Utilização de Descarregadores de Sobretensões em Linhas de Transmissão de Energia Eléctrica. Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em

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1 Utilização de Descarregadores de Sobretensões em Linhas de Transmissão de Energia Eléctrica Hetal Anil Pranlal Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores Júri Presidente: Prof. Doutor Paulo José da Costa Branco Orientador: Prof. Doutora Maria Teresa Correia de Barros Vogal: Prof. Doutor Mário Ventim Neves Maio 2011

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3 Agradecimentos Gostaria de agradecer à minha orientadora, Prof. Maria Teresa Correia de Barros, por toda a disponibilidade e interesse manifestado pelo trabalho, assim como por todo o apoio e orientação, sem os quais muito dificilmente o trabalho teria sido concluído com êxito. Gostaria também de agradecer ao Eng. Manuel de Matos Fernandes pela disponibilidade para atender as dúvidas referentes à utilização do Descarga e do software ATPDraw. Queria ainda agradecer à minha família e amigos por todo o apoio ao longo do meu percurso académico. Por fim e o mais importante, gostaria de agradecer ao meu colega e amigo Luís Gomes, cujo apoio e amizade foram indispensáveis para o meu desenvolvimento pessoal, académico e profissional. iii

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5 Abstract Surges generated by lightning strokes can lead to failures in the supply of electricity, therefore they have brought several concerns in the design and operation of transmission lines due to the consequences of these for the various components. This dissertation presents the results of the work performed with the aim of studying the use of line surge arresters on transmission lines, using the simulation program ATPDraw. The physical phenomenon associated to lightning is explained, as well as the characterization of the discharge waveforms and the establishment of an equivalent electric model for its representation. The models of the components of the electrical system considered relevant to the study of the electromagnetic transients generated by the incidence of lighting strokes were also analysed. Assuming that the stroke hits the top of the transmission tower and considering discharge currents with different peak values and different characteristic times, several simulations were performed with the aim of studying the influence of ground resistance and the adjacent towers in the evolution of the voltages in the phase conductors and in the insulators, analyzing the backflashovers as well. It is also performed the study of the voltages in the insulators when line surge arresters are installed. Finally, the installation of line surge arresters in uniform and non-uniform lines was simulated, performing the analysis of the backflashovers that occurs and studying the strategy of the installation of this devices that leads to the reduction of backflashovers. It was found that the installation of line surge arresters in three phases of one of the circuits when uniform lines are considered leads to best results. In non-uniform lines, the installation of arresters in the transmission towers that have the highest grounding resistances and in the adjacent towers presents a significant reduction in backflashovers, eliminating backflashovers in one of the line circuit. Keywords Lightning Stroke, Transmission Line, Backflashover, Grounding Resistance, Line Surge Arresters, ATPDraw v

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7 Resumo As sobretensões geradas por descargas atmosféricas podem conduzir a falhas no fornecimento de energia eléctrica, pelo que têm trazido várias preocupações no âmbito do projecto e exploração das linhas de transmissão devido às consequências destas para os diversos componentes. Nesta dissertação são apresentados os resultados do trabalho desenvolvido com o objectivo de estudar a utilização de descarregadores de sobretensões em linhas de transmissão de energia eléctrica, utilizando o programa de simulação ATPDraw. Procedeu-se à explicação do fenómeno físico associado à descarga atmosférica, assim como à caracterização das formas de onda e estabelecimento de um modelo eléctrico equivalente para a sua representação. Foram ainda analisados os modelos dos componentes da rede eléctrica que se consideram relevantes para o estudo de fenómenos transitórios originados pela incidência de descargas. Admitindo que as descargas incidem no topo do apoio e considerando correntes de descarga com diferentes valores de pico e diferentes tempos característicos foram realizadas diversas simulações para o estudo da influência da resistência de terra e dos apoios adjacentes na evolução das tensões nos condutores de fase e nas cadeias de isoladores, analisando também os contornamentos inversos resultantes. Procede-se ainda ao estudo das tensões aos terminais da cadeia de isoladores quando são instalados os descarregadores de sobretensões. Por fim, simulou-se a instalação de descarregadores de sobretensões em linhas uniformes e não uniformes, analisando os contornamentos inversos que se verificam e estudando a estratégia de instalação destes dispositivos que conduz a uma redução dos contornamentos. Verificou-se que a instalação dos descarregadores nas três fases de um dos circuitos quando são consideradas linhas uniformes conduz aos melhores resultados. Na linha não uniforme, a instalação de descarregadores nos apoios que apresentam resistências de terra mais elevadas e nos apoios adjacentes apresenta uma redução significativa dos contornamentos inversos, eliminando os contornamentos num dos circuitos. Palavras-chave Descarga Atmosférica, Linha de Transmissão, Contornamento Inverso, Resistência de Terra, Descarregador de Sobretensões, ATPDraw vii

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9 Índice 1 Introdução Contexto Objectivos Estrutura da Dissertação Caracterização das Sobretensões de Origem Atmosféricas Considerações Gerais Descarga Atmosférica Caracterização da Corrente de Descarga Tipos de Falhas de Isolamento Contornamento Inverso Cálculo do Desempenho da Linha Taxa de Contornamento por Falha de Escudo Taxa de Contornamento Inverso Descarregadores de Sobretensões Considerações Gerais Tipos de Descarregadores Risco de Falha dos Descarregadores Casos de Estudo e Modelização Considerações gerais Caso Base Casos com Linha Uniforme Especificação dos Modelos Adoptados Estudo dos Contornamentos em Linha Uniforme Sem Descarregadores Estudo dos Contornamentos em Linha Uniforme Com Descarregadores Estudo dos Contornamentos em Linha Não Uniforme Conclusões e Propostas de Trabalhos Futuros Conclusões do Estudo Realizado Propostas de Trabalhos Futuros Referências Bibliográficas ix

10 Anexos Anexo A Modelização dos Componentes do Sistema Eléctrico A.1 Considerações Gerais A.2 Linhas Aéreas de Transmissão de Energia Eléctrica A.2.1 Estudo da propagação numa linha bifilar A.2.2 Estudo da propagação numa linha multifilar A.2.3 Decomposição modal A.2.4 Impedância longitudinal A.2.5 Admitância transversal A.3 Apoios A.3.1 Modelização por linha vertical sem perdas A.3.2 Modelização por divisão do apoio em segmentos A.4 Eléctrodos de Terra A.5 Cadeias de Isoladores Anexo B Dados Referentes à Linha de Transmissão Anexo C Resistências de Terra Anexo D Dados Referentes à Característica dos Descarregadores de Sobretensões x

11 Lista de Figuras Figura 2.1 Classificação das descargas: a) Negativa descendente; b) Negativa ascendente; c) Positiva descendente; d) Positiva ascendente [7] Figura Forma de onda da corrente de uma descarga descendente negativa e os seus parâmetros característicos [1] Figura Característica V-I dos elementos de SiC e ZnO [26] Figura 3.2 Descarregadores de sobretensões de ZnO com explosores: a) explosores fixos b) explosores separados [18] Figura 3.3 Estrutura do descarregador de sobretensões de ZnO [18] Figura 3.4 Característica dos descarregadores de sobretensões de ZnO Figura 4.1 Configuração das fases da linha em estudo configuração cruzada Figura Resistência de terra em cada apoio da linha de 150 kv Sines-Tunes - Anexo C Figura 4.3 Caracterização da linha Sines-Tunes Figura Correntes de descarga obtidas com o método proposto pela C.I.G.R.É - Tabela Figura Probabilidade do valor da resistência de terra ser excedido Figura 4.6 Modelo implementado no ATPDraw para representar a corrente de descarga Figura Modelo implementado no ATPDraw para representar a cadeia de isoladores Figura Modelo implementado no ATPDraw para representar o descarregador de sobretensões Figura Tensões nas cadeias de isoladores do circuito RST no apoio onde incide a descarga, Fase S (Vermelho), Fase R (Verde), Fase T (Azul) Figura Correntes nas cadeias de isoladores do circuito RST no apoio onde incide a descarga, Fase S (Vermelho), Fase R (Verde), Fase T (Azul) Figura Tensões nas cadeias de isoladores do circuito R'S'T' no apoio onde incide a descarga, Fase T' (Vermelho), Fase R' (Verde), Fase S' (Azul) Figura Correntes nas cadeias de isoladores do circuito R'S'T' no apoio onde incide a descarga, Fase T' (Vermelho), Fase R' (Verde), Fase S' (Azul) Figura Tensões nas fases no apoio onde incide a descarga, S (Vermelho), R (Verde) e T (Azul) Figura Tensões nas fases no apoio onde incide a descarga, T' (Vermelho), R' (Verde) e S' (Azul) Figura 5.7 Tensões no apoio onde incide a descarga, Apoio Único (Vermelho), com Apoios Adjacentes (Verde) Figura Correntes nas cadeias de isoladores da fase T no apoio onde incide a descarga, Apoio Único (Vermelho), com Apoios Adjacentes (Verde) Figura Tensão na cadeia de isoladores da fase S' no apoio onde incide a descarga, Sem Descarregadores (Vermelho) e Com Descarregadores (Verde) xi

12 Figura Correntes que atravessam os descarregadores de sobretensões no apoio onde incide a descarga, Fase T' (Vermelho), Fase R' (Verde), Fase S' (Azul) Figura Tensões nas fases R'S'T' no apoio atingido pela descarga sem descarregadores instalados, Fase T' (Vermelho), Fase R' (Verde), Fase S' (Azul) Figura Tensões nas fases R'S'T' no apoio atingido pela descarga com descarregador instalado na fase S, Fase T' (Vermelho), Fase R' (Verde), Fase S' (Azul) Figura Tensões nas fases R'S'T' no apoio atingido pela descarga com descarregadores instalados nas fases R e S, Fase T' (Vermelho), Fase R' (Verde), Fase S' (Azul) Figura Tensões nas fases R'S'T' no apoio atingido pela descarga com descarregadores instalados nas fases T, R e S, Fase T' (Vermelho), Fase R' (Verde), Fase S' (Azul) Figura 6.7 Tensão no apoio N (Vermelho) e tensão na fase T do apoio N (Verde) para o caso da Tabela 6.5 sem descarregadores Figura Tensão no apoio N-2 (Vermelho) e tensão na fase T do apoio N-2 (Verde) para o caso da Tabela 6.5 sem descarregadores Figura 6.9 Perfil da energia descarregada pelos descarregadores instalados nas três fases do circuito R S T, para o caso 18 - Tabela Figura Resistências de terra dos troços da linha Sines-Tunes simulados Figura A.1 - Torre de forma cilíndrica [11] Figura A.2 - Torre de forma cónica [11] Figura A.3 - Torre em forma de cintura [11] Figura A.4 - Torre em forma de H [11] Figura A.5 Representação gráfica do Multistory Tower Model [11] Figura A.6 Representação gráfica do modelo por andares de Hara et al. [28] Figura A.7 - Geometria do eléctrodo de terra após a ionização do solo [26] Figura A.8 - Curvas tensão-tempo para comprimentos típicos de cadeias de isoladores, obtidas através da equação (A.53) xii

13 Lista de Tabelas Tabela 2.1 Parâmetros da distribuição log-normal para a descarga descendente negativa (adaptada de [1]) Tabela Configuração de instalação de descarregadores de sobretensões [15] Tabela Parâmetros da corrente de descarga obtidos com o método proposto pela C.I.G.R.É Tabela Ângulos da tensão da rede de cada fase no momento da descarga Tabela Resistências de terra usadas para o estudo da linha uniforme de acordo com a probabilidade do seu valor ser excedido (conforme Figura 4.5) Tabela Característica do descarregador de sobretensões seleccionado ABB tipo PEXLIM R Tabela Caso simulado para o estudo dos contornamentos de uma linha uniforme Tabela 5.2 Casos analisados e contornamentos inversos verificados no estudo da linha uniforme, no apoio onde incide a descarga Tabela Contornamentos na linha uniforme para o caso Tabela Contornamentos na linha uniforme para o caso Tabela Contornamentos na linha uniforme para o caso Tabela Contornamentos na linha uniforme para o caso Tabela Valores de tensão máximos registados no caso de um único apoio e no caso de linha uniforme (vão de m) Tabela 5.8 Casos simulados numa linha uniforme para o estudo da influência da resistência de terra nos valores máximos da corrente na resistência de terra e da tensão no apoio Tabela Casos simulados para o estudo da linha uniforme Tabela Configurações de instalação de descarregadores de sobretensões Tabela Contornamentos na linha uniforme para o caso Tabela Contornamentos na linha uniforme para o caso Tabela Contornamentos na linha uniforme para o caso Tabela 6.6 Contornamentos na linha uniforme para o caso Tabela Contornamentos na linha uniforme para o caso Tabela Contornamentos na linha uniforme para o caso Tabela Casos simulados para o estudo da linha não uniforme Tabela Casos simulados para o estudo da linha não uniforme Tabela Contornamentos na linha não uniforme 1 (apoio 69 a 81) para o caso Tabela Contornamentos na linha não uniforme 1 (apoio 69 a 81) para o caso Tabela Contornamentos na linha não uniforme 1 (apoio 69 a 81) para o caso Tabela Contornamentos na linha não uniforme 2 (apoios ) para o caso xiii

14 Tabela Contornamentos na linha não uniforme 2 (apoios ) para o caso Tabela Contornamentos na linha não uniforme 2 (apoios ) para o caso Tabela Casos simulados para estudo de linha não uniforme simplificada Tabela Contornamentos na linha não uniforme simplificada para o caso 1, R N = 31 Ω Tabela Contornamentos na linha não uniforme simplificada para o caso 2, R N = 40 Ω Tabela Contornamentos na linha não uniforme simplificada para o caso 3, R N = 54 Ω Tabela Contornamentos na linha não uniforme simplificada para o caso 4, R N = 80 Ω Tabela Contornamentos na linha não uniforme simplificada para o caso 5, R N = 136 Ω. 75 Tabela Contornamentos na linha não uniforme simplificada para o caso 6, R N = 338 Ω. 76 Tabela Valor de resistência de terra do apoio onde incide a descarga a partir dos quais é necessário instalar descarregadores nos apoios adjacentes para diferentes correntes de descarga xiv

15 Lista de Abreviações ATP Alternative Transients Program C.E.I. Comissão Electrotécnica Internacional C.I.G.R.É. Conseil international des grands réseaux électriques IEEE The Institute of Electrical and Electronics Engineers or IEEE E.G.M Electrogeometrical Model SFR Shielding Failure Rate SFFOR Shielding Failure Flashover Rate BFR Backflashover Rate xv

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17 1 Introdução 1.1 Contexto Uma linha de transmissão de energia eléctrica é projectada para garantir um nível de isolamento superior ao valor instantâneo máximo de tensão associado ao regime normal de funcionamento. O nível de isolamento é seleccionado com base nas sobretensões previsíveis de ocorrer, sejam elas de origem interna ou externa. As sobretensões de origem interna referem-se às que resultam de manobras de disjuntores. Por outro lado, as sobretensões de natureza externa resultam de descargas atmosféricas, do efeito de campos electromagnéticos e de fenómenos de origem cósmica. Quando uma descarga atmosférica atinge um componente de uma rede eléctrica provoca a injecção de uma corrente de elevada amplitude e curta duração originada pelo estabelecimento de um arco eléctrico, denominado arco de retorno, constituído por um canal ionizado formado entre uma nuvem de trovoada e o ponto de incidência. A corrente anteriormente mencionada produz ondas que se propagam pelos caminhos condutores próximos ao ponto de impacto, aos quais está associada uma impedância característica, denominada impedância de onda. Este fenómeno produz ondas de tensão cuja amplitude corresponde ao produto da impedância de onda pelo valor instantâneo da intensidade de corrente. As descargas atmosféricas são responsáveis por um número significativo de interrupções intempestivas no fornecimento de energia eléctrica, isto porque quando uma descarga atinge uma linha, a sobretensão originada pode levar ao contornamento das cadeias de isoladores. As sobretensões são originadas tanto devido a descargas que atingem as fases (contornamento por falha de escudo) como a descargas que atingem o apoio ou os cabos de guarda (contornamento inverso), levando à saída de serviço da linha. Desta forma, as sobretensões de origem atmosférica assumem uma elevada importância para o dimensionamento dos isolamentos das instalações eléctricas de alta tensão. Os procedimentos para estimar o desempenho de linhas de transmissão face a descargas atmosféricas têm sido alvos de diversos estudos. Para minimizar os efeitos das descargas, as linhas de transmissão possuem cabos de guarda estrategicamente colocados. Estes cabos são normalmente ligados à terra em todos os apoios da linha criando assim caminhos preferenciais para o escoamento das elevadas intensidades de corrente de descarga. Contudo, a existência destes cabos não exclui a possibilidade de ocorrência de descargas directas sobre os condutores de fase, por falha de 1

18 escudo, ou do aparecimento de arcos eléctricos aos terminais das cadeias de isoladores, provocando falhas na continuidade de serviço. A utilização de descarregadores de sobretensões em linhas de transmissão de energia eléctrica para prevenir o contornamento inverso das cadeias de isoladores tem sido estudada ao longo dos anos. Os descarregadores evitam o contornamento dos isoladores ao manter a tensão aos seus terminais abaixo do valor máximo que estes podem suportar. Em geral, para linhas sem cabos de guarda, a colocação de descarregadores em todas as estruturas é uma alternativa ao uso destes. Para linhas protegidas com cabos de guarda, os descarregadores são utilizados em locais remotos onde a manutenção é difícil ou em locais onde existe uma elevada resistividade do solo (areia, terreno rochoso). Actualmente, os descarregadores de sobretensões são utilizados em linhas de transmissão de forma a melhorar a fiabilidade do serviço. No entanto, devido a razões económicas, não é viável equipar todas as estruturas da linha com descarregadores. Como tal, é necessário estudar a melhor estratégia de colocação de descarregadores de sobretensões de forma a garantir um certo nível de protecção contra descargas atmosféricas. Assim, é necessário compreender todos os fenómenos que estão associados à ocorrência do contornamento inverso, assim como à instalação destes dispositivos. Como não é desejável que, no caso de linhas em duplo circuito, na sequência de descargas atmosféricas os dois circuitos saiam de serviço, os descarregadores de sobretensões podem ter um papel muito importante na prevenção dessa situação, pois a correcta instalação destes dispositivos podem levar a uma redução significativa dos contornamentos de forma a eliminá-los num dos circuitos. 1.2 Objectivos Nesta dissertação pretende-se analisar os fenómenos associados ao contornamento inverso e à sua eliminação por instalação de descarregadores de sobretensões, partindo do caso mais simples em que a linha é uniforme (valor da resistência de terra dos apoios constantes ao longo da linha). Analisam-se as evoluções das tensões e correntes, justificando os efeitos que se verificam. Posto isto, pretende-se compreender a distribuição dos contornamentos ao longo da linha quando se instalam descarregadores de sobretensões. Considerando a linha não uniforme, pretende-se determinar a forma de instalação dos descarregadores, nos apoios com resistências de terra elevadas ou nestes e nos adjacentes, de forma a eliminar os contornamentos no circuito onde estes dispositivos foram colocados e evitar a sua saída de operação. Para tal é estudada uma linha não uniforme simplificada onde somente o apoio onde incide a descarga apresenta um valor elevado, sendo as resistências dos restantes apoios iguais e de valor baixo. 2

19 Em suma, em primeiro lugar são analisados os contornamentos inversos que ocorrem com diferentes correntes de descarga e resistências de terra dos apoios, justificando os resultados e analisando os fenómenos verificados com base nos transitórios electromagnéticos obtidos. Serve como uma parte introdutória que permite compreender o comportamento da linha no seguimento de descargas atmosféricas e justificar os resultados que se obtêm com a instalação dos descarregadores de sobretensões em paralelo com os isoladores, de forma a providenciarem a sua protecção. De seguida, efectua-se o estudo da instalação destes dispositivos em linhas uniformes, com resistências de terra iguais para todos os apoios, e troços de uma linha não uniforme, a linha Sines-Tunes, adaptando a estratégia de instalação de descarregadores a cada um dos casos, analisando as melhorias registadas e justificando os fenómenos observados. Na linha não uniforme procede-se a um estudo simplificado da linha, considerando resistência de terra elevada apenas para o apoio atingido pela descarga, de forma a compreender os resultados obtidos na simulação da uma linha não uniforme real. 1.3 Estrutura da Dissertação Esta dissertação é constituída por seis capítulos e quatro anexos. O presente capítulo destina-se à introdução do trabalho onde é apresentado o enquadramento deste e são definidos os seus objectivos. O capítulo 2 começa por descrever o fenómeno físico da descarga atmosférica caracterizando, posteriormente, os parâmetros que a definem e explicando como estes são obtidos. Por fim, são explicadas as falhas de isolamento devido às descargas atmosféricas, analisando com mais detalhe o contornamento inverso, e são apresentados os cálculos para o desempenho da linha. A análise dos descarregadores de sobretensões é realizada no capítulo 3, onde se expõe a situação actual destes dispositivos na Rede Nacional de Transporte (RNT). Neste capítulo também são apresentados os tipos de descarregadores existentes e a sua constituição. O objectivo do capítulo 4 é definir o caso base para o estudo, explicando a determinação dos parâmetros que caracterizam a onda de corrente resultante da descarga atmosférica que incide sobre os apoios metálicos que suportam a linha, assim como o caso para a linha uniforme. Além disso, este capítulo destina-se à especificação dos modelos adoptados para a representação dos componentes do sistema, justificando as opções tomadas. 3

20 No capítulo 5 são analisados os efeitos provocados pelos diversos componentes que constituem a linha e a influência que estes têm no desempenho da linha face a descargas atmosféricas. O capítulo 6 destina-se à apresentação dos resultados obtidos no estudo da instalação de descarregadores de sobretensões em linhas uniformes, justificando os fenómenos observados. O estudo da linha não uniforme é efectuado no capítulo 7, onde são analisados os contornamentos registados, procedendo-se à simulação de um caso mais simples para justificá-los. As conclusões do trabalho desenvolvido e as propostas para trabalhos futuros constituem o capítulo 8. 4

21 2 Caracterização das Sobretensões de Origem Atmosféricas 2.1 Considerações Gerais O estabelecimento da estratégia de colocação de descarregadores de sobretensões em linhas aéreas pressupõe, por um lado, a compreensão do aparecimento das sobretensões, bem como da influência dos componentes do sistema nos valores máximos atingidos. Por outro lado, será necessário estimar o desempenho global da linha face a descargas atmosféricas, dado pelo número médio anual de saídas de serviço previstas. O presente trabalho é centrado na primeira abordagem. As ferramentas de avaliação de desempenho baseiam-se em métodos probabilísticos devido à natureza aleatória das descargas. Como exemplo mencione-se o programa Descarga elaborado no IST em 1995 [5], no qual é utilizado um gerador de Monte Carlo na simulação das correntes características das descargas atmosféricas que atingem a linha. Em qualquer das perspectivas acima mencionadas, é necessário caracterizar probabilisticamente os parâmetros característicos da forma de onda do primeiro impulso de corrente, tais como a corrente de pico, o tempo de subida e o tempo de meia onda das descargas atmosféricas que atingem a linha aérea. Para o estudo pormenorizado da ocorrência de contornamentos, poderá optar-se pela identificação de casos que, gerados por um programa como o Descarga, se verifiquem corresponder a contornamentos, ou optar-se por uma escolha determinística dos parâmetros, se bem que baseada nos valores da probabilidade associada a estes. Na preparação do presente dissertação, foram trabalhadas as duas alternativas, tendo-se acabado por optar pela segunda. Neste capítulo procede-se à caracterização da descarga atmosférica, indicando como se obtêm os parâmetros que definem a corrente da descarga. Além disso, são apresentados os tipos de defeitos que ocorrem devido a descargas que atingem os sistemas de energia eléctrica: falha de escudo e contornamento inverso. O caso de defeitos por acoplamento indutivo, correspondentes a sobretensões originadas por descargas que atingem a vizinhança da linha descargas indirectas não é relevante para linhas de transmissão, dado que as sobretensões não ultrapassam os 300 kv. De seguida é explicado o fenómeno associado ao contornamento inverso com mais detalhe. Procede-se também à caracterização das metodologias de cálculo do desempenho da linha de transmissão. 5

22 2.2 Descarga Atmosférica O fenómeno da descarga atmosférica consiste numa descarga eléctrica transitória que tem origem em nuvens de trovoada, geralmente tipo Cumulus Nimbus, que se situam entre cerca de 2 a 14 km de altura acima da superfície terrestre, e termina sobre a terra [4]. Como consequência desta extensão em altura geram-se fortes correntes de ar provocadas pela elevada diferença térmica existente entre a base e o topo da nuvem. Estas correntes de ar, ascendentes e descendentes, resultam na separação de parte das gotículas de água da nuvem. Ao subirem, as gotículas de água transformam-se em cristais de gelo que, ao colidirem entre si, criam cargas eléctricas positivas e negativas. As gotículas de água carregadas com cargas positivas ficam distribuídas no topo da nuvem e as carregadas com cargas negativas ficam na base. Em qualquer estação do ano existe uma maior concentração de cargas negativas a altitudes correspondentes a cerca de -20 C. Verifica-se ainda um aumento de altitude do centro das cargas positivas no Verão relativamente ao Inverno [6]. A nuvem de trovoada forma um enorme condensador com a superfície terrestre (que apresenta um campo eléctrico natural de cerca de 120 V/m), induzindo neste um campo eléctrico que pode atingir os 15 kv/m. Desta forma, com a formação ou a aproximação da nuvem, o campo eléctrico da terra inverte e cresce rapidamente. Quando a intensidade do campo eléctrico atinge um certo valor, compreendido entre os -10 kv/m e os -15 kv/m, estão criadas as condições para a existência de uma descarga no solo [6]. As irregularidades do terreno (colinas, postes, casas, árvores, etc.) ditam o valor máximo atingido pelo campo eléctrico no solo. Estas irregularidades provocam um aumento no valor do campo eléctrico e, por sua vez, favorecem o aparecimento de descargas nesse ponto [4]. As descargas atmosféricas são classificadas de acordo com a polaridade da nuvem e do sentido de desenvolvimento: negativa ascendente, negativa descendente, positiva ascendente e positiva descendente. Figura 2.1 Classificação das descargas: a) Negativa descendente; b) Negativa ascendente; c) Positiva descendente; d) Positiva ascendente [7]. Tendo em conta as dimensões da nuvem, pode-se considerar que a terra, no caso de não apresentar grandes irregularidades, apresenta uma extensão infinita, de modo a que, antes 6

23 da ocorrência da descarga, a nuvem apresenta um campo eléctrico muito mais intenso que a superfície terrestre e, consequentemente, a descarga tende a ter origem na nuvem, sendo do tipo descendente. As descargas registadas com início na terra partem de estruturas muito altas. Assim, as descargas que atingem os Sistemas de Energia Eléctrica típicos, nomeadamente as linhas de transmissão de energia eléctrica e os postes que as sustentam, são do tipo descendente. A descarga atmosférica inicia-se quando a intensidade do campo eléctrico atinge um valor crítico que corresponde à disrupção do ar e é constituída por uma sequência de impulsos. Inicialmente, existe o aparecimento do traçador (leader), que se trata de uma descarga pouco luminosa que progride a cerca de 150 km/s. A progressão é desenvolvida através de saltos sucessivos (stepped leader) de 10 a 20 m, com paragens de 40 a 100 µs. Com a aproximação do traçador descendente o campo eléctrico da superfície do solo vai aumentando e, quando a ponta do traçador se encontra a uma certa altura do solo, atinge um valor crítico, desencadeando-se da terra uma descarga ascendente. Um arco de retorno (return stroke) é estabelecido quando os dois traçadores (descendente e ascendente) se encontram, criando entre a nuvem e a terra um canal fortemente ionizado. Este arco consiste numa onda de corrente de elevada intensidade que se escoa para a terra através desse canal com velocidade de propagação de 150x10 3 km/s. Após a primeira descarga podem surgir descargas secundárias aproveitando o canal já existente [4]. Relativamente à polaridade da descarga descendente, cerca de 90% das descargas apresentam polaridade negativa, ou seja, o processo de disrupção tem início no centro de cargas negativas da nuvem. Visto que no Inverno o centro das cargas positivas encontra-se mais perto da superfície terrestre que no Verão, 50% das descargas têm polaridade positiva. A partir deste facto, é também possível concluir que as descargas atmosféricas acontecem maioritariamente no Verão, pois estão estabelecidas condições climatéricas mais propícias para a formação de nuvens de trovoada [5]. Tratando-se de uma região temperada, em Portugal cerca de 90% das descargas atmosféricas são do tipo negativo descendente [6]. 2.3 Caracterização da Corrente de Descarga Para o estudo de coordenação de isolamentos, a forma de onda de corrente proposta pela Comissão Electrotécnica Internacional (C.E.I.) consiste numa onda em forma de dupla exponencial, com tempo de subida de 1.2 µs e tempo de meia onda de 50 µs. Por outro lado, a C.I.G.R.É propõe uma forma de onda de corrente côncava de descargas descendentes negativas, baseada nos registos obtidos no Monte San Salvatore (Suíça) [1]. Este tipo de descargas é o mais comum em Portugal, tal como referido anteriormente. Na figura seguinte, adaptada de [1], ilustra-se a forma de onda proposta pela C.I.G.R.É. 7

24 Figura Forma de onda da corrente de uma descarga descendente negativa e os seus parâmetros característicos [1]. Como foi referido, os parâmetros característicos das descargas atmosféricas seguem leis probabilísticas devido à sua natureza aleatória. Cada um dos parâmetros assinalados na Figura 2.2 obedece a uma distribuição lognormal, cuja função densidade de probabilidade é dada por (2.1). (2.1) onde M é a mediana e β é o desvio padrão logarítmico. O valor esperado é obtido através de (2.2). seguinte. (2.2) Os parâmetros característicos da distribuição log-normal estão representados na tabela 8

25 Tabela 2.1 Parâmetros da distribuição log-normal para a descarga descendente negativa (adaptada de [1]). Parâmetros Primeira descarga Descarga subsequente M β M β Frente [µs] t d10 = T 10 / t d30 = T 30 / Taxa de crescimento [ka/µs] S m, Máxima S 10, 10% S 10/90, 10-90% S 30/90, 30-90% Corrente de pico [ka] I i, Inicial I f, Final Cauda, t h, [µs] i 2 dt [(ka) 2 s] Tempo de descargas [ms] Tipos de Falhas de Isolamento As descargas atmosféricas que incidem nas linhas de transmissão podem causar falhas de isolamento essencialmente devido aos seguintes fenómenos: 1) Falha de escudo (shielding failure). 2) Contornamento inverso (backflashover). A falha de escudo ocorre quando uma descarga atinge directamente o condutor de fase, não sendo interceptada pelos cabos de guarda. Ocorre uma elevação de potencial na fase que foi atingida, o que pode levar ao contornamento das cadeias de isoladores, denominado contornamento directo. O contornamento inverso ocorre quando a descarga atmosférica atinge o apoio ou o cabo de guarda provocando uma elevação de potencial no apoio, que pode ser suficiente para aumentar a tensão na cadeia de isoladores a um nível superior a que esta pode suportar. Este fenómeno será explicado com mais detalhe de seguida. 9

26 2.5 Contornamento Inverso O contornamento inverso está associado às descargas que atingem os cabos de guarda ou os apoios. Neste tipo de incidência estão envolvidos uma grande quantidade de parâmetros de carácter probabilístico, tais como a corrente de descarga, a tensão de disrupção da cadeia de isoladores e a resistência de terra dos apoios. Quando uma descarga atmosférica incide sobre um cabo de guarda ou sobre um apoio, o escoamento da corrente da descarga para a terra leva a uma elevação do potencial nas estruturas metálicas. No entanto, os maiores níveis de tensão ocorrem no ponto de incidência da descarga e decrescem à medida que nos afastamos desse ponto. A maior rigidez dieléctrica ocorre a meio do vão e a menor ocorre na torre, aos terminais do isolador. Assim, a localização do contornamento, quer seja no vão ou na torre, depende da comparação entre a diferença de potencial causadas pela descarga e a rigidez dieléctrica. De acordo com [1], o número de contornamentos que ocorrem no vão são insignificantes quando comparados ao número de contornamentos na torre, pelo que podem ser desprezados. Segundo [1], desprezando as reflexões das torres adjacentes, se a primeira descarga, com uma corrente i(t), atingir o topo da torre, a sobretensão inicial, u(t), que se propaga para o exterior através dos cabos de guarda e para baixo através da torre é igual à corrente multiplicada pelo paralelo entre a impedância da torre e metade da impedância do cabo de guarda, respectivamente, z T e z g, ou seja, é dada pela equação seguinte. (2.3) Assumindo que i(t) tem uma frente de onda com crescimento linear, atingindo o valor de pico em t f, e tem uma cauda infinita, o valor máximo da tensão aos terminais dos isoladores, que ocorre no instante em que a corrente atinge o seu valor máximo, é dado por (2.4). (2.4) em que U PF representa a tensão na rede do momento da descarga, assumindo-se igual a, c corresponde ao factor de acoplamento entre o cabo de guarda e o condutor de fase, e os parâmetros k TT e k TA são dados pelas equações (2.5) e (2.6), respectivamente. (2.5) (2.6) em que T T e T A correspondem aos tempos de propagação na torre e no condutor de fase, respectivamente. Os parâmetros α T e R e são dados pelas expressões seguintes. 10

27 (2.7) (2.8) em que R i representa a resistência de terra da torre, sendo função da corrente que atravessa a resistência, i R, e da resistência de terra do poste determinada pela sua geometria e pela resistividade do solo não ionizado, R 0, isto é, representada pela expressão apresentada de seguida. (2.9) (2.10) (2.11) onde A corresponde à área da superfície do eléctrodo, E g é o campo eléctrico crítico para a ionização do solo ( [8]) e ρ é a resistividade do solo não ionizado. Por sua vez, u R representa a tensão na resistência de terra dos apoios. Os tempos de propagação são calculados por (2.12) e (2.13). (2.12) (2.13) onde h T corresponde à altura da torre, h fase à altura média do condutor de fase e c 0 representa a velocidade da luz. O factor de acoplamento pode ser calculado através das equações (2.14). (2.14) em que C icg é a capacidade mútua do cabo de guarda e do condutor de fase i, C icg1 e C icg2 são as capacidades mútuas do cabo de guarda 1 e do cabo de guarda 2, respectivamente, C CG é a capacidade própria do cabo de guarda i e c i é o factor de acoplamento. As considerações anteriores foram feitas desprezando o efeito das reflexões nas torres adjacentes. No entanto, é importante considerar este efeito, pois o valor da tensão aos 11

28 terminais dos isoladores, bem como da cauda desta onda, diminui no caso de se verificar que o dobro do tempo de propagação entre duas torres é inferior ao tempo de subida da corrente, t f. Nesta situação, o valor máximo da tensão aos terminais dos isoladores é dado por (2.15). em que: (2.15) (2.16) onde T S representa o tempo de propagação entre duas torres, α R corresponde ao simétrico do factor de reflexão e β R corresponde ao factor de reflexão, dados pelas equações (2.17) e (2.18). (2.17) (2.18) O factor K SP é calculado para que o valor de pico da tensão seja K SP vezes a tensão original, de forma a considerar a diminuição do valor de pico da tensão. Como referido anteriormente, a cauda, que foi considerada infinita no caso de se desprezar as reflexões nas torres vizinhas, diminui. Contudo, este aspecto não influencia o valor de pico da tensão aos terminais do isolador. O valor crítico da corrente de descarga que provoca o contornamento, I c, corresponde ao menor valor de I máx de forma a U máx igualar o valor crítico de disrupção para a forma de onda de tensão não-normalizada em causa, U 50NS, pois a forma de onda que poderá originar o contornamento inverso aos terminais da cadeia de isoladores apresenta uma forma não convencional, devido às reflexões que se dão na linha. Deste modo, I c é dado pela equação (2.19). (2.19) em que U 50NS é determinada, segundo [1], utilizando o modelo baseado na lei de progressão do traçador, para torres com altura inferior a 50 m, por uma expressão aproximada dada por (2.20). (2.20) 12

29 onde U 50 representa o valor de pico mínimo da onda de choque normalizada que, aplicada a um intervalo de ar, leva à sua disrupção com 50% de probabilidade, e τ corresponde à constante de tempo, dada por (2.21). (2.21) em que T S é o tempo de propagação no vão. 2.6 Cálculo do Desempenho da Linha Quando temos o conhecimento das características do solo do local onde incide a descarga, nomeadamente a resistência de terra dos apoios, da actividade ceráunica desse local, da configuração geométrica da linha, do número de descargas que atingem a linha e da lei probabilística da corrente das descargas torna-se possível a determinação das taxas que caracterizam as falhas de isolamento Taxa de Contornamento por Falha de Escudo A taxa de falha de escudo (SFR Shielding Failure rate) representa o número de descargas por 100 km de linha e por ano que não são interceptadas pelos cabos de guarda e que incidem directamente nos condutores de fase. O cálculo desta taxa efectua-se, de acordo com [1], com recurso à expressão seguinte. (2.22) onde f(i) corresponde à probabilidade de ocorrer uma descarga de amplitude I, D c à superfície de exposição para uma falha de escudo obtida através da aplicação do E.G.M. e N g à densidade de descargas para o solo. Esta equação apenas é válida para linhas em esteira, pois, ao serem simétricas, apresentam a mesma distância de exposição para os dois condutores de fase mais expostos, razão pela qual se multiplica o integral por 2. Para os outros casos de configuração da linha, a taxa de falha de escudo é calculada sem o factor multiplicativo 2 e para os dois condutores mais expostos, sendo o seu valor final dado pela soma dos resultados obtidos. À medida que a intensidade da corrente da descarga aumenta, a distância D c diminui, até que se atinge a corrente com intensidade I m a que corresponde um valor de D c igual a zero. 13

30 Este I m é calculado utilizando um método iterativo, por exemplo, o Método Newton-Raphson [12]. As descargas atmosféricas mais gravosas são aquelas que atingem directamente os condutores de fase e apresentam uma intensidade de corrente superior à crítica, pois podem resultar no contornamento das cadeiras de isoladores. Assim, interessa calcular a taxa de falha de escudo que conduz ao contornamento das cadeias, designada por SFFOR (Shielding Failure FlashOver Rate). Esta taxa dá o número de descargas por 100 km e por ano que atingem directamente os condutores de fase, não sendo interceptadas pelos cabos de guarda, e que levam ao contornamento da cadeia. Em [1] propõe-se que esta taxa seja calculada a partir de (2.23). (2.23) O valor de I c pode ser calculado a partir de (2.24). (2.24) em que U 50 representa o valor de pico mínimo da onda de choque normalizada que, aplicada a um intervalo de ar, leva à sua disrupção com 50% de probabilidade e Z 0 corresponde à impedância de onda do condutor de fase atingido. Em [1] é aconselhado, para o cálculo de U 50, a expressão seguinte. (2.25) em que d hastes corresponde ao comprimento do intervalo de ar dos descarregadores das cadeias de isoladores [m]. Como se pode concluir da expressão de SFFOR quando I c é igual a I m a taxa em questão apresenta um valor nulo. Isto significa, matematicamente, que estamos perante uma blindagem perfeita. Tal como no caso de SFR, a expressão para o cálculo de SFFOR apenas é válida para o caso de linhas em esteira. Para outras configurações segue-se o mesmo procedimento descrito anteriormente Taxa de Contornamento Inverso A taxa de contornamento inverso (BFR BackFlashover Rate) representa o número de descargas atmosféricas por 100 km de linha e por ano que, ao incidirem na torre ou no cabo de 14

31 guarda, causam o contornamento das cadeias de isoladores. A expressão proposta em [17] para o cálculo desta grandeza é dada por (2.26). (2.26) Embora seja possível haver contornamento inverso ao longo do vão da linha, os mais frequentes ocorrem aos terminais dos isoladores dos apoios. De acordo com [1], o número de disrupções no apoio causadas por descargas atmosféricas que incidem nos cabos de guarda é cerca de 60% do número de contornamentos inversos, no mesmo local, caso se considerasse que todas as descargas atingem o topo do apoio. Desta forma, considera-se que todas as descargas incidem no topo do apoio para o cálculo de BFR, contabilizando-se apenas 60% delas. I c1 representa o valor de pico crítico da corrente de descarga que provoca o contornamento inverso. Em [1] é apresentada uma expressão simplificada para o seu cálculo, dada por (2.27). (2.27) onde c representa o factor de acoplamento, já explicado anteriormente, R i a resistência de terra dos apoios e U PF corresponde à tensão na rede no momento da descarga. A fórmula para o cálculo de U 50NS já foi explicada anteriormente. (2.28) Para os efeitos do cálculo de BFR, [1] propõe que U 50 seja calculada por (2.29): (2.29) onde d hastes corresponde ao comprimento do intervalo de ar dos descarregadores das cadeias de isoladores, em metros. 15

32 16

33 3 Descarregadores de Sobretensões 3.1 Considerações Gerais A utilização de descarregadores de sobretensões para a protecção de linhas de transmissão de energia eléctrica face a descargas atmosféricas de forma a melhorar a fiabilidade do sistema eléctrico apresenta grande interesse. No entanto, devido a razões económicas, não é viável instalar estes dispositivos em todos os apoios da linha, pelo que é necessário obter a estratégia de instalação que conduza aos melhores resultados. Na literatura é proposto que os descarregadores sejam instalados nos apoios que apresentem resistência de terra elevadas [15], assim como em apoios que se encontrem a grandes altitudes [16], pois grande parte das descargas incidem nesses apoios. Em [17] propõe-se que os descarregadores sejam instalados nos apoios que combinem grande expomsição a descargas atmosféricas com resistências de terra elevadas, por serem os apoios que apresentam uma situação mais favorável ao contormento. Segundo [15], os descarregadores de sobretensões devem ser instalados em mais do que uma fase dependendo do valor da sua resistência de terra, Tabela 3.1. Neste trabalho também é proposto que a configuração de instalação dos descarregadores seja uniforme ao longo da secção da linha, mesmo que a resistência de terra de alguns apoios seja inferior. Tabela Configuração de instalação de descarregadores de sobretensões [15]. Resistência de Terra, R T (Ω) Instalação de Descarregadores R T 10 Sem descarregadores 10 < R T 20 Numa fase 20 < R T 40 Em duas fases R T > 40 Em três fases Actualmente em Portugal existem duas linhas de transporte onde se encontram instalados descarregadores de sobretensões, a linha Sines-Tunes e a linha Recarei-Canelas, exploradas pela REN. Na linha Sines-Tunes estão instalados descarregadores em 5 apoios. No entanto, apesar de já se terem feitos estudos, não existe desenvolvimento na utilização destes dispositivos em linhas de transporte de electricidade. Os descarregadores de sobretensões de linhas line surge arresters ligam-se em paralelo com os isoladores e têm como objectivo melhorar o desempenho das linhas face a descargas atmosféricas. Estes aparelhos limitam as sobretensões transitórias que atingem a linha abaixo do valor do seu nível de isolamento e constituem um caminho alternativo apresentando uma baixa resistência para que se proceda a descarga dessa mesma 17

34 sobretensão para a terra. Desta forma, o descarregador de sobretensões deve agir como um circuito aberto durante o funcionamento normal do sistema, limitar as sobretensões a um nível de segurança pré-estabelecido e retornar o sistema ao seu modo de funcionamento normal assim que as sobretensões transitórias sejam suprimidas. Consequentemente, um descarregador de sobretensões deve ter uma resistência muito elevada quando o sistema se encontra no modo normal de funcionamento e uma resistência relativamente baixa durante sobretensões transitórias. Com base nesta informação é possível concluir que a característica V-I terá uma forma não linear. 3.2 Tipos de Descarregadores Os primeiros dispositivos utilizavam explosores ligados em série com discos feitos com um material não-linear de carboneto de silício (SiC). Os explosores fornecem a impedância elevada durante o funcionamento normal do sistema, enquanto os discos de SiC impedem o fluxo de corrente que se segue à disrupção. A característica V-I dos descarregadores de SiC é uma combinação do comportamento dos discos de SiC e dos explosores. Os descarregadores mais modernos utilizam varistores de óxido de metal (MO) que apresentam uma característica V-I altamente não-linear. Os varistores são constituídos por pó de óxido de zinco (ZnO) e vestígios de óxidos de outros metais unidos num molde cerâmico. As suas características dispensam a utilização de explosores. Desta forma, o comportamento eléctrico deste tipo de dispositivos apenas é determinado pelos blocos de MO. Na figura que se segue apresenta-se a característica V-I dos dois tipos de descarregadores de sobretensões mencionados. Figura Característica V-I dos elementos de SiC e ZnO [26]. 18

35 No caso de descarregadores de linha, existem dois tipos de estruturas de descarregadores de sobretensões de óxido de zinco (ZnO) para protecção contra sobretensões. O primeiro tipo é o descarregador sem explosores, que é directamente ligado ao condutor de fase. Este tipo de descarregador de sobretensões tem a vantagem de não apresentar atrasos na absorção de energia da sobretensão. O outro tipo de descarregador apresenta na sua composição explosores, que são inseridos entre o descarregador e o condutor de fase, também funcionando como isolador entre estes. Os descarregadores com explosores apenas operam quando a descarga atmosférica atinge a linha de transmissão ou a torre, e ficam fora de serviço em todas as outras situações, incluindo na ocorrência de sobretensões de manobra. Isto significa que existe corrente a atravessar o descarregador de sobretensões apenas num período muito reduzido, correspondente à descarga. Este facto resulta num descarregador de sobretensões que apresenta um tempo de vida superior e uma maior fiabilidade na operação que os descarregados de SiC. Quando a tensão aplicada ao descarregador ultrapassa um certo limite, que corresponde ao escorvamento dos explosores, estes escorvam, provocando o escoamento da corrente de descarga através das resistências do descarregador que, devido à sua característica não linear, apresentam-se como fracamente condutores, ou seja, de resistência muito baixa face ao aumento verificado para a tensão. A intensidade de corrente aumenta muito mais rapidamente em comparação com a tensão e esta não pode atingir o valor que teria na ausência do descarregador de sobretensões. Após a passagem da onda de corrente de descarga, a tensão aplicada aos terminais do descarregador de sobretensões diminui, mas o facto de a característica ser não linear apressa o decrescimento da corrente. A tensão volta ao valor normal para a rede e a corrente apresentase limitada a uma intensidade muito reduzida, sendo interrompida sem dificuldade pelos explosores na sua primeira passagem por zero ou mesmo antes. Desta forma, as sobretensões são limitadas pelos descarregadores sem provocar o aparecimento de um defeito permanente nem de ondas cortadas, visto que a presença de resistências em série com os explosores faz com que a tensão no escorvamento do descarregador não apresente um gradiente muito elevado. Dentro dos descarregadores com explosores existem dois tipos de estruturas distintas, uma delas corresponde a uma configuração que inclui explosores fixos e o segundo tipo apresenta explosores separados, tal como apresentado na Figura

36 Figura 3.2 Descarregadores de sobretensões de ZnO com explosores: a) explosores fixos b) explosores separados [18]. Figura 3.3 Estrutura do descarregador de sobretensões de ZnO [18]. Os descarregadores de óxido de zinco são essencialmente representados por uma resistência não linear com uma inclinação praticamente infinita na região de funcionamento a tensão normal e apresentam uma característica quase horizontal na zona de protecção contra sobretensões, conforme apresentado na Figura