UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA SISTEMA DE MONITORAMENTO DE DESCARGAS ATMOFÉRICAS IMPLANTADO NO CENTRO DE CONTROLE DA COELCE COMO FERRAMENTA DE APOIO ÀS AREAS DE ENGENHARIA, MANUTENÇÃO E OPERAÇÃO REBECA CATUNDA PEREIRA Fortaleza Junho de 2010

2 ii REBECA CATUNDA PEREIRA SISTEMA DE MONITORAMENTO DE DESCARGAS ATMOFÉRICAS IMPLANTADO NO CENTRO DE CONTROLE DA COELCE COMO FERRAMENTA DE APOIO ÀS AREAS DE ENGENHARIA, MANUTENÇÃO E OPERAÇÃO Monografia apresentada para a obtenção dos créditos da disciplina Trabalho de Conclusão de Curso do Centro de Tecnologia da Universidade Federal do Ceará, como parte das exigências para a graduação no curso de Engenharia Elétrica. Área de concentração: Qualidade de Energia. Orientador: Prof. Raimundo Furtado Sampaio. Fortaleza Junho de 2010

3 iii

4 iv "Seja a mudança que você deseja ver no mundo." (Mahatma Gandhi)

5 v A Deus, Aos meus pais, Pereira e Liduina, Aos meus familiares, A todos os amigos.

6 vi AGRADECIMENTOS A Deus, por tudo que tem feito na minha vida. Ao meu orientador, professor Raimundo Furtado Sampaio, pelo seu incentivo, apoio e dedicação no desenvolvimento desta monografia, com constantes sugestões e idéias. Aos professores do curso de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Ceará, que muito contribuíram com seus ensinamentos para o meu crescimento acadêmico e profissional. Aos meus pais, Pereira e Liduina, pelo exemplo, suporte e dedicação em todos os momentos da minha vida e sem os quais não alcançaria essa conquista. Ao meu namorado, Renato, pelo carinho, compreensão e apoio durante os períodos de dedicação aos meus estudos. À minha família, amigos e a todos que direta ou indiretamente ajudaram na colaboração deste trabalho..

7 vii Pereira, R. C. Sistema de monitoramento de descargas atmosféricas implantado no centro de controle da Coelce como ferramenta de apoio às áreas de engenharia, manutenção e operação., Universidade Federal do Ceará UFC, O fornecimento de energia elétrica deve ser feito de maneira econômica, segura e confiável. As concessionárias de energia elétrica têm por objetivo garantir o fornecimento de energia com o mínimo de interrupções, satisfazendo o cliente e atendendo os requisitos de qualidade. Este trabalho apresenta o estágio atual do sistema de monitoramento de descargas atmosféricas para o estado do Ceará, que conta com uma rede de detecção de raios com o objetivo de auxiliar o gerenciamento, manutenção e a operação das linhas de transmissão e distribuição de energia da Companhia Energética do Ceará (Coelce), contribuindo para a melhoria dos índices de continuidade de energia elétrica e um aumento na satisfação dos clientes. Dentro desse contexto, o objetivo dessa monografia é realizar um estudo de desempenho da rede de distribuição da Coelce frente às descargas atmosféricas, utilizando o Sistema de Monitoramento de Descargas Atmosféricas que foi implantado no Centro de Controle do Sistema (CCS) da COELCE como ferramenta de apoio às áreas de manutenção e operação do Sistema Elétrico. O trabalho conta com uma rede de detecção de raios que mostra a relação existente entre a incidência de descargas e as interrupções no fornecimento de energia. A partir do monitoramento em tempo real, ações poderão ser tomadas, a fim de minimizar o impacto de descargas atmosféricas sobre as linhas de transmissão. O sistema de detecção de descargas atmosféricas permite enviar um alerta via para os profissionais de operação e manutenção sobre probabilidade de incidência de raios, otimizando o deslocamento das equipes e diminuindo os custos com transporte e pessoal. O desenvolvimento e implantação do sistema de detecção de descargas atmosféricas no CCS da Coelce estão proporcionando alguns benefícios como: elaboração de mapas de descargas atmosféricas em tempo real, geração de um banco de dados com informações do local e do momento da queda, orientando as áreas de engenharia e manutenção quanto aos locais de instalação de equipamentos de proteção contra descargas atmosféricas e elaboração de mapas de densidades de raios por município, representando um grande avanço tecnológico para o estado do Ceará. Palavras-Chave: Descargas Atmosféricas, Qualidade de Energia, Sistema de Monitoramento de Descargas Atmosféricas.

8 viii Pereira, R. C. Lightning monitoring network deployed in the Coelce's control center as a tool to support engineering, maintenance and operation. Universidade Federal do Ceará UFC, The electric utilities are designed to ensure energy supply with minimal interruptions, satisfying the customer and meeting the requirements. This paper presents the current status of the monitoring system of lightning to the state of Ceará that has a lightning detection network in order to assist the management, maintenance and operation of transmission lines and energy distribution of the Society of Energy Ceará (Coelce), contributing to the improvement in the continuity of electric power and an increase in customer satisfaction. Within this context, the objective of this work is to conduct a performance study of the distribution network of Coelce face of lightning, using Monitoring System Lightning that was deployed in the Control Center System (CCS) COELCE as a support tool the areas of maintenance and operation of the Electric System. It has a lightning detection network that shows the relationship between the incidence of discharges and disruptions in energy supply. Thus, by monitoring in real time, actions may be taken in order to minimize the impact of a lightning strike on a transmission line, or even alert maintenance teams on specific regions, thus reducing transportation costs and staff. And one of the benefits of this Monitoring System Lightning is an alert via for professional operation and maintenance about probability incidence ray, optimizing the displacement teams and reducing transportation costs and staff. The development and deployment of the system for detecting lightning in CCS Coelce are providing some benefits such as: preparation of maps of lightning strikes in real time, generating a database containing information of the place and time of the fall, targeting areas engineering and maintenance as to the locations of protective equipment against lightning and mapping of ray density by municipality, representing a major technological breakthrough for the state of Ceara.

9 ix SUMÁRIO LISTA DE ILUSTRAÇÕES...x LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS...xii 1. INTRODUÇÃO OBJETIVOS ESTRUTURA DO TRABALHO PROTEÇÃO DO SISTEMA ELÉTRICO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS ORIGEM E CLASSIFICAÇÃO DAS SOBRETENSÕES MÉTODOS DE CONTROLE DAS SOBRETENSÕES CABO PÁRA-RAIOS PÁRA-RAIOS RESISTORES DE PRÉ-INSERÇÃO MODIFICAÇÕES NA CONFIGURAÇÃO DO SISTEMA PRINCÍPIOS BÁSICOS DA COORDENAÇÃO DE ISOLAMENTO MÉTODOS DE COORDENAÇÃO DE ISOLAMENTOS SISTEMA DE MONITORAMENTO DAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS SISTEMA DE MONITORAMENTO DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS NO BRASIL SISTEMA DE MONITORAMENTO DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS NO ESTADO DO CEARÁ SISTEMA DE APLICAÇÃO DE RAIOS ESTRUTURA DA ÁREA DE OPERAÇÃO DO SISTEMA DA COELCE RESULTADOS DO SISTEMA DE MONITORAMENTO NA COELCE MUDANÇA DE PROCEDIMENTO COM A IMPLANTAÇÃO DO SISTEMA DE MONITORAMENTO CONCLUSÃO...50

10 x LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1.1. Maiores contribuições de causas no DEC da COELCE em Figura 1.2. Maiores contribuições de causas no FEC da COELCE em Figura 1.3. Evolução do índice DEC no Ceará Figura 1.4. Evolução do índice FEC no Ceará Figura 2.1. Sobretensão temporária obtida por simulação Figura 2.2. Sobretensão de manobra com acentuado amortecimento Figura 2.3. Sobretensão atmosférica obtida por simulação Figura 2.4. Descargas atmosféricas Figura 2.5. Faixas de freqüência das descargas atmosféricas Figura 2.6. Utilização de cabos pára-raios Figura 2.7. Seção típica do cabo OPGW Figura 2.8. Efeito nas sobretensões em função da utilização ou não de pára-raios Figura 2.9. Bloco de ZnO Figura Material do invólucro dos pára-raios Figura Pára-raios tipo estação Figura Pára-raios tipo distribuição Figura Pára-raios tipo secundário Figura Pára-raios tipo Franklin Figura Blindagem da estrutura de um edifício com pára-raios tipo Franklin Figura Blindagem da estrutura de uma subestação com pára-raios tipo Franklin Figura Representação elétrica do funcionamento de disjuntor com resistor de préinserção Figura Variação da sobretensão em função do instante de fechamento dos contatos do disjuntor Figura 3.1. Localização dos sensores da rede RINDAT Figura 3.2. Mapa isoceráunico do estado do Ceará Figura 3.3. Localização dos sensores da rede STARNET Figura 3.4. Sensor localizado no Campus do Itaperi da UECE Figura 3.5. Portal principal do projeto de P&D da COELCE Figura 3.6. Mapa de ocorrências de raios em tempo real no estado do Ceará Figura 3.7. Mapa da probabilidade de tempestades no estado do Ceará Figura 3.8. Mapa disponível na opção alerta cidades: previsão de tempestades Figura 3.9. Mapa disponível na opção alerta cidades: ocorrência de raios Figura Relatório diário de raios... 41

11 xi Figura Mapa disponível no menu acumulação diária Figura Mapa disponível no menu acumulação mensal Figura Mapa da área técnica por departamento Figura Centro de Controle do Sistema da COELCE CCS Figura Densidade de raios por município Figura Transmissão automática de com dados de raios Figura Exemplo de alerta associado a uma ocorrência de falha... 49

12 xii LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS SEP DEC FEC DIC FIC DMIC ANEEL PID P&D&I STARNET P&D COELCE UECE USP ABRADEE ISQP CCS VLF LF ELF VHF NS NN IN NBI OPGW ZnO MOV TN CEMIG GT/PH SLT SIMEPAR FURNAS INPE RINDAT LPATS MDF GPS IHM NASA RDI NOA UConn ATD CCR LT Sistema Elétrico de Potência Duração Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora Freqüência Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora Duração de Interrupção por Unidade Consumidora Freqüência de Interrupção por Unidade Consumidora Duração Máxima de Interrupção por Unidade Consumidora Agência Nacional de Energia Elétrica Pedido de Indenização por Danos Projetos de Pesquisa, Desenvolvimento e Inovação Sferics Timing And Ranging NETwork Pesquisa e Desenvolvimento Companhia Energética do Estado do Ceará Universidade Estadual do Ceará Universidade de São Paulo Associação Brasileira de Distribuidores de Energia Elétrica Índice de Satisfação com a Qualidade Percebida Centro de Controle do Sistema Very Low Frequency Low Frequency Extremely Low Frequency Very High Frequency Nuvem-terra Nuvem-nuvem Intra-nuvem Nível Básico de Isolação Optical Ground Wire Óxido de Zinco Varistor de Óxido de Metálico Centro de Tecnologia e Normalização Companhia Energética de Minas Gerais Departamento de Planejamento Hidroenergético Sistema de Localização de Tempestades Sistema Meteorológico do Paraná Furnas Centrais Elétricas Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais Rede Integrada Nacional de Detecção de Descargas Atmosféricas Lightning Positioning and Tracking System Magnetic Direction Finder Global Positioning System Interface Homem Máquina National Aeronautics and Space Administration Resolution Display Inc Observatório Nacional de Atenas University of Connecticut Arrival Time Difference Centro de Controle Regional Linha de Transmissão

13 xiii SE FUNCEME Subestação Fundação Cearense de Meteorologia e Recursos Hídricos

14 1 1. INTRODUÇÃO O fornecimento de energia elétrica deve ser feito de maneira econômica, segura e confiável. As concessionárias de energia elétrica têm por objetivo garantir o fornecimento de energia com o mínimo de interrupções, satisfazendo o cliente e atendendo os requisitos de qualidade. A qualidade de energia não considera apenas a variação de tensão e freqüência em torno do valor nominal, mas também o número e os tipos de distúrbios que podem afetar a qualidade dos serviços. No sistema elétrico, podem ocorrer vários tipos de eventos que afetam a qualidade do serviço, dentre os quais estão distúrbios como quedas de tensão temporárias, interrupções de energia, variação de freqüência e os curto-circuitos. No sistema de distribuição uma das principais causas desses eventos indesejados são as descargas atmosféricas diretas ou indiretas. As descargas atmosféricas podem provocar faltas permanentes ou transitórias. Os sistemas elétricos de potência (SEP) normalmente são protegidos contra as sobretensões provenientes das descargas atmosféricas através de pára-raios e cabos pára-raios. No entanto, mesmo existindo sistemas de proteção contra descargas atmosféricas, no momento da ocorrência destes fenômenos, normalmente equipamentos de proteção como relés, religadores, secionalizadores e chaves fusíveis são sensíveis a esta condição anormal e atuam desenergizando o circuito afetado e eliminando a falta. Por esta razão, as descargas atmosféricas são responsáveis por uma parcela significativa das desenergizações do sistema elétrico, principalmente no período chuvoso. A falta de energia causada por descargas elétricas é uma ocorrência não programada, indesejável e inevitável. Tradicionalmente sua ocorrência tem proporcionado a diminuição dos índices de qualidade de serviço das concessionárias, DEC (Duração Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora), FEC (Freqüência Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora), DIC (Duração de Interrupção por Unidade Consumidora), FIC (Freqüência de Interrupção por Unidade Consumidora) e DMIC (Duração Máxima de Interrupção por Unidade Consumidora), atingindo de forma bastante negativa a imagem da concessionária e causando a insatisfação dos consumidores. Estima-

15 2 se que cerca de 70% dos desligamentos das linhas de transmissão e de 30% a 60% dos desligamentos das redes de distribuição são causados por descargas atmosféricas. [1] A Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), responsável pela regulação e fiscalização dos serviços de energia elétrica, estabelece em suas resoluções requisitos e padrões técnicos e regulatórios que devem ser atendidos pelas empresas de energia elétrica. Agregado a essas resoluções, a ANNEL elabora os Procedimentos de Distribuição que normatizam e padronizam as atividades técnicas relacionadas ao funcionamento e desempenho dos sistemas de distribuição de energia elétrica. O acesso à informação e a maior divulgação dos direitos do consumidor têm ocasionado um aumento no número de Pedido de Indenização por Danos (PID) às concessionárias. [2] O surgimento de legislações cada vez mais rigorosas, órgãos fiscalizadores, concorrência entre as empresas do setor elétrico e clientes cada vez mais exigentes, obrigam as empresas a investir na pesquisa e modernização da empresa. Na busca pela melhoria da qualidade dos serviços, da satisfação dos consumidores e conseqüentemente da imagem da empresa, ao longo dos anos as concessionárias de energia têm investido na modernização dos sistemas elétricos e em projetos de Pesquisa, Desenvolvimento e Inovação (P&D&I). Dentre os temas em destaque se encontra a busca de solução pelo impacto das descargas atmosféricas. Em 2006, foi implementado no Brasil uma rede experimental de detecção de descargas atmosférica a longa distância, "Sferics Timing And Ranging NETwork (STARNET), que foi desenvolvida através de um projeto de P&D da Companhia Energética do Estado do Ceará (COELCE) em parceria com a Universidade Estadual do Ceará (UECE) e a Universidade de São Paulo (USP). Esse Sistema de monitoramento de descargas, objeto deste trabalho, tem por objetivo auxiliar a área de engenharia, operação e manutenção da Coelce, identificando o local de queda de raio na rede elétrica, prevendo tempestades e consequentemente minimizando o tempo de atendimento. [3] A Coelce vem observando, ao logo do tempo, a destruição de isoladores, equipamentos e outros dispositivos de seu sistema de transmissão e distribuição com a conseqüente interrupção de energia sem a causa definida com precisão. Pela análise dos dispositivos avariados, concluí-se que a principal causa é a ação de descargas atmosféricas, conforme apresentado nas Figuras 1 e 2. [4]

16 3 DEFEITO EM ISOLADOR 5% PROGRAMADA MANUTENÇÃO 7% DEFEITO EM CONEXÃO 8% DEC NOVAS INSTALAÇÕES 4% VANDALISMO 4% ''' DESCARGAS ATMOSFÉRICAS 25% DEFEITO NÃO IDENTIFICADO 20% TERCEIROS ACIDENTAL 9% VEGETAÇÃO 9% CONDUTOR PARTIDO 9% Figura Maiores contribuições de causas no DEC da COELCE em FEC VANDALISMO 7% DEFEITO EM ISOLADOR 7% DEFEITO EM CONEXÃO 6% DESCARGAS ATMOSFÉRICAS 23% VEGETAÇÃO 7% POSTE ABALROADO 8% CONDUTOR PARTIDO 9% TERCEIROS ACIDENTAL 11% DEFEITO NÃO IDENTIFICADO 22% Figura Maiores contribuições de causas no FEC da COELCE em Conforme ilustrado nos gráficos das Figuras 1 e 2, as descargas atmosféricas se destacam em primeiro lugar entre as 10 maiores contribuições de aumento nos Indicadores de DEC e FEC da Coelce no ano de 2009.

17 4 A implantação do sistema de monitoramento, permite a identificação das áreas de maior incidência de descarga atmosférica, otimiza a instalação de equipamentos de proteção contra descargas (pára-raios ou cabos pára-raios), orienta os responsáveis pela manutenção quanto à instalação ou não de cabo pára-raios e gera um banco de dados, com informações do local e instante da ocorrência de descargas atmosféricas. Esses registros permitem mostrar a relação existente entre dados de incidência de descargas gerados pelo Sistema de Monitoramento com os dados de interrupções no fornecimento de energia. Um dos principais benefícios que este sistema proporciona é a melhoria no tempo de atendimento, diminuição de custos e auxílio à tomada de decisão. Nas figuras 3 e 4 a seguir são apresentados dados evolutivos dos índices DEC e FEC do ano de 2002 até o ano de 2009, para o estado do Ceará. [4] 20,66 16,36 14,60 DEC 12,45 11,42 9,40 8,18 7, Figura Evolução do índice DEC no Ceará. 17,20 15,53 FEC 11,95 10,44 9,11 7,87 6,78 5, Figura Evolução do índice FEC no Ceará. A melhoria na qualidade dos serviços representa um dos desafios mais importantes para a Coelce. Em 2009, a companhia teve o melhor desempenho de toda sua história. Pela primeira vez na história da empresa, a Companhia Energética do Estado do

18 5 Ceará conquista a vitória em duas categorias do Prêmio Abradee, da Associação Brasileira de Distribuidores de Energia Elétrica, como a melhor distribuidora de energia do país e melhor na avaliação do cliente. Além disso, a concessionária foi premiada pelo quarto ano consecutivo, com o título de melhor distribuidora de energia da Região Nordeste. Em 2009, a concessionária cearense alcançou um dos quatro melhores Índices de Satisfação com a Qualidade Percebida (ISQP) entre todas as distribuidoras de energia brasileiras, comprovando que suas ações de melhoria contínua obtiveram êxito. [5] 1.1 Objetivo Esta monografia tem por objetivo apresentar os benefícios proporcionados pelo Sistema de Monitoramento de Descargas Atmosféricas implantado no Centro de Controle do Sistema (CCS) da Coelce como ferramenta de apoio às áreas de engenharia, operação e manutenção do Sistema Elétrico. 1.2 Estrutura do Trabalho Para o desenvolvimento deste trabalho, foi realizada uma pesquisa bibliográfica na própria Coelce e na literatura especializada, no sentido de se obter subsídios adicionais que contribuíssem para o desenvolvimento da monografia. Como resultado desta revisão bibliográfica, adotou-se uma estrutura de trabalho em quatro capítulos, cujos conteúdos são descritos a seguir. Capítulo 2 tem por objetivo fornecer conceitos básicos sobre descargas atmosféricas e a proteção do sistema elétrico contra esse fenômeno desde a origem e a classificação das sobretensões até os métodos de controle da mesma. Para entender como é feito a proteção do sistema elétrico, também foi necessária uma abordagem sobre os princípios básicos da coordenação de isolamento e os principais métodos utilizados para a coordenação de isolamento. Capítulo 3 apresenta o sistema de monitoramento de descargas atmosféricas no Brasil e no Ceará. Na seqüência são abordados os métodos de detecção e localização de descargas atmosféricas através do sistema de aplicações de raios, Zeus, utilizado pela

19 6 Coelce. E os resultados e benefícios que esse sistema de monitoramento está trazendo para as áreas de engenharia, manutenção e operação. Por fim tem-se a conclusão, em que se encontra uma revisão do sistema de monitoramento de descargas atmosféricas, destacando seu histórico e importância, os objetivos alcançados e os benefícios conseguidos com este sistema de monitoramento.

20 7 2. PROTEÇÃO DO SISTEMA ELÉTRICO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS 2.1 Origem e Classificação das Sobretensões O sistema elétrico, apesar de operar em regime permanente na maior parte do tempo, está sujeito a fenômenos transitórios, envolvendo variações de tensão e corrente, denominadas sobretensões e sobrecorrentes. Estudos de sobretensões devido a fenômenos transitórios causados por descargas atmosféricas, faltas no sistema e chaveamentos são necessários para a especificação de equipamentos de um sistema elétrico. [6] As sobretensões podem ser classificadas como de origem interna ou externa. As sobretensões de origem interna são causadas por eventos internos ao sistema elétrico de potência, como por exemplo, manobras de disjuntores ou curtos-circuitos. As sobretensões de origem externa por sua vez são causadas por eventos gerados fora do sistema elétrico, sendo sua principal fonte as descargas atmosféricas. De acordo com o tempo de duração e o grau de amortecimento, as sobretensões podem ser subdivididas em: temporárias, de manobra e atmosféricas. As sobretensões temporárias são caracterizadas por sua longa duração e picos de amplitude reduzida, conforme apresentado na Figura 2.1., provenientes de manobras do tipo energização de linhas em vazio, rejeição de carga e ocorrências de defeito com deslocamento do neutro. E apesar de resultarem de manobra ou falta no sistema, a parte transitória não é investigada, apenas a componente fundamental da tensão é significativa. Figura Sobretensão temporária obtida por simulação. [6]

21 8 As sobretensões de manobra são caracterizadas por uma frente de onda da ordem de dezenas de microssegundos a centenas de microssegundos e resultam de alguma alteração na condição operativa do sistema, causadas por faltas no sistema ou chaveamentos. Os principais eventos que provocam esse tipo de sobretensão são energização de transformadores, rejeição de carga, energização e religamento de linhas de transmissão e eliminação de faltas. Na Figura 2.2 é apresentado uma simulação de sobretensão característica de manobra. Figura Sobretensão de manobra com acentuado amortecimento. [6] As sobretensões atmosféricas são caracterizadas por uma frente de onda da ordem de microssegundos a dezenas de microssegundos e são originadas por descargas atmosféricas que podem ocorrer sobre uma linha de transmissão ou nas suas proximidades, causando surtos de tensão, ou uma incidência em uma subestação, atingindo diretamente os equipamentos. As sobretensões de origem atmosféricas são bastante elevadas, podendo provocar falhas nos isolamentos de equipamentos ou do sistema elétrico, atuação das proteções e consequentemente perda da continuidade de serviço. No gráfico da Figura 2.3 é apresentada a curva característica de uma sobretensão atmosférica obtida no terminal de um transformador de uma subestação. [6]

22 9 Figura Sobretensão atmosférica obtida por simulação. [6] Conforme apresentado na Figura 2.3, as sobretensões de origem atmosférica caracterizam-se por possuir tensão resultante unidirecional com pico máximo bem definido e amplitude limitada pelos pára-raios. [6] As redes aéreas são expostas às descargas atmosféricas diretas e indiretas. As descargas diretas são aquelas que incidem diretamente sobre o sistema elétrico, abrangendo condutores, estruturas ou equipamentos, enquanto as descargas indiretas ocorrem normalmente nas proximidades das linhas. As sobretensões causadas por descargas atmosféricas podem ser originadas por [2]: Descargas entre nuvens ou intranuvem; Descargas atmosféricas diretas na rede secundária; Tensões induzidas por descargas indiretas; Tensões transferidas devido a descargas diretas na rede primária; Tensões transferidas do primário pelo transformador; Descargas diretas em edificações. A Figura 2.4 ilustra os raios no momento de uma descarga atmosférica.

23 10 Figura 2.4 Descargas atmosféricas. [10] Uma descarga atmosférica pode ser definida como o rompimento da isolação do ar entre duas superfícies carregadas eletricamente com polaridades opostas. As correntes ascendentes de ar tendem a transportar as partículas positivas e as pequenas gotas de água para a parte superior da nuvem, enquanto as partículas negativas são levadas para a base da nuvem pelas grandes gotas de água. Desta forma, um grande centro de carga negativa é desenvolvido na região inferior da nuvem, enquanto um centro de cargas positivas é induzido na terra, resultando em uma diferença de potencial entre a nuvem e a terra. [7] As descargas atmosféricas irradiam energia em todo o espectro eletromagnético, durante a quebra da rigidez dielétrica do ar e ionização, o que possibilita a sua observação nas faixas de freqüência de VLF (Very Low Frequency), LF (Low Frequency), ELF (Extremely Low Frequency) e VHF (Very High Frequency). Nas faixas de freqüência VLF produzem ruídos chamados sferics, que se propagam à longa distância e podem ser monitorados. As descargas do tipo nuvem-terra (NS) são observadas na faixa de freqüência de VLF, LF e ELF, e as do tipo nuvem-nuvem (NN) ou intra-nuvem (IN) são observadas na faixa de VHF. Com essa divisão de freqüência, a cobertura de monitoramento de descargas atmosféricas, o tipo de relâmpago, a acurácia de localização e a eficiência de detecção são limitadas. Um relâmpago NS irradia energia eletromagnética que pode se propagar ao longo da superfície terrestre (onda de chão) ou a partir de múltiplas reflexões entre a superfície terrestre e a parte mais baixa da ionosfera (ondas de céu). Já os IN, por apresentarem uma menor energia que os NS, são mais bem observados a

24 11 partir de propagações de linha de visada. Neste sentido, as propagações por ondas de céu, de chão e direta se restringem à distâncias de , e 100 km respectivamente. A Figura 2.5 mostra as faixas de freqüências das descargas atmosféricas. [3] Figura 2.5 Faixas de freqüência das descargas atmosféricas. A freqüência da ocorrência de descargas atmosféricas é determinada através do nível ceráunico de uma região e a partir dele pode-se obter o número de raios por quilômetro quadrado ao ano. A conversão do nível ceráunico para densidade de raios para terra é realizada através de um fator de proporcionalidade que varia de 0,1 a 0,25 e indica o número de dias no ano com ocorrências de trovoadas. [7] N = k.i (2.1) Onde: N = densidade de raios (raios/km 2 ) k = fator de proporcionalidade I = nível ceráunico

25 12 Quando um sistema de potência é atingido por uma descarga atmosférica, uma elevada sobretensão é desenvolvida através da isolação das linhas e dos equipamentos. Ocorre descarga, quando a tensão exceder a suportabilidade de isolação do sistema, caracterizada pelo Nível Básico de Isolação (NBI) dos equipamentos e isoladores do sistema elétrico. Suportabilidade é a propriedade de um isolamento de se opor as descargas disruptivas. Essa característica que os equipamentos apresentam é definida de acordo com o nível de isolamento e depende tanto do tipo de solicitação aplicada ao equipamento quanto das características inerentes ao próprio isolamento. Na proteção do sistema de potência é necessário conhecer como se dá a propagação dos surtos e o efeito desses surtos de tensão e de corrente. [6] Para a determinação dos surtos de tensão e corrente resultantes em várias partes do sistema, é necessária uma análise de ondas trafegantes. Essas ondas surgem quando uma descarga atinge um condutor fase de uma linha de transmissão. Então se inicia uma propagação de ondas de tensão e de corrente que trafegam em ambas as direções a partir do ponto de impacto aproximadamente à velocidade da luz. A propagação da onda continua até encontrar uma descontinuidade, que pode ser disjuntores abertos, transformadores, outras linhas ou o rompimento da isolação da linha. Quando ocorre uma descontinuidade, as ondas podem ser refletidas ou transmitidas. A análise de ondas trafegantes em sistemas lineares simples pode ser feita manualmente, enquanto para sistemas mais complexos, característica dos sistemas elétricos, requerem o uso de computadores. [7] A implantação de um sistema de proteção contra descargas atmosféricas nos vários elementos do sistema de potência visa à blindagem e a atenuação das ondas trafegantes no sistema quando o mesmo é atingindo por uma descarga. Para implantar um sistema de proteção contra descargas atmosféricas nas linhas de transmissão e subestações faz-se necessário o estudo de incidência de raios com descargas atmosféricas diretas no condutor, nas torres, mastros ou cabos pára-raios e o estudo de incidências de raios nas proximidades da linha. [7] O estudo das descargas diretas considera falha de blindagem e analisa a incidência de descarga diretamente no condutor, nas torres, mastros ou cabos pára-raios. A ocorrência da falha de blindagem no depende do isolamento do sistema, do valor da tensão

26 13 de fase no instante da descarga, da impedância de surtos dos condutores e da intensidade da corrente de raio. O estudo das incidências de raios nas torres, mastros ou cabos pára-raios, recebe um tratamento estatístico por possuir uma grande quantidade de parâmetros de origem aleatória como corrente de raio, isolamento do sistema, aterramento de torres entre outros. A ocorrência de desligamentos em conseqüência desse fenômeno pode ser minimizada através de um projeto de aterramento das estruturas e um ajuste dos elementos de projeto da cabeça da torre, e ao contrário da queda direta, esses efeitos dificilmente vão ser eliminados. E finalmente, o estudo de descargas próximas à linha pode induzir uma tensão que não excede a 500 kv. Em linhas blindadas através de cabos pára-raios e de tensão nominal maior do que 69 kv, a possibilidade de ocorrer desligamento por incidência de raios nas proximidades da linha pode ser considerada desprezível. Por outro lado, as linhas menores, podem falhar devido a surtos de tensão induzida. [7] Nas linhas de transmissão, as descargas atmosféricas que forem interceptadas pelos cabos pára-raios, através do sistema de aterramento das torres, serão drenadas para terra. Já na subestação, é necessário estudar o posicionamento adequado para os mastros e cabos pára-raios, para que todas as descargas que possam provocar a falha nas isolações dos equipamentos sejam interceptadas pelo sistema de blindagem e desviadas para a malha de terra. [7] 2.2 Métodos de Controle das Sobretensões Os sistemas elétricos estão sujeitas a sobretensões sempre que ocorrem chaveamentos nas instalações elétricas ou quando ocorre descarga atmosférica diretamente ou nas proximidades das redes elétricas. Essas sobretensões, quando ultrapassam os limites suportáveis pelos equipamentos, podem danificá-los. Para proteger os sistemas elétricos de potência e seus componentes contra danos provocados por sobretensões, são empregados diversos tipos de dispositivos com aplicações específicas, como centelhadores, varistores, diodos especiais, pára-raios e cabos pára-raios, visando o controle das sobretensões e consequentemente evitar que a falha de isolamento prejudique a operação do sistema e cause danos aos equipamentos. Todos têm

27 14 em comum o fato de desviarem da instalação o excesso de tensão que poderia provocar o dano na instalação. Valores menos prejudiciais de sobretensões são obtidos com a aplicação de métodos de controle. Embora esses métodos não proporcionem a eliminação total das sobretensões, eles contribuem para que suas magnitudes fiquem limitadas a valores compatíveis com os níveis de isolamento dos equipamentos e projetos mais econômicos das linhas de transmissão. [8] Alguns aspectos como eficácia, custos e simplicidade de implementação são levados em conta na determinação do tipo de mecanismo a ser adotado. Os métodos e dispositivos mais utilizados são as blindagens contra descargas atmosféricas nas linhas de transmissão e subestações através de cabos pára-raios e pára-raios, os resistores de préinserção e as modificações na configuração do sistema Cabo Pára-raios Com o objetivo de evitar a incidência direta de descargas nos cabos condutores de uma linha de transmissão ou nos barramentos de uma subestação são utilizadas blindagens como cabos pára-raios e hastes de proteção. A ação protetora desses cabos está no fato de proporcionarem uma blindagem aos fios condutores, recebendo os raios e conduzindo suas correntes diretamente para a terra. Através da utilização do modelo eletrogeométrico é possível o posicionamento eficiente dos cabos pára-raios, para que a intensidade das correntes de descargas atmosféricas não ultrapasse o valor do limite que os equipamentos suportam. [9] A aplicação correta do cabo pára-raios depende do posicionamento do cabo em relação aos condutores fase da rede. Essa proteção é mais eficiente quando o ângulo de proteção formado com o plano vertical do cabo pára-raios não excede 45. Normalmente esses cabos são de aço e instalados no topo das estruturas da rede de distribuição, com seis aterramentos independentes do neutro do sistema. Um outro aspecto importante para a aplicação do cabo pára-raios é o valor da resistência de aterramento e o espaçamento entre os aterramentos. Se a resistência de aterramento for muito alta, o potencial no topo do poste pode se elevar a um valor suficiente e causar descarga entre o cabo pára-raios e os

28 15 condutores-fase. Por outro lado, a efetividade dos cabos pára-raios é diretamente proporcional ao número de aterramentos e inversamente proporcional ao valor individual das resistências de aterramento. Na Figura 2.6 é apresentado a utilização de cabos páraraios em redes de 13,8kV. [9] Figura Utilização de cabos pára-raios. [9] O correto dimensionamento dos cabos pára-raios depende basicamente das correntes de curto-circuito que passam pelos cabos, independentemente de seu tipo, quando da ocorrência de faltas para a terra ao longo da linha de transmissão. A maior corrente circulante ocorre para faltas fase-terra nas proximidades das subestações, sendo que a sua amplitude se reduz sensivelmente quando o ponto de falta é localizado na parte central da linha de transmissão. [10] Os cabos pára-raios, além de proteger os cabos condutores contra a incidência direta de descargas atmosféricas e diminuir a quantidade de desligamentos provocados por sobretensões atmosféricas, também podem ser utilizados para a transmissão de sinais ou, mais recentemente, para a transmissão de dados, através da instalação de cabos do tipo OPGW (Optical Ground Wire). Os cabos OPGW foram projetados especialmente para instalação em linhas aéreas de transmissão de energia elétrica e são basicamente constituídos por um núcleo dielétrico onde estão inseridas fibras ópticas, um tubo de alumínio que protege o pacote de fibras e a armação do cabo formada por fios condutores. Tais cabos são caracterizados por desempenharem simultaneamente duas funções: pára-

29 16 raios para linhas de transmissão de alta potência e meio de transmissão de dados através das fibras ópticas. Os fios metálicos que constituem a armação podem ser do tipo aço aluminizado, liga de alumínio ou aço galvanizado. A estrutura física de um cabo OPGW típico é mostrada na Figura 2.7. [10] Figura 2.7 Seção típica do cabo OPGW Pára-raios Os pára-raios são dispositivos de proteção contra surtos de tensão causados por descargas atmosféricas e por manobras em equipamentos. A evolução cronológica da tecnologia dos pára-raios é apresentada a seguir: 1892 Primeira linha de distribuição no Estado de Massachusetts. Utilização de gaps entre linha e terra Pesquisas no desenvolvimento de Resistor não linear: baixa resistência para descargas atmosféricas e alta resistência para curto circuito Resistor não linear de carboneto de silício Princípio do movimento do arco elétrico possibilitando alongar-se o arco elétrico centelhador para limitar a corrente subseqüente Resistor não linear de óxido de zinco que apresenta características excepcionais de não linearidade tensão x corrente, não necessitando de centelhador.

30 17 80 a 90% de óxido de zinco (ZnO) com aditivos de óxidos de bismuto, antimônio, cobalto, cromo, manganês, níquel e alumínio. Grãos de ZnO com baixa resistividade circundado por material intergranular de elevada resistividade. Pára-raios ideal, por ser mais simples (sem centelhador) e compacto possui maior confiabilidade e menor custo. [11] O pára-raios estão instalados próximos aos principais equipamentos de uma subestação, garantindo a confiabilidade, economia e continuidade de operação. A sua atuação tem por base a absorção de uma parte da corrente associada à onda de tensão, impedindo que as sobretensões alcancem valores superiores àqueles nos quais os equipamentos foram projetados, evitando danos aos mesmos e ao sistema elétrico. Apesar do seu importante papel no sistema elétrico, os pára-raios são equipamentos de baixo custo e de pequenas dimensões. A Figura 2.8 ilustra o efeito das sobretensões em uma linha a vazio com e sem pára-raios de ZnO. [6] Figura Efeito nas sobretensões em função da utilização ou não de pára-raios. [6] Os pára-raios normatizados atualmente são de Óxido de Zinco e sem qualquer centelhador. Basicamente são constituídos de uma coluna de varistores envolvida por uma

31 18 coluna de porcelana ou material polimérico, havendo ainda outros componentes estruturais. Os principais componentes dos pára-raios ZnO são: a) Varistor de Óxido de Metálico (MOV) Os blocos de óxido de zinco dos pára-raios atuais possuem elevada capacidade térmica e são capazes de dissipar grande quantidade de energia de surto, resultando em elevados níveis de suportabilidade de corrente de surto. Na Figura 2.9 são apresentados blocos de ZnO. [11] Figura Bloco de ZnO. [11] b) Invólucro O invólucro é a parte isolante externa do pára-raios que proporciona a necessária distância de escoamento e abriga os componentes internos. Um invólucro pode consistir de várias partes que propiciem resistência mecânica e proteção contra intempéries. Os blocos de ZnO dos pára-raios são encapsulados em invólucros de porcelana ou de material polimérico com características não higroscópicas e extremidades hermeticamente fechadas, garantindo perfeita estanqueidade ao equipamento. Na Figura 2.10 é apresentado pára-raios de porcelana e polimérico com e sem anel equalizador.

32 19 Anel equalizador (a) Pára-raios de Porcelana Figura Material do invólucro dos pára-raios. (b) Pára-raios Polimérico c) Anel Equalizador O anel equalizador do pára-raios é de material condutor, geralmente de forma circular, cuja finalidade é modificar a distribuição do campo elétrico ao longo do pára-raios tornando-a a mais uniforme possível. O anel equalizador é normalmente utilizado em páraraios de alta e extra-alta tensão. d) Desligador Automático O Desligador automático é um dispositivo para desligar, de modo visível, um pára-raios defeituoso do sistema no qual está ligado, para evitar falta permanente no próprio sistema. Os pára-raios são classificados usualmente pela sua corrente de descarga nominal em: Pára-raios Tipo Estação (20 ka e 10 ka): Os pára-raios classe ou tipo estação podem ser aplicados normalmente nas linhas de transmissão e nos vários vãos de média e alta tensão das subestações de energia elétrica. Na figura 2.11 são apresentados alguns exemplos de pára-raios tipo estação. [11]

33 20 Figura Pára-raios tipo estação. [11] Pára-raios tipo distribuição (5 ka): Os pára-raios tipo distribuição são aplicados normalmente nas redes de distribuição das concessionárias de energia e nas instalações consumidoras alimentadas de média tensão. Na Figura 2.12 é apresentado um pára-raios tio distribuição. [11] Base de Fixação Desligador automático Figura Pára-raios tipo distribuição. Os pára-raios tipo distribuição normalmente são instalados com desligador automático, o qual pode ser projetado como parte integrante ou como componente acoplável ao pára-raios. Pára-raios tipo secundário (1,5 ka) Os pára-raios tipo secundários são aplicados nas instalações de baixa tensão. Na Figura 2.13 é apresentado pára-raios secundário com e sem desligador automático.

34 21 Figura Pára-raios tipo secundário. Principais características nominais dos pára-raios: a) Tensão nominal do pára-raios Máxima tensão eficaz, de freqüência industrial, aplicável entre os terminais do pára-raios na qual ele é projetado para operar corretamente sob as condições de sobretensões temporárias estabelecidas nos ensaios de ciclo de operação. [9] b) Tensão de operação contínua Tensão eficaz máxima permissível de freqüência industrial, que pode ser aplicada continuamente aos terminais do pára-raios. c) Corrente de descarga nominal Valor de crista do impulso de corrente, com forma 8/20 µs, que é usado para classificar o pára-raios. d) Tensão residual do pára-raios Valor de crista da tensão que surge entre os terminais do pára-raios, durante a passagem da corrente de descarga. e) Capacidade máxima de absorção de energia do pára-raios Valor em kj (kws) da maior quantidade de energia em condições preestabelecidas, a que pode ser submetido o pára-raios, sem que as suas características sofram alterações significativas, após o retorno às condições normais de operação. [9] Pára-raios tipo Franklin Os pára-raios tipo Franklin são equipamentos instalados para blindagem de edifícios e subestações contra descargas atmosféricas. Nas Figura 2.14 é apresentado um pára-raios tipo Franklin. [12]

35 22 Figura Pára-raio tipo Franklin. As principais partes de um pára-raios tipo Franklin são captor, condutor de descida e eléctrodo de terra. [12] Captor: Principal parte do pára-raios constituído por três pontas ou mais pontas de óxido inoxidável ou cobre que intercepta as descargas atmosféricas incidentes. Condutor de descida: Parte do pára-raios que faz a ligação entre os captores e elétrodo de terra, conduzindo a corrente de descarga. Eléctrodo de terra: Parte do pára-raios que é constituído por um corpo condutor em contacto com o solo assegurando uma ligação elétrica com a terra e fazendo o aterramento. Nas Figuras 2.15 e 2.16 são apresentadas os pára-raios tipo Franklin protegendo um edifício e uma subestação, respectivamente.

36 23 Figura Blindagem da estrutura de um edifício com pára-raios tipo Franklin. Pára-raios tipo Franklin Figura Blindagem da estrutura de uma subestação com pára-raios tipo Franklin Resistores de Pré-inserção Outro método de controle das sobretensões é a utilização de disjuntores com resistores de pré-inserção em manobras de fechamento de disjuntor, que permitem a

37 24 redução na amplitude das sobretensões de manobras decorrentes de energização e religamento de linhas de transmissão. Na Figura 2.17 é apresentado o funcionamento de disjuntor com resistor de pré-inserção. Figura 2.17 Representação elétrica do funcionamento de disjuntor com resistor de pré-inserção. [8] Quando uma tensão é aplicada à linha através de um resistor em série, este funciona como um divisor de tensão, restringindo a tensão efetiva que chega à linha. Depois, o resistor é curto-circuitado, aparecendo um outro transitório correspondente à queda de tensão instantânea do resistor que é passada à linha. A amplitude da sobretensão é função da resistência do resistor de fechamento e do tempo de permanência. [8] Modificações na Configuração do Sistema Seccionamento de linhas de transmissão, instalação de reatores em derivação e aplicação de reatores de compensação são maneiras de se reduzir as sobretensões de manobra, através da modificação na configuração do sistema. O efeito Ferranti faz com que a tensão aumente ao longo da linha de transmissão e na ausência de compensação reativa, a tensão de regime no final da linha de transmissão é sempre maior do que no início. Então a utilização dos reatores de compensação diminui as sobretensões de manobra. Essa redução decorrente de manobras de religamento é feita quando instalamos dispositivos como: chaves de aterramento e transformadores de potencial indutivo. Aliado a essas modificações no sistema, pode-se diminuir as sobretensões atmosféricas reduzindo a resistência de pé de torre. E no caso das sobretensões de manobra, pode-se impor certas condições no chaveamento dos disjuntores, não permitindo que eles

38 25 operem a menos que determinadas condições no sistema sejam satisfeitas, por exemplo, quando há o fechamento sincronizado dos disjuntores, os contatos podem ser fechados no instante em que cada fase estiver passando por zero. Na Figura 2.18 é apresentado o gráfico da variação da sobretensão em função do instante de fechamento dos contatos do disjuntor. [7] Figura Variação da sobretensão em função do instante de fechamento dos contatos do disjuntor. [7] 2.3 Princípios básicos da coordenação de isolamento Os isolamentos abrangem os espaçamentos no ar, os isolamentos sólidos e os imersos em líquidos isolantes e de acordo com a sua finalidade são classificados como sendo para uso externo ou interno, conforme se utilizem em instalações sujeitas a agentes tais como poluição, umidade, insetos, podendo estar submetida às intempéries. Existe um outro tipo de classificação em isolamentos auto-regenerativos e não regenerativos. Os isolamentos auto-regenerativos são capazes de recuperar a sua rigidez dielétrica, após a ocorrência de uma descarga e são, em regra geral, isolamentos externos usados para isolar estruturas energizadas. Já os não regenerativos há danificação parcial ou total do isolamento e os isolamentos desta espécie são, em regra geral, isolamentos internos. Sua finalidade é separar diferentes elementos condutores sem que haja falhas quando submetido a condições operativas. [6] Os isolamentos auto-regenerativos são divididos em dois grupos, dependendo do tipo de sua utilização. O primeiro é o dos isolamentos de equipamentos, tais como: parte

39 26 externa de bucha de transformadores de força, reatores e transformadores de medição e parte externa das buchas dos dispositivos de manobra e de medição. O segundo se refere à instalação, tais como: os isolamentos em ar, os postes isoladores, as cadeias de isoladores e as colunas isoladoras das bobinas de bloqueio. Quando se estuda coordenação de isolamento de uma subestação, a tensão máxima que aparece nos terminais dos equipamentos é função da natureza da solicitação, do dispositivo de proteção utilizado, das características dos equipamentos e dos comprimentos dos barramentos da subestação. Todos esses elementos são importantes para a realização desse estudo, mas as características dos dispositivos de proteção e as suas localizações merecem uma consideração especial. [6] Os dispositivos de proteção, para efeito de coordenação de isolamento de subestações, são os pára-raios e os centelhadores, que conectados em paralelo com os equipamentos permitem desviar para terra todos os surtos que excedem os níveis especificados de proteção. Em um sistema elétrico em operação, esses dispositivos devem apresentar os seguintes requisitos: a característica de proteção do dispositivo deve ser sempre superior à curva de suportabilidade dos equipamentos que ele está protegendo; após descarregar um surto ser capazes de deixar de conduzir; não operar para sobretensões dinâmicas; ser capazes de descarregar surtos de alta energia sem se danificar ou alterar seu nível de proteção e sem permitir que os equipamentos próximos se danifiquem. A escolha do dispositivo apropriado depende da importância do equipamento a ser protegido e as conseqüências de uma interrupção na operação. [7] A localização dos pára-raios também é de fundamental importância. Quando um pára-raios não se encontra conectado diretamente nos terminais do equipamento a ser protegido, ocorre o efeito distância, ou seja, devido à separação entre o equipamento e os pára-raios, a tensão pode sofrer uma acentuada amplificação com relação ao nível de proteção dos pára-raios, por isso a localização do pára-raios deve ser realizada de forma que todos os equipamentos da subestação sejam solicitados por tensões inferiores à tensão

40 27 suportável nominal a impulso atmosférico, reduzida de um percentual correspondente à margem de segurança. [6] Para a determinação dos níveis de isolamento dos equipamentos das subestações devem ser realizados estudos para a determinação dos espaçamentos elétricos mínimos e das distâncias de segurança no interior de uma subestação. Com base em ensaios em laboratório de diversas configurações de eletrodo, são obtidas informações sobre o espaçamento requerido para suportar um determinado impulso, que devem ser utilizadas para o estabelecimento das distâncias elétricas mínimas, com o objetivo de evitar que ocorram descargas no isolamento, em tensões superiores àquelas que os equipamentos foram especificados. Além da distância elétrica mínima, uma distância de segurança é necessária para que o operador realize um trabalho num equipamento desconectado da subestação, mas próximo a partes energizadas da subestação. Essa medida de segurança deve ser tratada dependendo da natureza do trabalho a ser realizado e da altura dos operadores, incluindo o acesso ao equipamento e eventuais ferramentas de trabalho. Selecionando as distâncias de escoamento das superfícies isolantes expostas ao meio ambiente, como as porcelanas das buchas e isoladores, pode-se fazer a complementação dos estudos de coordenação de isolamento. Os parâmetros de umidade e densidade do ar influenciam bastante no comportamento das buchas e isoladores. Para estes isolantes, o ponto importante é a tensão normal, que é sensível ao efeito das condições ambientais. Em condições ambientais limpas, a corrente de fuga pela superfície da porcelana é da ordem de miliampères, tendendo a aumentar devido à contaminação por resíduos químicos, poeira e depósito de sal. Quando a superfície contaminada é umedecida por chuva fina ou orvalho, criam-se camadas de maior condutividade e facilita a ocorrência de descargas através do isolamento. As normas de coordenação de isolamento, inclusive a NBR-6939, têm por objetivo fixar os níveis de coordenação de isolamento dos equipamentos e estabelecer diretrizes para elaboração de especificações e métodos de ensaios de equipamentos. [6]

41 Métodos de Coordenação de Isolamentos A coordenação de isolamento pode ser feita utilizando dois métodos: Método Convencional e Método Estatístico. O método convencional é o método de coordenação de isolamento mais simples, cujo desconhecimento acerca do risco de falha envolvido torna-o apropriado apenas para isolamentos não auto-regenerativos. Ele é baseado na seleção dos níveis de isolamento considerando-se as maiores sobretensões esperadas e uma margem de segurança. O nível de isolamento é definido adicionando-se uma margem de segurança ao nível de proteção do dispositivo de proteção determinado para solicitação máxima. O método estatístico é baseado na seleção dos níveis de isolamento através de um determinado risco de falha selecionado, levando em consideração a natureza estatística das sobretensões e da suportabilidade do dielétrico. Para a aplicação desse método as grandezas devem ter suas distribuições estatísticas determinadas, identificando-se a natureza, magnitudes e probabilidade de ocorrências das sobretensões, as características de suportabilidade do isolamento e as características climáticas da região da instalação. A sua utilização é limitada aos isolamentos auto-regenerativos e para tensões acima de 300 kv. [6]

42 29 3. SISTEMA DE MONITORAMENTO DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS 3.1 Sistema de Monitoramento de Descargas Atmosféricas no Brasil As descargas atmosféricas diretas ou indiretas é a principal causa dos desligamentos em redes de distribuição, acarretando danos nos equipamentos e isoladores do sistema elétrico. Informações sobre descargas atmosféricas eram restritas a mapas isoceráunicos elaborados a partir do número de trovoadas por ano. Contudo essa ferrameta não é confiável, pois estudos na região sudeste do país têm mostrado que estes mapas podem apresentar erros que ultrapassam 500%. Com o objetivo de obter informações confiáveis sobre a ocorrência de descargas elétricas e avaliar seu impacto sobre o sistema elétrico, as empresas decidiram investir na implantação de sistemas de detecção e monitoramento de descargas atmosféricas. [13] Em 1988, foi implantado pelo Centro de Tecnologia e Normalização (TN), da Companhia Energética de Minas Gerais (CEMIG), o Sistema de Localização de Tempestades (SLT), primeiro sistema de detecção de descargas atmosféricas da América do Sul.[2] Em 2004, a CEMIG em conjunto com a SIMEPAR (Sistema Meteorológico do Paraná), FURNAS (Furnas Centrais Elétricas) e INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais) constituiu a Rede Integrada Nacional de Detecção de Descargas Atmosféricas (RINDAT). A RINDAT é uma rede de sensores e centrais que permitem detectar em tempo real as descargas atmosféricas nuvem-solo, que representa a maior parte das descargas que atingem o solo, em parte do território brasileiro. A interligação dos sistemas permitiu um melhor índice de detecção, maior precisão na localização e uma ampliação da área de cobertura do sistema, abrangendo as regiões sul, sudeste e centro-oeste do Brasil, conforme apresentado na Figura 3.1. [14]

43 30 Figura 3.1 Localização dos Sensores da Rede RINDAT. A RINDAT possui cinco centrais localizadas em: Belém, Belo Horizonte, Curitiba, Rio de Janeiro e São José dos Campos. Em 2005, a RINDAT cobria cerca de um terço do país e em área de monitoramento, ocupava a terceira posição no mundo, sendo superada somente pelas redes existentes nos Estados Unidos e Canadá. O Sistema de Detecção e Localização de Descargas Atmosféricas gera pesquisa científica e produtos destinados a aplicações na previsão de tempo, na análise e manutenção de sistemas elétricos de transmissão, de distribuição e na emissão de laudos de análise de eventos severos para seguradoras e empresas de engenharia. [15] O sistema atua através do Sistema de Posicionamento Global (GPS), que possibilita informações de temporização de raios com resoluções de até 300 nanossegundos, utilizando tecnologias denominadas "Sistema de Localização e Rastreio de Raios" ("Lightning Positioning and Tracking System" - LPATS) e "Localização da Direção Magnética" ("Magnetic Direction Finder" - MDF). A precisão das informações de

44 31 localização de raios do sistema é, em média, de 500 metros dentro do perímetro definido pela posição das estações remotas de recepção. Entre os produtos de visualização gerados pelo sistema se destacam: Localização geográfica e temporal de descargas atmosféricas nuvem-terra; Localização de temporais; Determinação de características de descargas como: valor estimado do pico da corrente de retorno, polaridade e número de componentes (multiplicidade) se a descarga for de natureza múltipla. Os sinais das descargas atmosféricas são registrados e transmitidos para as centrais de processamento, onde são processados e distribuídos para visualização (IHM - interface homem máquina) e armazenamento de dados. Nas IHMs são visualizados a localização e as características das descargas em tempo real ou armazenados para análises históricas. [15] 3.2 Sistema de Monitoramento de Descargas Atmosféricas no Estado do Ceará Para a verificação do Índice Cerâunico do estado do Ceará, a Coelce utilizava mapas isocerâunicos da NBR 5419/ Proteção de Estruturas contra Descargas Atmosféricas, elaborados a partir do levantamento do número de trovoadas por ano, conforme ilustrado na Figura 3.2. Figura Mapa Isoceráunico do Estado do Ceará.

45 32 Ao longo dos anos os profissionais de operação e manutenção observaram o aumento da quantidade de desligamentos do sistema elétrico no período de trovoadas. A partir deste sentimento a Coelce verificou que poderia reduzir os desligamentos neste período com a implantação de um padrão de linha de transmissão com cabos pára-raios. Analisando os mapas isoceráunicos da NBR 5419/2005 considerou que os dados apresentados na norma provavelmente não condiziam com o aumento das incidências de descargas atmosféricas no Ceará e precisaria de mais informações para tomar a decisão de implantar um novo padrão de linha de transmissão com cabo pára-raios. A partir da necessidade de conhecer os níveis isoceráunicos do estado do Ceará, a Coelce decidiu desenvolver e implantar um sistema de detecção de descargas atmosféricas através de um projeto de Pesquisa e Desenvolvimento (P&D). A UECE e a USP são parceiras da Coelce no desenvolvimento e implantação do sistema de detecção de relâmpagos, utilizando sensores com tecnologia de VLF (Very Low Frequency) integrado a grande rede mundial de monitoramento de descargas atmosféricas, STARNET (Sferics Timing and Ranging Network). Este sistema é capaz de detalhar a densidade de raios sobre o estado do Ceará e sobre todo o Brasil. [3] A STARNET é uma rede de detecção de descargas atmosférica a longa distância e nasceu em 1997 a partir do programa de desenvolvimento inovativo de pequenas empresas da NASA, concebida pela Resolution Display Inc (RDI). A RDI desenvolveu um sistema que consistia de cinco antenas de rádio receptoras na faixa de frequência de VLF (7-15 khz) que estavam situadas ao longo da costa leste dos EUA e em Porto Rico. [16] Em 2003, a National Science Foundation financiou a compra e a operação de 4 receptores de rádio sobre o continente Africano. Estes receptores foram integrados com a rede de descargas atmosféricas - ZEUS do Observatório Nacional de Atenas (NOA). Esta configuração possibilitou um contínuo monitoramento das tempestades sobre os continentes Europeu e Africano até Com o objetivo de melhorar a eficiência de detecção de raios sobre o continente Africano, oceano Atlântico e nordeste Brasileiro, no primeiro semestre de 2006 foi implantado a STARNET no Brasil, a partir do projeto de P&D da Coelce com a UECE e a USP, que contava com 4 antenas instaladas na África, 2 no Brasil (Fortaleza e Cachoeira

46 33 Paulista) e 1 no Caribe. Estrategicamente em Setembro de 2007 a antena da Nigéria foi deslocada para Campo Grande (MS) através de uma cooperação entre a UConn e USP, enquanto que em 2008 a USP/UECE e SIMEPAR adquiriram e instalaram mais duas antenas em São Martinho da Serra (RS) e Curitiba (PR), como mostra a Figura 3.3. [16] Figura Localização dos sensores da rede STARNET. [16] A rede de detecção de descargas atmosféricas, Zeus, tem como característica detectar raios à longa distância a um custo reduzido, necessitando de um número reduzido de antenas para cobrir toda a extensão do Brasil. Na Figura 3.4 é apresentada uma antena de VLF.

47 34 Figura Sensor localizado no Campus do Itaperi da UECE. A posição de uma antena de VLF é de suma importância, pois possibilita um melhor desempenho da detecção (eficiência de detecção) e localização (acurácia da posição). Estudos teóricos foram baseados em simulações de monte-carlo que calculam o erro de localização e a eficiência de detecção de descargas atmosféricas em função do número e posição dos sensores para a determinação dos melhores locais para a instalação das antenas de VLF. A partir de várias simulações verificou-se que uma antena deveria ser instalada no Campus do Itaperi da Universidade Estadual do Ceará em Fortaleza (Ceará) e a outra em Cachoeira Paulista (São Paulo) dentro do Centro de Previsão do Tempo e Clima. Após a instalação dessas duas estações de VLF, essa tecnologia possibilitou medidas do campo elétrico de ondas de céu, o que permitiu medidas até km de distância. [4] O sistema ZEUS de detecção de descargas atmosféricas a longa distância consiste de um conjunto de antenas que mede o campo elétrico vertical emitido pelos ruídos das descargas atmosféricas, conhecido como sferics. Os sinais emitidos pelos sferics se propagam a mais de cinco mil quilômetros de distância a partir de múltiplas reflexões entre o guia de onda formado pela superfície terrestre e a ionosfera. Como não se sabe a que horas ocorreu o evento, mas sabe-se o tempo exato em que a mesma chega a cada uma das antenas, aplica-se o método da diferença do tempo de chegada, ATD, para inferir a posição de um sferics. As ATDs são calculadas a partir da correlação temporal das formas de ondas de duas antenas, o que é repetido para todas as outras antenas. Portanto se o sistema possui

48 35 quatro antenas, a combinação de 2 antenas 2 a 2, é possível inferir 6 ATDs, que são representadas por hipérboles sobre o globo terrestre e representam regiões com a mesma diferença do tempo de chegada. A intersecção destas ATDs indica a posição de um sferics. A precisão da localização é calculada a partir da diferença do tempo teórico com o tempo medido. Esta diferença é transformada em uma elipse que define a região com a probabilidade de ocorrência da descarga atmosférica. [16] O sistema de detecção de raios STARNET prevê uma acurácia de 5 a 10 km e uma eficiência de detecção superior a 70% sobre o território brasileiro. Comparações preliminares com outro sistema de monitoramento, RINDAT, indicaram que a acurácia é inferior a 10 km, atendendo a previsão teórica. Com a instalação das novas antenas em 2008 e 2009, este sistema apresentou uma melhor acurácia bem como a eficiência de detecção estimada pelo modelo teórico. Estas aquisições e expansões visam melhorar a eficiência de detecção raios e ao mesmo tempo aumentar a área de cobertura nacional. [3] 3.3 Sistema de Aplicação de Raios Na Figura 3.5 é apresentado o portal do projeto de P&D, deselvolvido pela USP e UECE onde podem ser visualizadas informações sobre a localização de raios em tempo real, permitindo o acesso às informações históricas e produtos de probabilidade de ocorrência de raios e identificando as cidades e municípios que estão sendo afetadas por estas descargas. [17]

49 36 Figura Portal Principal do Projeto de P&D da Coelce. [17] Para o desenvolvimento destes aplicativos e produtos, o primeiro passo foi o geo-referenciamento dos municípios do estado do Ceará e linhas de transmissão e subestação da COELCE que possibilitam identificar os municípios e linhas de transmissão atingidas pelas descargas atmosféricas. [4] Na página principal do site do projeto de P&D, ilustrada na Figura 3.5, encontram-se disponíveis as últimas atualizações das informações da ocorrência de raios e previsão de tempestades. Nesta página, os operadores de sistema da Coelce têm acesso a diversas informações a partir de um menu disposto à margem esquerda, dentre as quais estão: Raios em Tempo Real; Previsão de Tempestades; Alerta Cidades; Arquivos: Relatório Diário, Acumulações Diárias, Mensais e Anuais; Dados Reprocessados: Alerta Cidades e Relatório Diário. À margem direita encontra-se a listagem de alertas: Ocorrência de Raios e ou Probabilidade de Tempestades. Estes menus têm como objetivo auxiliar os usuários e o centro de operações da Coelce na identificação de descargas atmosféricas bem como a aproximação de tempestades sobre a área de concessão da Coelce. [3] Na ocorrência de descargas atmosféricas ou mesmo a previsão de ocorrência de tempestades, o portal apresenta a indicação do município afetado bem como a freqüência de

50 37 raios ou a probabilidade de tempestades. Esta página é atualizada automaticamente a cada 10 minutos. [4] a) Raios em Tempo Real Ao selecionar o link Raios em Tempo Real, o usuário terá acesso a um mapa no qual estão disponibilizadas as linhas de transmissão e subestações, como mostrado na Figura 3.6. Na ocorrência de descargas, a página indicará uma listagem com os municípios atingidos, bem como o número de descargas atmosféricas ocorridas naquele período. O usuário também poderá selecionar outros períodos e fazer evolução temporal da ocorrência de descargas atmosféricas através das ferramentas de busca. [17] Figura Ocorrências de Raios em Tempo Real no Estado do Ceará. [17]

51 38 b) Previsão de Tempestades: Satélite Esse aplicativo calcula a probabilidade de ocorrência de descargas atmosféricas, combinando a incidência de raios com as imagens de satélite no canal do infravermelho e vapor d água. O objetivo é saber a área de abrangência das tempestades sobre a área de concessão da COELCE, uma vez que estas informações foram geo-referenciadas sobre aquela região. Esta informação é atualizada a cada 30 minutos, pois é dependente da transmissão dos dados do satélite GOES. Na presente configuração foi disponibilizada as probabilidades baixa, média e alta. Quando da ocorrência de uma destas probabilidades sobre a área de concessão, alertas são disponibilizados com a indicação do município afetado. A Figura 3.7 mostra a probabilidade de tempestade no Estado do Ceará no dia 26 de maio de [17] Figura Probabilidade de Tempestades no Estado do Ceará. [17]

52 39 c) Alerta Cidades Os municípios afetados são indicados através de alarmes e indicações no mapa a partir de diferentes cores ou luz intermitente. Neste link, os usuários têm a opção de obter uma maior resolução espacial da distribuição de raios e previsão de tempestades sobre a área de concessão da COELCE. Previsão de Tempestades: Mapa indicando a distribuição da probabilidade de tempestades e municípios afetados como mostra na Figura 3.8. Ocorrência de Raios: Mapa indicando a distribuição de raios e municípios afetados como mostra na Figura 3.9. [17] Figura Mapa disponível na opção Alerta Cidades: Previsão de Tempestades. [17]

53 40 Figura Mapa disponível na opção Alerta Cidades: Ocorrência de Raios. [17] d) Arquivos: Histórico O relatório diário de ocorrência de raios e os mapas de acumulações diárias, mensais e anuais estão disponíveis na opção arquivo. No link Relatório Diário estão disponibilizados relatórios sobre a ocorrência de descargas atmosféricas, como por exemplo a hora da ocorrência (dia, mês, ano, hora, minuto, segundo e mili-segundo), a posição (latitude e longitude) e a identificação do município. Os usuários podem acessar todo o banco de dados a partir da seleção das datas iniciais e finais. A Figura 3.10 disponibiliza o Relatório Diário de Raios ocorridos no dia 26 de Maio de [17] Ao final de cada dia, mês e ano, os dados de descargas atmosféricas são compilados e um mapa de densidade de raios sobre uma área de 10x10km 2 por dia, mês e ano é elaborado e disponibilizado no portal. Os usuários podem também acessar os mapas diários, mensais e anuais anteriores após a seleção das datas iniciais e finais como mostram as Figuras 3.11 e 3.12.

54 41 Figura Relatório Diário de Raios. [17] Figura Mapa disponível no menu Acumulação Diária. [17]

55 42 Figura Mapa disponível no menu Acumulação Mensal. [17] e) Dados Reprocessados Com o objetivo de evitar falhas na transferência dos dados, de aumentar a eficiência de detecção de raios e apresentar o melhor produto possível, os dados armazenados nos computadores de cada antena de VLF são transferidos mensalmente para o servidor da USP para um reprocessamento. Como novas localizações são efetuadas, mapas da ocorrência de raios e relatórios diários são novamente elaborados e devem representar a melhor eficiência possível. [17]

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