Metodologia para Análise da Exposição dos Elementos das Torres Altas de Linhas de Transmissão aos Raios na Amazônia

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1 1 Metodologa para Análse da Exposção dos Elementos das Torres Altas de Lnhas de Transmssão aos Raos na Amazôna José Alberto S. Sá, Brígda R. P. Rocha, Wllamy M. Frota, Arthur C. Almeda, José Rcardo S. Souza, José Pssolato Flho Resumo Este trabalho apresenta um procedmento metodológco para analsar a exposção dos elementos consttuntes das torres altas não convenconas de lnhas de transmssão (LT), que estão sendo projetadas e mplantadas na Regão Amazônca, às descargas atmosfércas. Ele propõe o conceto de faxas de ncdênca e utlza a probabldade dos ângulos de ncdênca dos raos para determnar a quantdade estmada de descargas sobre os elementos das LT. Aplcou-se a metodologa para duas proposções com equações dferentes de rao de atração (tradconal e alternatva). Os resultados demonstraram a utldade da metodologa e revelaram que para qualquer tpo de equação usada na obtenção da dstânca de atração a quantdade estmada de raos ncdentes sobre a estrutura da torre é elevada, sendo pratcamente gual à quantdade estmada sobre os cabos guarda para a equação alternatva, fato que gera questonamentos sobre a efcênca da blndagem para este tpo de LT não convenconal. Palavras-chave Amazôna, descargas atmosfércas, dstânca de atração, lnhas de transmssão, torre alta não convenconal. A I. INTRODUÇÃO expansão das lnhas de transmssão (LT) e subestações do Sstema Interlgado Naconal (SIN) deve ser planejada e executada de forma robusta para garantr um ambente compettvo na geração e comercalzação de energa elétrca [1]. A transmssão de energa elétrca desempenha um papel fundamental para o setor energétco naconal devdo permtr o processo de compartlhamento da energa e a redução dos estrangulamentos regonas (submercados), possbltando despachos ótmos no parque gerador. De acordo com o Plano Decenal de Expansão de Energa PDE 2020, o sstema de transmssão nterlgado, que no ano de 2010 contava com uma extensão de J. A. S. Sá, Unversdade Federal do Pará, Belém, Brasl (e-mal: jalbertosa@ufpa.br). B. R. P. Rocha, Unversdade Federal do Pará, Belém, Brasl (e-mal: brgda@ufpa.br). W. M. Frota, Unversdade Estadual de Campnas, Campnas, Brasl (e-mal: wmfrota@gmal.com). A. C. Almeda, Unversdade Federal do Pará, Castanhal, Brasl (e-mal: arthur@ufpa.br). J. R. S. Souza, Unversdade Federal do Pará, Belém, Brasl (e-mal: jrcardo@ufpa.br) J. Pssolato Flho, Unversdade Estadual de Campnas, Campnas, Brasl (e-mal: psso@dsce.fee.uncamp.br). aproxmadamente km de lnhas nstaladas, deverá atngr até o ano de 2020 a ordem de km, representando um aumento de 42% da atual rede naconal. Este plano caracterza-se por sua elevada taxa de crescmento nos próxmos dez anos, sendo que grande parte da expansão resultará das nterlgações com usnas da Regão Norte. Para este período estma-se um total de nvestmentos de R$ 46,4 blhões, sendo R$ 30 blhões em lnhas de transmssão e R$ 16,4 blhões em subestações [1]. A Regão Norte será uma das mas mpactadas com a construção de novas lnhas de transmssão e subestações assocadas. Os mpactos tornam-se mas evdentes quando se analsa as prncpas expansões ou antecpações das nterlgações do SIN. Exemplos de destaque são: o níco das operações da lnha de transmssão Tucuruí-Macapá-Manaus; os esforços de ntegração ao SIN da Usna Hdroelétrca de Belo Monte; nstalações para a otmzação do escoamento da energa do Ro Madera e Belo Monte, dentre outras ações. Em todas estas nterlgações a transmssão desempenha um papel crítco sendo que a sua própra proteção, em termos de garanta de sua operação, também se consttu em um mportante fator. Dentre todos os cudados no planejamento das lnhas de transmssão para o seu bom funconamento, a proteção contra descargas atmosfércas vem recebendo destaque, prncpalmente quando se tratam de novas nstalações em regões cujos parâmetros de nteresse para o planejamento da proteção das lnhas são pouco conhecdos ou até mesmo nexstentes. Dentre as regões brasleras, aquela que se confgura atualmente como o maor desafo para a expansão do SIN é a Regão Amazônca. Para esta regão estão sendo nstaladas torres altas não convenconas na expansão das lnhas de transmssão [2], em alguns casos com alturas de aproxmadamente 300 m. Porém, a questão-chave é: como estas estruturas altas foram analsadas quanto à exposção aos raos? Bascamente, o modelo de análse de ncdênca de descargas atmosfércas em lnhas de transmssão é o modelo eletrogeométrco. Ele é fundamentado na dstânca de atração entre a descarga ploto (descarga descendente) e a estrutura terrestre (orgem do canal ascendente). Este permte admtr-se a exstênca de trechos de ncdênca de descargas sobre os elementos fundamentas das torres de transmssão que são os condutores.

2 2 Porém, outros elementos precsam ser analsados além dos cudados na blndagem das fases, pos a consderar a não convenconaldade das torres altas que estão sendo construídas na Regão Amazônca, raos podem surpreender os operadores do sstema nterlgado com ncdêncas que prejudquem a qualdade da energa. II. METODOLOGIA Para a análse da exposção dos elementos de torres altas de lnhas de transmssão (cabos pára-raos, cabos fase e a torre) às descargas atmosfércas fo dealzada uma metodologa, baseada no modelo eletrogeométrco, que permte avalar os percentuas das faxas de ncdênca e da quantdade estmada de descargas atmosfércas nos componentes da lnha, em função do ângulo de ncdênca do rao, da corrente de pco, da altura da torre e da expressão aplcada para estmar o rao de atração das descargas atmosfércas. A. Segmentos de Exposção dos Elementos das Torres Altas das Lnhas de Transmssão A Fgura 2 mostra os segmentos a que estão expostos os elementos de torres altas não convenconas das lnhas de transmssão. Para o exemplo, utlzou-se uma torre de 350 m de altura, corrente de pco de 30 ka e dstânca de atração (rs) dada pela equação rs=10ip0,65, expressão usualmente utlzada nos sstemas de proteção de lnhas de transmssão [3]. Nota-se que para esta confguração os segmentos T1C e ET2 representam os trechos de exposção dos cabos fase A e C, os segmentos CD e DE representam os trechos de exposção dos cabos pára-raos e os segmentos BT1 e T2F são os trechos de exposção da torre (em vermelho). Percebe-se que neste esquema os segmentos de exposção da torre apresentam tamanhos sgnfcatvos em comparação aos segmentos dos cabos pára-raos. Fg. 2. Segmentos de exposção de uma torre alta não convenconal de LT. Fg. 1. Torre alta não convenconal de LT, de 500 kv, nstalada no trecho entre a subestação Orxmná (PA) e a subestação Lechuga (AM), da nterlgação Tucuruí-Macapá-Manaus. Nas análses de torres altas não convenconas foram utlzados os parâmetros geométrcos da Tabela I [2]. Este trabalho propõe uma metodologa para a análse da exposção dos elementos consttuntes das torres altas das lnhas de transmssão (cabos pára-raos, cabos fase e torre) às descargas atmosfércas na Amazôna, no ntuto de avalar os possíves mpactos produzdos pela ntrodução de estruturas não convenconas no Sstema Interlgado Naconal (SIN). TABELA I PARÂMETROS GEOMÉTRICOS DE TORRES NÃO CONVENCIONAIS Parâmetros Valores 305,00 m Altura dos cabos fase nferores FA e FC (ya) 330,00 m Altura do cabo fase superor FB (yb) 350,00 m Altura dos cabos pára-raos G1 e G2 (y1) Dstânca entre cabos fase nferores A e C 24,00 m Dstânca entre cabos pára-raos G1 e G2 12,00 m Observação: O cabo fase superor FB fca no exo da torre alta da LT.

3 3 B. Ângulos de Incdênca dos Raos Porém a ncdênca dos raos sobre uma estrutura está assocada a outro fator: o ângulo de ncdênca das descargas atmosfércas. A Tabela II mostra as probabldades de ocorrênca de raos em função de ntervalos de ângulos de ncdênca [4]. TABELA II PROBABILIDADE DE OCORRÊNCIA DE RAIOS EM FUNÇÃO DE INTERVALOS DE ÂNGULOS DE INCIDÊNCIA Intervalos de ângulos de ncdênca () (em Graus) Probabldade de ocorrênca (P ) (em %) 0 a a a a a a a 70 5 Superor a 70 2 C. Faxas de Incdênca e Quantdades Estmadas de Raos Consderando o fato da nclnação dos raos, propõem-se o conceto de faxas de ncdênca, que varam seu tamanho em função da nclnação das descargas atmosfércas, conforme pode ser observado na Fgura 3 (stuação de ângulo de ncdênca 30º com a vertcal). Fg. 3. Faxas de ncdênca sobre os cabos pára-raos, cabos fase e torre para descargas atmosfércas com ângulo de ncdênca gual a 30º. Observando a Fgura 3, percebe-se a exstênca de uma faxa de exposção à torre que tende a elevar-se com o aumento do ângulo de ncdênca dos raos. Nesta fgura, os segmentos IJ, JK e KL representam as faxas de exposção dos cabos pára-raos, cabos fase e torre, respectvamente. Neste esquema, em termos percentuas, a faxa de exposção dos cabos pára-raos (cabos guarda) representa 58,84% de toda a faxa de exposção do conjunto (cabos guarda, cabos fase e torre) às descargas atmosfércas cujo ângulo de ncdênca seja gual a 30º, sendo o percentual de 7,25% atrbuído à faxa de exposção dos cabos fase e 33,91% relatvo à faxa de exposção da torre. Assm, para se determnar a quantdade esperada de raos sobre os elementos da lnha de transmssão foram utlzadas as seguntes equações: Qg PFgm Q (1) Ip Qc PFcm Q (2) Ip Qt PFtm Q (3) Onde: = Índce do ntervalo de ângulos de ncdênca; Qg = Quantdade estmada de raos de corrente de pco I p sobre os cabos pára-raos (cabos guarda) para o ntervalo de ângulos de ncdênca ; Qc = Quantdade estmada de raos de corrente de pco I p sobre os cabos fase (cabos condutores) para o ntervalo de ângulos de ncdênca ; Qt = Quantdade estmada de raos de corrente de pco I p sobre a torre para o ntervalo de ângulos de ncdênca ; P = Probabldade de ocorrênca de descargas atmosfércas no ntervalo ; Fgm = Méda dos percentuas, lmtes do ntervalo de ângulos de ncdênca, da faxa de ncdênca de raos sobre os cabos pára-raos; Fcm = Méda dos percentuas, lmtes do ntervalo de ângulos de ncdênca, da faxa de ncdênca de raos sobre os cabos fase; Ftm = Méda dos percentuas, lmtes do ntervalo de ângulos de ncdênca, da faxa de ncdênca de raos sobre a torre; Q Ip = Quantdade de raos que ncdem sobre a zona de exposção com uma corrente de pco I p. A metodologa proposta lmta-se a analsar o comportamento dos percentuas das faxas de ncdênca e da quantdade estmada de descargas atmosfércas ncdentes nos componentes da lnha (cabos pára-raos, cabos fase e torre) que estejam em um plano perpendcular à lnha de transmssão, não sendo analsados os vãos da LT. No plano em questão, as análses lmtam-se aos raos com ângulo de ncdênca entre 0 e 70 (zona de exposção analsada), em relação à vertcal. Com esta metodologa torna-se possível fazer uma análse da exposção dos elementos das torres altas de lnhas de transmssão aos raos. Na seção segunte são apresentados resultados da aplcação desta metodologa. Ip

4 4 III. RESULTADOS Os resultados da análse de exposção dos elementos das lnhas de transmssão às descargas atmosfércas são apresentados, conforme a metodologa descrta na seção anteror, para duas proposções. Ambas são compostas por uma torre alta não convenconal exposta aos raos com corrente de pco gual a 30 ka, porém as proposções dferencam-se quanto à equação utlzada para a determnação da dstânca de atração (r s ). A prmera usa a equação tradconal r s =10I p 0,65 [5] na determnação do rao de atração, enquanto que a segunda utlza a equação alternatva r s =1,9I p 0,90 [6], proposta por Cooray, Rakov e Theethay. Os percentuas das quantdades estmadas para atngr os cabos guarda e a torre, no ntervalo de 30º a 40º, são aproxmadamente 7% (0,07Q 30kA ) e 5% (0,05Q 30kA ), respectvamente. Nota-se que para os raos que estejam entre 50º e 60º, a maor quantdade atngrá a torre e não os cabos pára-raos, sendo esta dferença percentual amplada para o ntervalo de 60º a 70º. Em relação às quantdades totas estmadas para atngr os elementos da lnha de transmssão, na zona de exposção, têm-se: 64,74% para ncdênca nos cabos pára-raos, 6,62% para os condutores fase e 26,64% para a torre. Estma-se que 2% dos raos ocorrem com nclnação superor a 70º, porém estes não foram consderados no modelo. A. Prmera Proposção ( I p =30 ka e r s =10I p 0,65 ) Para esta prmera análse utlza-se os parâmetros geométrcos constantes na Tabela I e a equação r s =10I p 0,65 [5]. A Fgura 4 mostra que os percentuas da faxa de ncdênca dos cabos pára-raos e da torre varam de forma consderável em função do ângulo de ncdênca das descargas atmosfércas, não sendo o mesmo percebdo para a faxa de ncdênca dos cabos fase. Fg. 5. Percentual da quantdade de descargas atmosfércas nos cabos pára-raos, cabos fase e torre em função do ntervalo do ângulo de ncdênca para I p=30 ka e r s=10i 0,65 p. Fg. 4. Percentual das faxas de ncdênca (cabos guarda, cabos condutores e torre) para I p=30 ka e r s=10i p 0,65. Para esta confguração ocorre um ponto de nterseção próxmo a 50º ndcando que para descargas com ângulos superores a este valor, a faxa de exposção da torre torna-se superor a faxa de exposção dos cabos pára-raos, o que nfere em uma maor probabldade de ncdênca sobre a torre da lnha em relação à probabldade de ncdênca sobre os cabos pára-raos. A Fgura 5 mostra o percentual da quantdade de descargas atmosfércas nos cabos pára-raos, cabos fase e torre em função do ntervalo do ângulo de ncdênca para a corrente de pco gual a 30 ka. Ela expõe que aproxmadamente 22% de todos os raos de valor gual a 30 ka (0,22Q 30kA ) serão capturados pelos cabos guarda (cabos pára-raos), 1% (0,01Q 30kA ) pelos cabos fase e 2% (0,02Q 30kA ) pela torre, quando são analsadas as descargas atmosfércas com ângulos de ncdênca de 0º até 10º. Entretanto, a dferença percentual entre os raos ncdentes nos cabos pára-raos e na torre sofre sgnfcatva redução quando são analsadas as descargas atmosfércas com ângulos de ncdênca maores. B. Segunda Proposção ( I p =30 ka e r s =1,9I p 0,90 ) Para esta proposção foram utlzados os mesmos parâmetros geométrcos constantes na Tabela I, porém agora sendo consderada a equação r s =1,9I p 0,90 na determnação do rao de atração [6]. A Fgura 6 mostra que nesta confguração o ponto de nterseção, no qual o percentual da faxa de exposção da torre torna-se maor que o percentual de exposção dos cabos guarda, passa a ser de aproxmadamente 20º. Fg. 6. Percentual das Faxas de Incdênca (cabos guarda, cabos condutores e torre) para I p=30 ka e r s=1,9i p 0,90. A consequênca é uma elevação consderável no percentual da quantdade de descargas atmosfércas sobre a torre a partr desta nclnação, como pode ser observado na Fgura 7. Por exemplo, os percentuas das quantdades estmadas para atngr os cabos guarda e a torre, no ntervalo de 20º a 30º, são aproxmadamente 7% dos raos (0,07Q 30kA ) e 8% dos raos (0,08Q 30kA ), respectvamente.

5 5 Já para o ntervalo de 30º a 40º a dferença aumenta para três pontos percentuas, sendo de aproxmadamente 4% de raos (0,04Q 30kA ) para os cabos guarda e 7% dos raos (0,07Q 30kA ) para a torre. Em relação às quantdades totas estmadas, ocorre consderável elevação de ncdênca em relação à torre, sendo na zona de exposção: 47,02% para ncdênca nos cabos pára-raos, 8,98% para os cabos fase e 42,00% para a torre (2% dos raos ocorrem com nclnação superor a 70º e não foram consderados na análse). Fg. 7. Percentual da quantdade de descargas atmosfércas nos cabos pára-raos, cabos fase e torre em função do ntervalo do ângulo de ncdênca para I p=30 ka e r s=1,9i 0,90 p. C. Comparação entre Proposções Analsadas A Fgura 8 mostra o percentual total da quantdade estmada de raos de correntes de pco gual a 30 ka ncdentes nos elementos analsados. Nota-se que a confguração mas desfavorável em relação à proteção da torre da lnha de transmssão fo aquela que utlza a equação r s =1,9I 0,90 p na determnação do rao de atração. Percebe-se que nesta proposção a quantdade estmada de raos ncdentes sobre a torre e pratcamente gual à quantdade estmada sobre os cabos guarda, o que gera um questonamento quanto a sua efcênca da blndagem da LT. IV. CONCLUSÃO Dante do exposto e analsado conclu-se que a metodologa proposta utlza faxas de ncdênca e ângulos de ncdênca de raos para determnar a quantdade estmada de descargas atmosfércas sobre os elementos das torres altas de lnha de transmssão (cabos pára-raos, cabos fase e a estrutura da torre). Os resultados para uma ampltude de corrente gual a 30 ka ndcaram exstr um ponto de nterseção entre os percentuas F g (faxa de ncdênca dos cabos pára-raos) e F t (faxa de ncdênca da torre), que representa a nversão dos maores percentuas das faxas de ncdênca de raos. Em termos das quantdades totas estmadas para atngr os elementos consttuntes das torres altas das lnhas de transmssão, os resultados ndcaram percentuas equparados entre cabos guarda e torre quanto utlzada a equação r s =1,9I 0,90 p para a determnação da dstanca de atração, sendo também elevada a quantdade estmada ncdente na torre para a equação r s =10I 0,65 p tradconalmente usada para os projetos de proteção de lnhas de transmssão. A metodologa proposta demonstrou ser aplcável para a análse da exposção dos elementos de torres altas de lnhas de transmssão podendo fornecer subsídos ao planejamento da proteção das lnhas de transmssão que estão sendo projetadas e mplantadas na Amazôna. V. REFERÊNCIAS [1] BRASIL. Mnstéro de Mnas e Energa (Empresa de Pesqusa Energétca). Plano decenal de expansão de energa Brasíla: MME/EPE, [2] A. J. G. Pnto, E. C. M. Costa, S. Kurokawa, and J. Pssolato Flho, "Introducton of a Non-Conventonal Soluton for Amazon Transmsson System: Analyss of the Electrc Aspects," n Proc IEEE Power and Energy Socety General Meetng, ISSN: , July [3] V. A. Rakov, "Lghtnng dscharge and fundamentals of lghtnng protecton," n Proc. X Internatonal Symposum on Lghtnng Protecton, Curtba, [4] C. S. Fonseca, "Sobretensões atmosfércas," n Transtóros elétrcos e coordenação de solamento: aplcação em sstemas elétrcos de alta tensão, FURNAS/UFF, [5] E. R. Love, "Improvements on lghtnng stroke modelng and applcatons to the desgn of EHV and UHV transmsson lnes," M.Sc. Thess, Unversty of Colorado, [6] V. Cooray, V. A. Rakov, and N. Theethay, "The lghtnng strkng dstance-revsted," Journal of Electrostatcs, vol. 65, Issues 5-6, pp , ISSN , do: /j.elstat , May [7] A. E. A. Araújo and W. L. A. Neves, Transtóros Eletromagnétcos em Sstemas de Energa, Edtora da UFMG, VI. BIOGRAFIAS Fg. 8. Quantdades totas estmadas nos cabos guarda, cabos condutores e torre por confguração analsada. Percebe-se que a sgnfcatva quantdade esperada de raos sobre a torre, para ambas as confgurações, pode produzr efetos ndesejáves pelo fenômeno backflashover, devdo à sobretensão fase/terra gerada [7]. José Alberto Slva de Sá possu graduação em Engenhara Cvl pela Unversdade da Amazôna (1991), mestrado em Engenhara Cvl pela Unversdade Federal do Pará (2004) e doutorado em Engenhara Elétrca pela Unversdade Federal do Pará (2011). É professor da Unversdade do Estado do Pará (UEPA) e professor da Unversdade da Amazôna (UNAMA). Desenvolve pesqusas nas áreas: proteção contra descargas atmosfércas, planejamento energétco e ntelgênca computaconal aplcada.

6 6 Brígda Ramat Perera da Rocha possu graduação em Engenhara Elétrca (1976), mestrado em Geofísca (1979) e doutorado em Geofísca (1995) pela Unversdade Federal do Pará. È professora assocada da Unversdade Federal do Pará. Tem experênca na área de Engenhara Elétrca, atuando, entre outras áreas, em Planejamento Energétco Regonal. Wllamy Morera Frota possu graduação em Engenhara Elétrca pela Unversdade de Brasíla (1981), mestrado em Planejamento de Sstemas Energétcos pela Unversdade Estadual de Campnas (2004) e doutorado em Engenhara Elétrca pela Unversdade Federal do Pará (2009). Atualmente é gerente da Regonal de Produção da Eletronorte no Estado do Amazonas e Pesqusador Colaborador da Unversdade Estadual de Campnas. Tem experênca na área de energa, atuando prncpalmente nos seguntes temas: manutenção e operação de sstemas de geração e transmssão, estudos de lnhas de transmssão e planejamento energétco. Arthur da Costa Almeda é bacharel e mestre em Matemátca e doutor em Engenhara Elétrca pela Unversdade Federal do Pará. Trabalhou durante város anos na área de nformátca de uma concessonára de energa elétrca, e desde 1998 atua como professor na Unversdade Federal do Pará, Campus de Castanhal, onde desenvolve pesqusas na área de ntelgênca computaconal aplcada a Engenhara Elétrca. José Rcardo Santos de Souza possu Bacharelado em Físca pela Unversdade de São Paulo (1966), mestrado em Astro Geophyscs - Unversty of Colorado (1973), mestrado em Geomagnetsmo pelo Insttuto Naconal de Pesqusas Espacas (1969) e doutorado em Meteorologa - Unversty of Colorado (1979). Atualmente é Professor Assocado 2 da Unversdade Federal do Pará. Tem atuado prncpalmente nos seguntes temas: amazôna, temperatura e umdade em solos, geoterma, mcroclma, eletrcdade atmosférca e raos. José Pssolato Flho possu graduação em Engenhara Elétrca pela Unversdade Federal de Uberlânda (1977), mestrado em Engenhara Elétrca pela Unversdade Estadual de Campnas (1982) e doutorado em Engenhara Elétrca - Unverste de Toulouse III (Paul Sabater) (1986). Atualmente é professor ttular da Unversdade Estadual de Campnas. Tem experênca na área de Engenhara Elétrca, atuando prncpalmente nos seguntes temas: lnhas de transmssão, modelagem de lnhas de transmssão, ATP-EMTP, lnhas de transmssão e crcuto trfásco duplo.