SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

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1 SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA GCQ a 17 Outubro de 007 Rio de Janeiro - RJ GRUPO XIII GRUPO DE ESTUDO DE INTERFERÊNCIA, COMPATIBILIDADE ELETROMAGNÉTICA E QUALIDADE DE ENERGIA GCQ EFEITOS DA DESCARGA ATMOSFÉRICA EM CIRCUITOS SECUNDÁRIOS DE UMA SUB ESTAÇÃO Marco André da Frota Matto * OKIME ELETROMAGNETISMO APLICADO RESUMO A neceidade de e contruir cada vez mai em meno epaço tem agravado o problema de interferência eletromagnética em ubetaçõe. Uma da principai caua deta interferência ão a decarga atmoférica que atingem o itema de proteção contra decarga atmoférica da ubetação, atingem diretamente a malha de terra ou atingem o circuito que deixam a ubetação. Ete ditúrbio ão de alta freqüência e acoplam com o circuito de baixa tenão e com o circuito de controle de equipamento. O proceo de acoplamento ão pelo ar via acoplamento indutivo ou capacitivo ou por efeito antena, também, endo comum o ditúrbio ir via tranformador de corrente ou via tranformador de potencial capacitivo. Nete trabalho, é analiado o cao de uma decarga atmoférica atingindo o itema de proteção contra decarga atmoférica aéreo e aterrado na malha de terra, e de eu acoplamento com um circuito de baixa tenão ligado a um tranformador de potencial capacitivo. É conhecida, de verificaçõe prática, que é comum a queima de equipamento atravé dete circuito de baixa tenão durante impulo atmoférico. Ete trabalho é uma continuação do trabalho 7, 8, 9, 10 e 11 motrado na referência. PALAVRAS-CHAVE Subetação, Compatibilidade Eletromagnética, Aterramento, Decarga Atmoférica INTRODUÇÃO Na intalaçõe elétrica atuai há uma érie de evento que não ão devidamente entendido e explicado, ete fato é decorrente da grande complexidade da intalação e do pouco recuro diponívei par analiá-lo. Fenômeno divero etão preente em uma ubetação de energia elétrica, ete fenômeno ão de origem interna como de origem externa à intalação. Externamente ão gerado evento eletromagnético que atingem a ubetação por via de condutore e por propagação de onda no ar ou no ubolo. Decarga atmoférica e corrente de curto-circuito tranitória ão o mai inteno cauando etrago irreverívei com a queima de equipamento e de iolamento de fio e cabo. O prejuízo financeiro decorrente deta falta ão elevado não apena pela neceidade de repoição do equipamento mai pela interrupção do erviço. Vário autore vem focando atenção em problema de EMI e EMC em intalaçõe elétrica [1,,3,4,5,6,8] com o objetivo de minimizar o cuto de manutenção envolvido e de aumentar a confiabilidade. O objetivo dete trabalho é de deenvolver uma ferramenta computacional para imular o comportamento da onda eletromagnética pelo olo para avaliar a ua influência em circuito da intalação. (*) Rua Vicente Stancato, 590 CEP Campina, SP Brail Tel: (+55 19) marco@okime.com.br

2 A fenomenologia do proceo de decarga atmoférica em malha de terra é complexa e de abordagem igualmente complexa endo omente em ano recente endo modelado adequadamente e com robutez [7,8,9,10,11], o reultado da ditribuição do potencial elétrico na uperfície do olo acima da malha de terra de uma decarga ainda na etapa inicial pode er vito na Figura 1. Neta figura, fica clara a variação do potencial elétrico acima da malha, muito embora eta malha eteja dentro do padrõe de egurança para condiçõe de 60 Hz. Eta variação do potencial induz tenõe e corrente no circuito acima do olo. Eta tenõe e corrente cauam queima e mau funcionamento de equipamento. O cabo guarda que etão aterrado no doi extremo ou o cabo que etão olidamente conectado à malha em uma da ponta e por via de uma impedância em outra ponta etarão ujeito a tranitório indeejado. Condiçõe como a exemplificada pela Figura 1, ó podem er entida na ora de ubtituir equipamento queimado que foram programado para durarem muito ano ou quando ão feita análie com imuladore computacionai de alto deempenho que conideram juntamente a caracterítica de circuito e de campo. FIGURA 1 Ditribuição de potencial elétrico na uperfície do olo para uma decarga atmoférica atingindo diretamente a malha no eu centro, malha 10x10 de 100x100m a 50 cm de profundidade, olo 100 Ω.m.0 - MODELO O modelo coniderado para a análie da compatibilidade eletromagnética com um circuito ecundário leva em conta além da malha de aterramento o itema de proteção contra decarga atmoférica. Para imular a condiçõe de um fenômeno variando no tempo como uma decarga atmoférica o modelo deenvolvido trabalha no domínio do tempo. A técnica numérica adotada é o TLM..1 Modelo do Conjunto Na modelagem da ubetação foram coniderado o cabo captore de decara atmoférica, o cabo de decida da decarga atmoférica, a malha de terra, onde o itema de proteção contra decarga atmoférica etá aterrado, o olo e o circuito vítima, como ilutrado na Figura. FIGURA Modelo do ambiente eletromagnético a er analiado A linha de tranmião vítima é tida como linear e o olo é homogêneo, porém, é adotado a reitividade aparente para o olo que é função da reitividade e da epeura da divera camada do olo e da geometria da malha.

3 3 Na Figura 3 etá repreentada obre a ditribuição de potencial no nível de uma malha 5x7 com quadrícula 10x10m a um metro de profundidade e uma linha de tranmião de um circuito ecundário. A repreentação da ditribuição de potencial etá em ecala de cinza endo cada tom de cinza um valor de potencial diferente. É evidente nete cao que o terminai da linha vítima etá em potenciai diferente o que levará a uma circulação de corrente indeejada no circuito, colocando tenõe indevida ao longo da linha. Eta tenõe cauam o rompimento do iolamento ou danificam o dipoitivo ligado a linha. O que a Figura 3 não deixa claro é a influência do potencial elétrico gerado pela circulação de corrente no cabo da malha de terra que etá jutamente ao longo da linha de tranmião vítima, ito ignifica que memo etando o terminai da linha em potenciai iquai poderá haver tenão e corrente induzida na linha vítima. Para e conhecer eta influência é neceário calcular a cada pao no tempo o campo gerado pela malha de aterramento ao longo do circuito aéreo. A linha etá repreentada com dua terminaçõe, um curto-circuito e uma impedância, para alta freqüência o curto-circuito repreenta um capacitor érie. FIGURA 3 Repreentação equemática de uma linha de tranmião de inal obre a ditribuição calculada de potencial elétrico no nível da malha de terra; cada tom de cinza é um valor de potencial elétrico no intante t=1 µ; para um impulo 1,/50 µ. Modelo do Nó da Malha Para a análie computacional é utilizado o método numérico TLM [1] que tem a caracterítica de er incondicionalmente etável. A malha de terra é repreentada por um conjunto de linha de tranmião que e cruzam tendo perda longitudinai, R, para repreentar a perda Joule e com perda tranverai, G, para repreentar a drenagem da corrente para o olo. O parâmetro G é calculado a partir de equaçõe fornecida por [16,17]. A interação entre o egmento da malha é obtida com o cálculo do potencial elétrico gerado por toda a malha no nó em quetão, imbolizado por V m. Z, L e C repreentam a ação do campo eletromagnético gerado pela malha. A Figura 4 repreenta o circuito TLM que modela um nó da malha com conexão com um cabo aéreo. O modelo da malha de terra foi extenivamente analiado e comparado com mediçõe feita em malha reai [7] e comparado com outro trabalho [13,14]. FIGURA 4 Circuito TLM de um nó da malha de aterramento conectado a um condutor aéreo e a fonte de corrente externa

4 4.3 Cálculo do Potencial Elétrico O potencial elétrico deve er calculado para o nível em que e encontra a linha de tranmião vítima. Eta equação pode er obtida a partir do potencial gerado por carga pontuai no interior do olo e então integrada para e ter o efeito cauado por egmento de reta com corrente circulando. Eta equaçõe ão encontrada em [15] e a eguir: φ ( x, y) F ( t, u) A = B = i = ( x, y) ρ (, ) (, ) a F x x + L A F x x L A 8Lπ F( x x + L, B) F( x x L, B) = ln t + ( y y ) + ( z z ) ( y y ) + ( z + z ) t + u + endo que: i(x,y) corrente no cabo da malha de terra; ρ a reitividade aparente do olo [Ω.m]; (x, y, z ) é o centro do egmento de reta; L é o comprimento do egmento de reta [m]; Eta equaçõe ão válida omente para egmento de reta paralela ou perpendiculare à uperfície do olo. A equação para o potencial elétrico acima do olo é dada por: ( x, y) i ρa φ ( x, y) = [ F( x x + L, A) F( x x L, A) ] [V] 4Lπ.3 Interação do Circuito Secundário com o Campo Potencial Elétrico Tendo calculado a corrente elétrica em toda a malha de terra é poível obter o potencial elétrico em qualquer parte da uperfície e do ubolo. Deta forma calcula-e o potencial elétrico ao longo da linha de tranmião vítima, como ilutrado na Figura, e a partir daí calcula-e a ddp para cada egmento de reta. Eta aproximação é aceitável porque o egmento de reta ão eletricamente curto para a forma de onda envolvida na análie. Na Figura 5 é apreentado o circuito TLM de um nó da linha de tranmião aérea com uma fonte externa repreentada por φ i φ i 1. Z LT é a impedância caracterítica da linha de tranmião e R LT é a reitência da linha de tranmião no egmento em quetão. V i1 e v i3 ão tenõe incidente no nó [1] e v i (t) é a tenão no nó. FIGURA 5 Repreentação de um egmento da linha de tranmião utilizando TLM A terminaçõe deta linha de tranmião ão ligada a malha de aterramento como motrado na Figura 4, onde aparece um circuito TLM de um nó da malha de aterramento.

5 3.0 - RESULTADOS 5 Com o modelo deenvolvido e programado foram levantado algun reultado a partir de dado de malha de aterramento encontrado na literatura. 3.1 Corrente de Decarga Atmoférica Um impulo atmoférico de A 1,/50 µ atingindo o itema de proteção contra decarga atmoférica de uma malha 6x6 quadrícula e com cada quadrícula tendo 10x10 m a uma profundidade de 0,5 m em um olo de 100 Ω.m gera no extremo da linha de tranmião aterrada no nó (,) e (6,6) conforme ilutrado na Figura 6 a tenõe motrada no gráfico da Figura 7. A decarga atmoférica atinge no topo do condutor de decida ligado ao nó (1,1). FIGURA 6 Nó da malha de aterramento analiada e repreentação da linha de tranmião aérea A linha de tranmião etá ligada ao nó da malha por uma impedância de 1 Ω cada e a impedância caracterítica da linha é de 1 Ω, con eta configuração a tenão no terminai da linha é motrado na Figura 7. FIGURA 7 Tenão no terminai da linha de tranmião vítima; a tenão poitiva é na conexão (6,6) Na Figura 7 pode e notado que a frete de onda tem uma taxa de ubida maior do que a do impulo injetado no itema de proteção contra decarga atmoférica. O impulo injetado tem uma frente de onda de 1, µ e na linha de tranmião vítima é inferior a 0,5 µ. O conhecimento dete tempo de ubida e da integral da curva na Figura 7 ão relevante para o dimenionamento de protetore elétrico.

6 6 No próximo cao a linha de tranmião etá ligada ao nó da malha por uma impedância de 1 Ω no nó (,) e 1bMΩ no nó (6,6) e a impedância caracterítica da linha é de 400 Ω, a tenão no terminai da linha aparece na Figura 8. FIGURA 8 Tenão no terminai da linha de tranmião vítima com impedância caracterítica de 400 Ω; a tenão poitiva é na conexão (6,6) CONCLUSÃO Fica evidente pelo reultado obtido que a tenão induzida no circuito vítima é conideravelmente alta, o que levará a dano no itema. A taxa de ubida da onda que aparecem na Figura 7 e 8 ão maiore do que a forma de onda de corrente injetada, o que indica que o dimenionamento de dipoitivo de proteção elétrico devem er repenado. Com o imulador deenvolvido é poível identificar uma configuração que melhor atende a neceidade de compatibilidade eletromagnética dentro de uma ubetação. Eta ferramenta evitará problema de interrupção devido à queima em ubetação durante decarga atmoférica. O protetore elétrico, a blindagen e o aterramento do itema de baixa tenão poderão er dimenionado de modo apropriado para garantir a integridade do equipamento e a continuidade de erviço. Como trabalho futuro erá incluído um modelo ditribuído de uma decarga atmoférica [18] e da interação do campo eletromagnético gerado por eta com o circuito ecundário da ubetação REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS (1) CIGRE Working Group 36.04; EMI Characterization of HVAC Subtation-Updated Data and Influence on Immunity Aement, Bienal Cigré, Pari, 00. () Recapacitação da Subetação de Mogi 345/30 kv e Adaptação ao Novo Nívei de Curto-Circuito da Rede - Amon F.,J, Pere, L. A. P. - XIV SNPTEE, Belém, 1997 CIGRE Working Group 36.04; EMI Characterization of HVAC Subtation-Updated Data and Influence on Immunity Aement, Bienal Cigré, Pari, 00. (3) EC TS , Electromagnetic Compatibility, Part 6-5, Generic Standard Immunity for Power Station and Subtation Environment, (4) Manoor and F. Martzloff; The Effect of Neutral Earthing Practice on Lightning Current Diperion in a Low- Voltage Intallation, IEEE Tran. Power Delivery, Vol. 113, No. 3, Julay (5) P.S.Wong; Summary of BC Hydro Reult on Tranient Induced Voltage in Control Cable, Cigré WG36.04, 16 December 001. (6) R.J.Gavazza, C.M.Wiggin; Reduction of Interference on Subetation Low Voltage Wiring, IEEE Tran. On Power Delivery, Vol. 11, No, 3, , July (7) M.A.F.Matto; Grounding Grid Tranient Simulation, IEEE Tran. Power Delivery, Abr. 005.

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