandeiro-la closed do religador KFE. FIGURA 1. Diagrama em blocos - Etapas do projeto. A. Definição da Forma de Aquisição do Estado do E- quipamento Para adquirir o estado de religadores e seccionalizadores é necessário analisar o equipamento, verificando a forma com que a UTR pode receber sua condição. Alguns equipamentos possuem uma placa de controle eletrônico para ajuste de parâmetros. Esta placa possibilita a aquisição de um sinal elétrico que pode ser utilizado na interpretação do seu estado. Outros possuem apenas componentes mecânicos (alavanca, bandeirola) cuja posição informa o estado aberto ou fechado do equipamento. Em função disso, muitas vezes é necessário fazer um condicionamento do sinal ou desenvolver uma forma de sensoriamento para aquisição do dado pela UTR. O religador a ser monitorado, neste protótipo, é do tipo KFE, fabricado pela Cooper Power Systems. Este, além de possuir um controle hidráulico, tem parte de seus ajustes realizados por um painel de controle. Após uma análise mecânica deste religador, optouse por desenvolver o sensoriamento de sua bandeirola de indicação de closed, uma vez que, por ser mais geral, esta solução pode ser utilizada em outros religadores e seccionalizadores em uso na ESCELSA. Foi instalado um sensor de fim de curso na tampa frontal que abriga os dispositivos de comando e controle do religador. O sensor possui um contato elétrico que se fecha ou abre, comandado pela movimentação da bandeirola, associada à alavanca manual. Este contato é ligado através de um par de fios a uma entrada digital da UTR, permitindo a aquisição do sinal desejado. Na figura 2 é apresentada uma fotografia mostrando o posicionamento do sensor de fim de curso no religador KFE. B. Definição do Sistema de Comunicação O sistema de comunicação desempenha um papel vital na funcionalidade, segurança e confiabilidade do sistema de monitoramento do estado de religadores /seccionalizadores rurais. Portanto, alguns aspectos foram considerados na escolha do mesmo: Confiabilidade - Um sistema de comunicação para sistemas de distribuição fica em constante exposição às condições adversas do tempo, como chuva, poluição, vento forte, insolação, etc.. Ele também ficará exposto a interferências eletromagnéticas (EMI), que podem afetar seriamente a confiabilidade da transmissão de dados. A EMI pode ocorrer na forma de rádio freqüências, descargas ou de campos associados à freqüência de 60Hz (freqüência de operação normal do sistema de distribuição). Custo e Desempenho - Uma vez que o custo do sistema de comunicação é significativo, a seleção da melhor combinação da relação custo/desempenho pode representar uma economia substancial para a concessionária. Tanto os custos de instalação quanto os de manutenção devem ser avaliados. Capacidade de Transmissão - Um sistema de comunicação deve ser projetado de forma a atender o tráfego de informações atual e permitir possíveis expansões. Capacidade de Funcionar em Condições de Emergência - Alguns tipos de Sistemas de comunicação, que utilizam linhas de distribuição como meio de transmissão, dependem das condições da rede elétrica. No caso de ocorrer uma falta em que haja interrupção física das linhas, a comunicação também será interrompida. Facilidade de Operação e Manutenção - Um sistema de comunicação para rede de distribuição é uma complexa combinação de transmissores, receptores e link de dados. O sistema deve ser projetado para que sua operação e manutenção sejam o mais simples possível. Além disso, as concessionárias de energia deverão treinar suas II Congresso de Inovação Tecnológica em Energia Elétrica 825

18 Proteção equipes de manutenção, que não estejam familiarizadas com equipamentos de comunicação, para esta nova qualificação, adquirindo também ferramentas específicas necessárias. Localização Geográfica - Como os equipamentos a serem monitorados estão localizados no meio rural, devem ser levadas em consideração as distâncias até a central e a topologia do terreno. Grandes distâncias, vegetação e morros podem dificultar a comunicação sendo necessária a análise de cada caso para determinação do sistema de comunicação mais adequado. Como o ponto a ser monitorado e a central de operação ficam localizados em Linhares, região norte do estado do Espírito Santo, considerando os outros fatores citados e após a análise de diversos meios de comunicação e protocolos aplicáveis, o CEPEL e a ESCELSA optaram pela comunicação via rádio e pelo protocolo de comunicação MODBUS. C. Definição do Tipo de Alimentação para o Sistema Sistemas para monitoramento de equipamentos de proteção necessitam estar sempre energizados mesmo na ocorrência de uma falta permanente na rede de distribuição elétrica. Desta forma, o sistema continuará adquirindo e enviando informações sobre o estado do equipamento monitorado. Entre as alternativas analisadas, optou-se pelo sistema de alimentação fotovoltaico. Este tipo de alimentação não depende do sistema elétrico monitorado, resultando em uma fonte de alimentação imune a interferências eletromagnéticas e capaz de manter o funcionamento do sistema mesmo em caso de falta de energia elétrica. O fato do religador e do seccionalizador operarem na tensão de 13,8 kv também influenciou nesta escolha, pois a alternativa de derivação para alimentação de um transformador necessitaria de modificações estruturais no poste do religador, o que não é necessário para a instalação do sistema de alimentação fotovoltaico. III. CONFECÇÃO DO PROTÓTIPO 826 ANAIS DO II CITENEL / 2003 Os equipamentos que compõem o protótipo foram ins-talados em Linhares, em dois locais: no poste do religador KFE 3605 e no Posto de Atendimento Norte (central de controle PA Norte). No PA Norte, os equipamentos foram distribuídos pela sala de controle, sala de comunicação e torre de comunicação. A. Especificação e Projeto Conforme apresentado na seção anterior, após as análises necessárias e consulta ao cliente, foram feitas as seguintes definições para o projeto: Forma de sensibilização para aquisição do estado do equipamento: sensor de fim de curso ligado à entrada digital de uma remota. Meio de comunicação para o sistema de comunicação mais adequado para o ponto escolhido para instalação do protótipo: rádio. Protocolo de comunicação para o sistema de comunicação: MODBUS ou IEC Tipo de alimentação para o sistema a ser instalado no poste: sistema fotovoltaico com baterias. O protótipo é constituído pelos seguintes equipamentos: Unidade Terminal Remota de poste: Remota GP-3011 de fabricação da BCM Engenharia, que possui 3 entradas digitais e protocolo de comunicações MODBUS-RTU. Sistema de Alimentação: - Painéis Solares, Fabricante: SIEMENS. - Controlador de Carga Solar, Fabricante: STECA- SOLARIX. - Conversor CC/CC (12V/24V), Fabricante: Mean Well. - Baterias Seladas 12V/40Ah, Fabricante: Unipower. Sistema de Comunicação: - Rádio-Modem JSLM, fabricante: Dataradio. - Antena Yagi Y42011, Fabricante: TSM. - Cabo coaxial para ligação da antena ao rádio. Sala de Comunicação: Fibra Ótica entre a sala de comunicação e a sala de controle. Interface para fibra ótica: Conversor BCM 517 (fibra ótica - RS232). Sistema de Comunicação: - Rádio-Modem JSLM (406Mhz/ 430Mhz bps), Fabricante: Dataradio. - Conversor 48Vcc/12Vcc. Torre de comunicação: Antena Yagi Y42011, Fabricante: TSM. Sala de Controle: IHM BCM GP-3011 de fabricação da BCM Engenharia com display de duas linhas e vinte colunas e teclado com vinte teclas; possui 2 canais seriais de comunicação, sendo um canal RS232 e um canal RS485 e um módulo com saída analógica. Conversor BCM 515 (RS485/RS232). Microcomputador. Impressora paralela. Interface para fibra ótica: Conversor BCM 517 (fibra ótica - RS232). A figura 3 apresenta um diagrama esquemático do protótipo do sistema de monitoramento.

19 FIGURA 3. Diagrama esquemático do protótipo do sistema de monitoramento. B. Programas Aplicativos Os programas aplicativos da UTR e da central (IHM) foram desenvolvidos numa linguagem de programação denominada PROCP, cuja característica básica é o tratamento das informações através de máquinas de estado. O protocolo de comunicações MODBUS e o software básico do CLP foram desenvolvidos na linguagem de programação C. O software aplicativo da UTR lê uma entrada digital correspondente ao estado do religador fechado/aberto e calcula o tempo de atendimento em caso de abertura da chave. Quando a chave abre, é acionado um contador de tempo até que a chave seja fechada, e este tempo é armazenado numa lista seqüencial, enviada posteriormente para a IHM. Assim, uma falha de comunicação ou o tempo de polling, não afetam a contagem do tempo de atendimento, já que este dado é armazenado na UTR. A lista de eventos é cíclica e pode conter até os 30 últimos eventos. O programa calcula também o número de aberturas do religador no dia, no mês e no ano e armazena a data, hora e o estado da entrada digital correspondentes ao estado do religador. O software aplicativo da IHM se comunica periodicamente com a UTR (polling), lendo o estado do religador (aberto ou fechado) e os tempos de atendimento. Ele também atualiza o relógio-calendário da UTR que mantém o sincronismo do sistema automaticamente e armazena temporariamente toda a lista seqüencial de eventos enviada pela UTR, como a data, a hora e o estado da entrada digital correspondentes ao religador fechado ou aberto. No caso de falha na comunicação a IHM incrementa um contador de erros de comunicação. Assim é possível verificar a qualidade do link de rádio. As telas e subtelas deste programa apresentam as seguintes informações: Nome da empresa; Identificação do religador; Nome da subestação; Nome do alimentador; Estado do religador: A (aberto), F (fechado); Data e hora atuais; Tempo de varredura (polling); Tempo de histórico; Contador de erros de comunicação; Número de aberturas do religador no dia; Número de aberturas do religador no mês; Número de aberturas do religador no ano; Horário de atualização do histórico; Tempo de atendimento acumulado no mês atual; Tempo médio de atendimento mensal no mês atual; Menu para configuração e histórico. É possível configurar na IHM: o tempo de varredura (polling) e o acerto do relógio da UTR pelo relógio da IHM. É possível também, visualizar o histórico da entrada digital da UTR e do tempo de atendimento. A figura 4 apresenta um detalhamento dos componentes do sistema. FIGURA 4. Detalhamento dos componentes do sistema. II Congresso de Inovação Tecnológica em Energia Elétrica 827

20 Proteção A figura 5 apresenta uma listagem do relatório emitido pelo sistema. Nome da empresa:escelsa Ident. do religador:3605-kfe Cooper Nome da S.E:SE-L1 Nome do Alimentador:LN-03 Estado atual do religador:aberto Data atual:10/10/02 Hora atual:21:57:09 Tempo de varredura (s):2 Tempo de historico (s):20 Erros de comunicacao:0 Aberturas do religador no dia:5 Aberturas do religador no mes:5 Aberturas do religador no ano:5 Historico atualizado em:10/10/02 as 21:56:54 Tempo de atendimento acumulado no mes atual (h):1 Tempo medio de atendimento mensal no mes atual (h):0,2 Registro Evento Data Hora Tempo de Atendimento 0 Abriu 10/10/02 18:03:27 0:00:00 1 Fechou 10/10/02 18:35:09 0:16:58 2 Abriu 10/10/02 18:35:40 0:00:00 3 Fechou 10/10/02 19:43:06 1:07:26 4 Abriu 10/10/02 20:22:46 0:00:00 5 Fechou 10/10/02 20:29:19 0:06:33 6 Abriu 10/10/02 20:29:33 0:00:00 7 Fechou 10/10/02 20:37:25 0:07:52 8 Abriu 10/10/02 21:14:00 0:00:00 9 Fechou 10/10/02 21:25:06 0:11:06 FIGURA 5. Relatório Emitido pelo Protótipo. C. Instalação e Testes A instalação do protótipo foi iniciada no dia 16 e finalizada no dia 25 de outubro de Todos os testes sugeridos foram realizados com êxito nos dias 24 e 25 de outubro de O religador KFE 3605 foi colocado em bypass para a realização de testes e ensaios de abertura e fechamento, como mostrado na figura 6. Para isso, foi utilizada uma vara de manobra para acionar sua alavanca de operação manual. Foram realizados os seguintes testes em campo: Verificar a alimentação dos equipamentos; Medir a alimentação de cada equipamento; Verificar a instalação do sensor no religador; Realizar teste manual com vara de manobra e conferir sinalização na UTR; Teste com o religador em bypass; Testar link de comunicação IHM-UTR; Contar o número de erros em 15 minutos com sinal padrão; Medir o nível de sinal com software do fabricante do rádio; Testar interfaces com fibra ótica; Contar o número de erros em 15 minutos com sinal padrão; Testar a sinalização do sensor na IHM operando o sensor manualmente; Verificar o funcionamento do software aplicativo da IHM; Verificar a visualização dos dados adquiridos pela remota e calculados pelo software da IHM (abertura e fechamento do religador, tempo de atendimento, etc.). Não foi possível ensaiar um evento com o religador em funcionamento, pois isso acarretaria no desligamento de uma parte da rede elétrica. Somente com a ocorrência de eventos reais de bloqueio do religador foi possível avaliar o funcionamento efetivo do protótipo. Os operadores do PA NORTE foram instruídos para entrar em contato com o órgão da ESCELSA responsável pelo acompanhamento do desempenho do protótipo cada vez que ocorresse um novo bloqueio do religador, informando o desempenho do protótipo. Os eventos ocorridos desde então foram identificados corretamente. A ESCELSA reportou que sua equipe de manutenção foi acionada para saná-los imediatamente após a sua detecção pelo sistema. Portanto, não foi necessário aguardar a reclamação de seus clientes, reduzindo consequentemente o tempo de atendimento e o DEC. Na figura 7 é mostrada a parte do sistema instalada no poste junto ao religador monitorado. FIGURA 6. Manobra para bypass do religador. FIGURA 7 - Vista geral do sistema instalado no poste. Na figura 8 é mostrada a IHM instalada na central de operação. 828 ANAIS DO II CITENEL / 2003

21 FIGURA 8 - IHM na sala de controle do PA Norte. D. Conclusão Conforme planejado, foi desenvolvido e instalado um protótipo capaz de monitorar o estado do religador na rede de distribuição rural. Para realizar uma análise de seu desempenho é necessário que uma quantidade significativa de eventos reais ocorram, o que demanda um certo período de tempo. Como esta instalação se deu recentemente, poucos eventos ocorreram com o religador que está sendo monitorado. Embora estes eventos tenham sido corretamente sinalizados não será possível, por enquanto, estabelecer comparações que possibilitem concluir sobre a melhoria dos índices de continuidade do fornecimento de energia e redução das despesas de operação e manutenção dos sistemas de distribuição rural. Da mesma forma, ainda não será possível concluir sobre a melhoria do nível de satisfação dos consumidores atendidos pelas redes rurais, na área de atuação do religador monitorado. Portanto, é importante o acompanhamento destes índices pela Concessionária, de forma a fornecer subsídios para comparação dos índices anteriores e posteriores à instalação do protótipo. Embora o projeto inicialmente tenha sido proposto para monitoramento de todos os tipos de religadores e seccionalizadores instalados na rede de distribuição rural da área de concessão da ESCELSA, o protótipo instalado foi desenvolvido para um tipo específico de religador, o modelo KFE, fabricado pela Cooper Power Systems. Em função da forma genérica como foi concebida esta solução pode ser estendida para os outros tipos de religadores e seccionalizadores, desde que técnica e economicamente viável. IV. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS RELATÓRIOS TÉCNICOS: [1] Relatório Técnico CEPEL "Sistema para Monitoramen-to do Estado de Religadores/Seccionalizadores Rurais - Levanta-mento da Situação Atual", março, [2] Relatório Técnico CEPEL "Sistema para Monitoramento do Estado de Religadores/Seccionalizadores Rurais - Elaboração de Pesquisas", maio, [3] Relatório Técnico CEPEL "Sistema para Monitoramen-to do Estado de Religadores/Seccionalizadores Rurais - Análise dos Sistemas de Comunicação", agosto, [4] Relatório Técnico CEPEL "Sistema para Monitoramen-to do Estado de Religadores/Seccionalizadores Rurais - Análise de Sistemas de Alimentação", setembro, [5] Relatório Técnico CEPEL "Sistema para Monitoramen-to do Estado de Religadores/Seccionalizadores Rurais - Especifi-cação das Condições para Sensibilização, Identificação e Análise de Viabilidade Econômica", setembro, [6] Relatório Técnico CEPEL "Sistema para Monitoramen-to do Estado de Religadores/Seccionalizadores Rurais - Especifi-cação e Projeto do Equipamento, Confecção do Protótipo, Desenvolvimento do Software de Registro, Ensaios e Testes", outubro de II Congresso de Inovação Tecnológica em Energia Elétrica 829