Métodos empregados para a melhoria do desempenho das linhas de transmissão

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1 VII Métodos empregados para a melhoria do desempenho das linhas de transmissão As descargas atmosféricas contribuem significativamente no número de desligamentos não programados ocorridos em linhas de transmissão com tensões nominais até 230 kv. De uma maneira geral, os índices de desligamentos de linhas de transmissão devido às descargas atmosféricas correspondem a uma faixa de 30 a 70% do total de desligamentos não programados, dependendo das características do solo e das atividades elétricas das regiões atravessadas pelas redes. Apesar da maioria desses desligamentos serem de natureza transitória (não acarretando em prejuízos para as empresas transmissoras de energia e na redução dos índices de qualidade e de continuidade das linhas), as perturbações no sistema, oriundas desses desligamentos, têm se apresentado como bastante críticas. Este fato é mais acentuado para linhas de transmissão que alimentam consumidores industriais que possuem sofisticados equipamentos eletrônicos com processos industriais sensíveis às perturbações momentâneas, nos quais uma pequena interrupção no fornecimento de tensão em um curto intervalo de tempo provoca uma interrupção nos processos produtivos, cujo tempo médio de restabelecimento, dependendo do tipo de processo, pode ser de 1 até 6 horas. Perdas de grandes blocos de cargas também têm sido verificadas nas empresas concessionárias de energia elétrica, provenientes de variações de tensão decorrentes dos desligamentos transitórios causados pelas descargas. O EPRI (Electric Power Research Institute) apresenta em seu site informações estimativas de prejuízos anuais decorrentes de danos causados pelas descargas atmosféricas nos sistemas elétricos e de interrupções nos processos produtivos dos consumidores superiores a U$ 1,000,000,000. Em adição, interrupções transitórias de linhas consideradas vitais podem ocasionar distúrbios em toda rede de uma região. No caso de linhas de transmissão, um trabalho publicado pelo antigo SubComitê de manutenção do GCOI /1/ mostrou que as descargas atmosféricas são responsáveis por aproximadamente 20% dos desligamentos permanentes que ocorrem em linhas de transmissão com tensões nominais até 138 kv, podendo chegar a um tempo médio de reparo de até 8 horas. Estes fatos têm levado empresas concessionárias de energia e consumidores industriais a atuar, muitas das vezes em conjunto, no sentido de estabelecer programas e estudos com objetivo básico de reduzir os desligamentos não programados de suas linhas de transmissão devido às descargas atmosféricas. 162

2 A partir desses estudos, empresas concessionárias de energia e consumidores industriais vêm promovendo melhorias ao longo das linhas de transmissão ou em suas seções mais críticas. Estas melhorias têm reduzido significativamente os índices de desligamentos das linhas e aumentado a confiabilidade das linhas em relação às cargas dos grandes consumidores industriais. Existem diferentes métodos para se reduzir os desligamentos não programados das linhas de transmissão devido a ação das descargas atmosféricas, os quais podem ser utilizados individualmente ou em conjunto: (1) aumentar a distância de isolamento das cadeias de isoladores; (2) instalação de cabos pára-raios em linhas não providas dessa proteção; (3) melhoria da eficiência de blindagem dos cabos pára-raios; (4) melhoria do desempenho do sistema de transitório de aterramento, através da melhoria da resistência de aterramento, da instalação de cabos contrapesos ou através da melhoria das características dos cabos contrapesos; (5) a instalação de pára-raios de linha. A efetividade de cada método depende diretamente das características da linha: topografia e resistividade do solo da região atravessada pela linha; importância da linha e os efeitos de um desligamento sobre as cargas alimentadas pela linha; índice de desligamento desejado, etc. VII.1 Aumento da isolação das linhas de transmissão Aumentar o isolamento de uma linha de transmissão significa, via de regra, aumentar a distância de arco a seco das cadeias de isoladores. No caso de linhas com tensões nominais de até 44 kv e redes de distribuição, além do aumento da distância de arco a seco dos isoladores é possível aumentar o seu isolamento fazendo uso da isolação de partes da estrutura. Para uma mesma configuração de rede e mesmo tipo de isolador, as características disruptivas das estruturas variam em função das características isolantes dos componentes da estrutura e da distância dos isoladores em relação aos elementos aterrados. A isolação das estruturas das redes e linhas de distribuição pode ser interpretada pela combinação das isolações proporcionadas pelo isolador propriamente dito; pelo tipo e comprimento da cruzeta utilizada; pelo tipo e posicionamento da mão francesa; pelo tipo de estrutura utilizada (madeira ou concreto) e pelo desenho da estrutura completa, pois a probabilidade da disrupção ser seguida pela passagem de uma corrente de freqüência fundamental (corrente de curto-circuito) está relacionada com o gradiente da tensão eficaz (kv/m) em que a estrutura está operando. 163

3 Empresas distribuidoras de energia vêm utilizando com mais freqüência para as redes de distribuição brasileiras estruturas (ou postes) de concreto. Quanto ao tipo de cruzeta, verifica-se a utilização tanto de cruzetas de concreto quanto de madeira, com uma predominância futura para as cruzetas de concreto, devido a questões ambientais. Cruzetas isolantes constituídas por outros materiais vêm sendo desenvolvidas e aplicadas em redes piloto, para fins de avaliação de campo. Com relação à mão francesa, verifica-se uma grande predominância pela utilização em material de ferro. Da mesma forma que para as cruzetas, mãos francesas isolantes, constituídas por materiais poliméricos em geral (polietileno, fibra de vidro, etc.), estão sendo avaliadas em redes piloto. Diversas literaturas têm apresentado informações sobre as propriedades dos materiais isolantes no aumento das características disruptivas das redes de distribuição, sendo que a maioria das referências apresenta informações sobre as propriedades das madeiras. Uma análise geral mostra que a resistência da madeira às sobretensões de origem atmosférica depende basicamente do comprimento da madeira e da umidade presente, sendo sensivelmente influenciada pelo tratamento e tipo de madeira empregada. Considerando a estrutura da madeira, é comum uma variação considerável entre as suas propriedades elétricas; variações na faixa de 10% a 20% são comuns mesmo sob condições especiais e controle da umidade presente. De acordo com informações apresentadas em /2/, o nível de isolamento da madeira não é significativamente afetado pelo número de solicitações, uma vez que dificilmente o caminho da descarga, quer seja interno ou externo, se repete. No entanto, em caso de penetração de umidade, esforços repetitivos podem ocasionar uma redução da suportabilidade da madeira para impulsos, devido à possibilidade de ocorrência de fendas, rachaduras, ou outras danificações mecânicas no material. Estudos realizados mostraram que a madeira seca pode adicionar de 30 kv/m a 430 kv/m à suportabilidade do isolador de porcelana, sendo este valor reduzido a 0 a 20 kv/m em condições sob chuva. A referência /3/ apresenta um estudo comparativo entre as propriedades isolantes das estruturas de madeira e de fibra de vidro, com melhores resultados obtidos para as estruturas de fibra de vidro sob as mesmas condições de ensaio. Ensaios realizados com impulsos de polaridade positiva sob chuva apresentaram os menores resultados de suportabilidade. Este estudo apresenta também informações bastante interessantes quanto ao caminho da descarga disruptiva em relação ao comprimento e às características das estruturas de fibra de vidro quando submetidas a ensaios de envelhecimento acelerado. Várias empresas concessionárias de energia elétrica vêm utilizando o procedimento de aumentar a isolação de forma a obter uma melhoria do desempenho de redes de distribuição e linhas com tensões nominais até 44 kv, 164

4 através da utilização de postes e cruzetas de madeira; cruzetas de madeira com mãos francesas isoladas (no caso de postes de concreto); entre outros. O objetivo é sempre o de aumentar a tensão de descarga crítica da isolação. Outro procedimento prático bastante utilizado e que tem trazido bons resultados, consiste em aplicar isoladores com uma classe de tensão superior à tensão máxima de operação do sistema. Neste caso, geralmente aplicam-se isoladores do tipo pilar. Em casos típicos de estruturas com os isoladores dispostos de forma que a fase central fique mais próxima do aterramento da estrutura (mão francesa), algumas empresas vêm adotando o procedimento de aplicação de cruzetas de madeira isoladas e instalação de isoladores de classe de tensão superior somente na fase central, que é a de menor suportabilidade elétrica. Existe uma limitação técnica e econômica para esse método, o qual pode ser adequado para redução das descargas disruptivas verificadas em redes de distribuição e linhas com tensões nominais até 44 kv por tensões induzidas, além de reduzir a probabilidade das descargas disruptivas evoluírem para um arco de potência (com o aumento da distância de isolação) e provocar o desligamento do sistema. Um aumento da tensão crítica de descarga de uma isolação para valores da ordem de 300 kv ou maiores, praticamente elimina a probabilidade de desligamentos das redes de distribuição e linhas de transmissão pelo efeito das descargas indiretas. No caso das descargas diretas, apesar do aumento da isolação da estrutura não ser um método eficiente para redução das descargas disruptivas na isolação, o aumento da isolação das estruturas resulta no aumento do comprimento do arco elétrico que se estabelece quando da ocorrência da descarga disruptiva, fato que reduz a probabilidade da descarga disruptiva evoluir para um arco de potência, com o estabelecimento da corrente de curto-circuito e o desligamento da rede. Já para linhas de transmissão, o aumento do isolamento das linhas traz algum benefício no caso de linhas de transmissão com cabos pára-raios. No entanto, via de regra, a relação entre benefício e custo tem se mostrado muito pequena quando comparada aos demais métodos. Outro ponto que deve ser considerado quando do aumento do nível da isolação da linha, está relacionado à necessidade de se aumentar o nível de suportabilidade dos equipamentos a ela conectados (em especial os transformadores, religadores e chaves seccionadoras), ou instalar pára-raios próximos a esses equipamentos. VII.2 Melhoria do sistema de aterramento De uma forma em geral, a redução dos valores de impedância de aterramento dos pés das estruturas leva a uma redução significativa dos índices de desligamentos de redes de distribuição e de linhas de transmissão providas de cabos pára-raios. 165

5 Dentre as configurações de aterramento mais utilizadas pelas empresas concessionárias de energia em redes de distribuição e linhas de transmissão com tensões nominais de até 69 kv, destaca-se a utilização de eletrodos (hastes) de aterramento, que consistem de eletrodos rígidos, normalmente de seção circular, e cravados verticalmente no solo atingindo, desta forma, camadas mais profundas que são, na maioria dos casos, de menor resistividade. Os aterramentos utilizando hastes podem conter uma única haste; ou conter mais de uma haste, dispostas de forma alinhada, em triângulo, em círculo, etc. No caso de linhas de transmissão com tensões nominais de 138 kv e acima, utiliza-se geralmente a configuração de cabos contrapesos. Sob condições transitórias, a impedância de aterramento das estruturas (Z AT ) pode ser definida pela relação entre a tensão através do aterramento e a corrente impulsiva que se propaga pelo aterramento ao longo do tempo, ou seja: Z e AT (t) Tensão resultante no aterramento, devido a corrente impulsiva; i AT (t) Corrente impulsiva que se propaga pelo aterramento. ( t) AT = e i AT AT ( t) ( t) A relação entre a impedância de aterramento para impulsos e a resistência de aterramento medida em baixa freqüência é denominada de coeficiente de impulso, e depende basicamente do tipo e da configuração do aterramento considerado. A melhoria nos valores de resistência de aterramento medidos em baixa freqüência, através do aumento da quantidade de hastes ou modificação em sua configuração; do aumento do comprimento e de novos arranjos dos cabos contrapesos nas bases das torres; bem como, em alguns tipos de configurações de aterramentos, da utilização de métodos de tratamento do solo, acarreta uma redução nos valores de impedância de aterramento das estruturas quando submetidas a condições transitórias. Além de reduzir os índices de desligamentos, a melhoria do sistema de aterramento reduz significativamente o índice de queima de equipamentos instalados ao longo das redes de distribuição. Experiências de campo têm mostrado que esse método apresenta melhorias significativas no desempenho de redes e linhas de transmissão providas de cabos pára-raios quando da incidência de descargas diretas, bem como tem reduzido o número de desligamentos de redes com ou sem pára-raios devido às descargas indiretas. 166

6 Este método apresenta melhorias significativas no desempenho de linhas de transmissão e de redes de distribuição providas de cabos pára-raios e altas impedâncias de aterramento. No entanto, em muitas das vezes, somente a melhoria da impedância de aterramento e/ou instalação de cabos contrapesos nas bases das estruturas, torna-se inviável sob os pontos de vista técnico e/ou econômico. VII.3 Instalação de cabos pára-raios e/ou melhoria do ângulo de blindagem A instalação de cabos pára-raios em redes de distribuição e linhas de transmissão aéreas sem blindagem tem por finalidade evitar a incidência de descargas diretas sobre os condutores. No entanto, descargas disruptivas de retorno ou descargas externas podem ocorrer nas cadeias de isoladores em função das impedâncias de aterramento das estruturas e falhas de blindagem, respectivamente. A redução no índice de desligamentos em redes de distribuição e linhas de transmissão pode ser conseguida através da composição instalação de cabos pára-raios e melhoria do sistema de aterramento. No entanto, tal solução pode ser inviável sob o ponto de vista econômico, principalmente se considerarmos que em muitos dos casos os projetos das estruturas não suportam os esforços mecânicos adicionais que seriam produzidos pela adição do(s) cabo(s) pára-raios, sendo necessários reforços nas estruturas. Além disso, nem sempre é possível tecnicamente ou viável economicamente a obtenção de valores de impedância de aterramento a níveis considerados aceitáveis. A instalação do cabo pára-raios reduz de modo considerável o número de descargas diretas sobre os condutores fase. No entanto, a sua instalação eleva a altura do condutor em relação ao solo, aumentando a área de exposição das redes e linhas de transmissão ás descargas atmosféricas, com o conseqüente aumento da incidência de descargas diretas sobre os sistemas. A instalação de cabos pára-raios para a proteção de descargas diretas nas redes elétricas tem sido amplamente utilizada em linhas de transmissão. No entanto, a sua aplicação em redes com tensões nominais até 44 kv é limitada devido a alguns fatores, comentados a seguir: - Normalmente as estruturas das redes têm de ser modificadas a fim de permitir a instalação do cabo pára-raios no topo do poste e manter um ângulo de blindagem mínimo adequado; - Em muitos dos casos os projetos das estruturas não suportam os esforços mecânicos adicionais que seriam produzidos pela adição do(s) cabo(s) páraraios, sendo necessários reforços nas estruturas que inviabilizam essa aplicação; 167

7 - A efetividade da utilização de cabos pára-raios na melhoria do desempenho das redes de distribuição devido às descargas diretas, está diretamente relacionada às características da impedância de aterramento da estrutura e da resistividade do solo. Estudos teóricos têm mostrado que a efetividade deste método para a melhoria de desempenho face a descargas diretas é bastante baixa em redes de distribuição com tensões nominais até 34,5 kv, devido a baixa isolação das redes, associada às configurações de aterramento geralmente existentes; - A maior causa de desligamentos de redes de distribuição aéreas urbanas são as tensões induzidas, provenientes das descargas indiretas. Embora o cabo pára-raios reduza a tensão induzida nas fases, devido a sua proximidade com essas, a sua efetividade para esse tipo de proteção nem sempre justifica economicamente a sua aplicação. VII.4 Pára-raios Dentre os procedimentos atualmente existentes e acima descritos para a eliminação ou redução dos índices de desligamentos transitórios e permanentes de redes de distribuição e linhas de transmissão, bem como para a redução do índice de queima de equipamentos instalados ao longo dos sistemas elétricos devido a ação das descargas atmosféricas, a aplicação de pára-raios de linha, muitas vezes associada a melhoria do sistema de aterramento, tem sido considerado como o método atualmente mais efetivo e eficiente e, geralmente, apresenta a melhor relação entre benefício e custo. A efetividade na aplicação dos pára-raios de linha torna-se maior para piores condições topográficas e de resistividade do solo da região atravessada pela linha de transmissão. Experiências de campo têm demonstrado a grande efetividade dos pára-raios para a redução dos desligamentos não programados verificados em linhas de transmissão com ou sem pára-raios, para tensões nominais de até 500 kv. No entanto, para redes de distribuição e linhas com tensões nominais abaixo de 69 kv, a eficiência da utilização de pára-raios para a redução dos índices de desligamentos está diretamente associada ao conhecimento do principal fenômeno responsável pelos desligamentos, ou seja, se a principal causa de desligamento é a descarga direta ou indireta. A utilização de pára-raios para redução de desligamentos de redes de distribuição e linhas com tensões nominais de até 44 kv por descargas diretas geralmente não se apresenta como uma alternativa técnica e economicamente viável. Isto se deve ao fato da necessidade de se instalar pára-raios em todas as estruturas (geralmente nas três fases, dependendo da configuração da rede) ao longo da 168

8 rede de distribuição, ou ao longo do trecho crítico da rede, caso se conheça a distribuição das descargas. Ao se avaliar a viabilidade técnica e econômica da aplicação de pára-raios para a proteção das redes por descargas diretas, deve-se analisar as seguintes situações: (1) a incidência de descargas no meio do vão entre duas estruturas não protegidas por pára-raios; (2) a incidência de descargas no meio do vão, estando uma das estruturas protegidas por pára-raios; (3) incidência de descargas diretamente sobre a estrutura sem pára-raios; (4) incidência de descargas diretamente sobre a estrutura com pára-raios e a probabilidade da ocorrência de descargas disruptivas nas estruturas adjacentes. No próximo capítulo serão abordados os diversos aspectos referentes a aplicação de pára-raios. VII.5 Referências bibliográficas /1/ GCOI SubComitê de manutenção, Análise estatística do desempenho de linhas de transmissào aéreas, Relatório Técnico RT.SCM.CDE.028, /2/ Darveniza, M. et alii, Line Design and electrical Properties of Wood, IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol PAS 86, No 11, November /3/ Grzybowski, S., Added CFO Voltage by the Fiberglass Distribution Line Pole. /4/ Lewis, W. W., The Protection of Transmission Systems Against Lightning. /5/ IEEE Std 1410, IEEE Guide for Improving the Lightning Performance of Electric Power Overhead Distribution Lines, /6/ IEEE Std 1243, IEEE Guide for Improving the Lightning Performance of Transmission Lines,