XX SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA GRUPO X GRUPO DE ESTUDOS DE DESEMPENHO DE SISTEMAS ELÉTRICOS - GDS

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1 XX SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA Versão 1.0 XXX.YY 22 a 25 Novembro de 2009 Recife - PE GRUPO X GRUPO DE ESTUDOS DE DESEMPENHO DE SISTEMAS ELÉTRICOS - GDS ANÁLISE COMPARATIVA DE DESEMPENHO ENTRE OS NOVOS SENSORES LS7000 E OS ANTIGOS SENSORES DA REDE BRASILEIRA DE DETECÇÃO DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS (BRASILDAT): IMPLICAÇÕES PARA O SETOR ELÉTRICO Kleber P. Naccarato(*) Osmar Pinto Jr. Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) RESUMO Recentemente foram instalados em São José dos Campos/SP e Cachoeira Paulista/SP (distantes cerca de 110km) dois sensores LS7000 ao lado dos antigos sensores IMPACT já em operação. Durante o verão de 2007/2008, foram registradas descargas nuvem-solo utilizando ambos os modelos de sensores separadamente. A análise comparativa dos dados mostrou que, de fato, a nova geração LS7000 possui uma eficiência de detecção muito superior, porém esta vem acompanhada de um aumento significativo na contaminação por descargas intranuvem. Dados de câmeras de alta velocidade confirmam esses resultados a partir de uma amostra de cerca de eventos filmados no mesmo período. PALAVRAS-CHAVE Sensores, Detecção, Relâmpagos, Nuvem-Solo, Intranuvem INTRODUÇÃO Em novembro de 2007, o Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) e Furnas Centrais Elétricas instalaram dois sensores LS7000 nos municípios de São José dos Campos/SP e Cachoeira Paulista/SP, situados no Vale do Paraíba, a cerca de 110 quilômetros de distância um do outro (destaque da Figura 1). Atualmente, existem nesses mesmos locais dois sensores IMPACT da geração anterior, os quais foram mantidos em operação para que os dados de ambas as gerações de sensores fossem coletados simultaneamente. Segundo o fabricante (Vaisala Inc.), esta nova geração de sensores que opera na faixa de LF (low frequency) apresenta melhor eficiência de detecção de descargas nuvem-solo (NS) em comparação com a atual geração de sensores modelo IMPACT, devido a inúmeras melhorias no hardware e software do equipamento (1). Novos algoritmos otimizados promovem a digitalização mais precisa da forma de onda da radiação eletromagnética (EM) produzida pelas descargas e, assim, possibilitam uma melhor discriminação dos diferentes tipos de eventos e ruídos do ambiente. Técnicas de processamento paralelo quase eliminam o tempo morto do sensor, permitindo-lhe respostas muito mais rápidas e evitando assim constantes perdas de dados devido à ocorrência quase simultânea de descargas atmosféricas em diferentes tempestades. Com isso, o fabricante espera obter, para nessa nova geração, uma maior eficiência de detecção (ED) de descargas NS, melhor discriminação de descargas intra-nuvem (IN) e maior precisão no cálculo dos parâmetros da forma de onda da radiação os quais são utilizados pela unidade central de processamento (CP) para computar a localização e as principais características físicas do evento detectado. (*) Av. dos Astronautas, 1758 CEA/DGE Jd. da Granja São José dos Campos/SP Brasil Tel: (+55 12) Fax: (+55 12) kleberp@dge.inpe.br

2 2 FIGURA 1 Localização dos sensores da rede BrasilDAT com destaque para os sensores LS7000 instalados no Vale do Paraíba (municípios de São José dos Campos/SP e Cachoeira Paulista/SP). O principal objetivo deste estudo é comparar o desempenho dos sensores LS7000 e IMPACT em termos de ED de descargas NS e discriminação de descargas IN, considerando um mesmo período de dados e uma mesma região, uma vez que as duas gerações de sensores (IMPACT e LS7000) então em operação simultânea desde Dez/2007. Com isso, garante-se que, qualquer diferença encontrada nos resultados, somente pode ser atribuída a diferenças reais no desempenho dos sensores. Este estudo é particularmente importante para o setor elétrico, pois o INPE planeja instalar mais sensores LS7000 a partir desse ano na região Sudeste do Brasil. A proposta é atualizar a tecnologia da Rede Brasileira de Detecção de Descargas Atmosféricas (BrasilDAT), a qual ainda possui diversos sensores da primeira geração LPATS e vários outros sensores IMPACT (da geração anterior). Dessa forma, em regiões onde os sensores LPATS predominam, a rede apresenta um desempenho muito inferior em termos de ED e discriminação de descargas IN (2). Os sensores antigos serão substituídos pelos novos LS7000, sendo então instalados em outras regiões onde não haja cobertura da atual rede (parte da região Centro-Oeste, região Norte e Nordeste). O objetivo com isso é melhorar significativamente a qualidade e a disponibilidade das informações de descargas NS no país DESCRIÇÃO DOS SENSORES 2.1. Sensor IMPACT Todas as informações abaixo foram resumidas a partir do manual do fabricante (3). O sensor IMPACT 141T-ESP é um sensor integrado que combina a comprovada tecnologia de Direção Magnética (Magnetic Direction Finding, MDF) com as vantagens da tecnologia Tempo de Chegada (Time of Arrival, TOA) para obter uma maior precisão de localização (PL) e melhor ED em comparação com as tecnologias utilizadas isoladamente. O sensor possibilita a detecção de descargas NS e IN através da análise da forma de onda dos campos elétrico e magnético gerados pelos eventos. Esta tecnologia possibilita também que o sensor forneça informações para que a CP calcule as estimativas de corrente de pico das descargas NS. O sistema de autocalibração do sensor permite diagnósticos abrangentes e contínuos, gerando relatórios do seu estado de operação automaticamente, os quais são enviados para a CP para análise e acompanhamento em tempo real. Isso minimiza as tarefas de manutenção, enquanto obviamente os canais de comunicação estiverem funcionando corretamente.

3 3 Os eventos localizados com base em informações dos sensores IMPACT ESP podem chegar a valores de PL da ordem de 500m. As principais características dessa geração de sensores são: - Detecção de descargas NS e IN; - Requer apenas 2 sensores para se obter uma solução precisa da localização de um evento (~500m ou mais); - Tecnologias TOA e MDF possibilitam uma grande porcentagem de soluções otimizadas; - Calibração precisa da estimativa da corrente de pico dos eventos com base nos campos elétrico e magnético; - Sincronização temporal por GPS com precisão de 100ns; - Discriminação precisa por forma de onda o qual permite distinguir entre descargas NS e IN com índice de acerto de 98% na caracterização; - Eletrônica com otimizada relação sinal-ruído a qual aumenta a PL e DE do sensor; - Sistema de auto-teste e auto-calibração que permite diagnóstico remoto automático; - Ajuste de ganho e critério de discriminação selecionável pelo usuário Sensor LS7000 De forma semelhante, as informações apresentadas nessa seção foram extraídas do manual do fabricante (1). O sensor LS7000 é uma das duas principais configurações disponíveis da família LSX000. Esta configuração, especializada na detecção de descargas NS (faixa de 1 khz a 350 khz), apresenta excelente PL e determinação dos parâmetros do evento utilizando dados combinados provenientes da técnica de detecção MDF e TOA. Essa nova geração também é capaz de detectar as emissões de LF das descargas IN (até 30%). É compatível com seus antecessores SAFIR (componente LF), IMPACT e LPATS. Sua estrutura modular permite ser atualizado para a configuração LS8000, a qual possibilita a detecção de descargas NS (faixa LF) e IN (faixa de VHF). O sensor LS7000 oferece maior ED e PL na detecção de descargas NS e maior precisão na determinação de parâmetros físicos qualificados como tempo de subida da radiação, polaridade das descargas e intensidade da corrente de pico. As principais características do LS7000 são: - Detecção de descargas NS com elevada precisão na localização e determinação dos parâmetros do evento com boa calibração; - Detecção de descargas IN (5-30%) a qual permite a identificação das tempestades com antecedência; - Detecção de descargas NS a grandes distâncias (mais de 1.500km); - Determinação de parâmetros físicos com qualidade: horário, localização, amplitude e polaridade; - ED mínima de 90% para descargas NS em redes homogêneas (compostas somente por sensores LS7000); - PL média de 500m para descargas NS em redes homogêneas; A nova geração LS7000 detecta a radiação EM das descargas atmosféricas e, através da digitalização de alto desempenho, extrai diferentes informações dessas formas de onda transientes. Os sinais detectados pelo sensor são analisados pelos circuitos lógicos de discriminação e aqueles provenientes de outras fontes que não sejam descargas atmosféricas são rejeitados, não havendo praticamente contaminação por fontes adversas. O azimute (direção em relação ao sensor) de um evento é determinado a partir de uma antena magnética fechada composta por dois elementos ortogonais (norte-sul e leste-oeste) as quais registram a componente magnética da radiação (método MDF). O horário do evento é medido por um relógio interno (em horário universal) sincronizado a partir de um receptor GPS instalado em cada sensor (método TOA), cuja precisão temporal é da ordem de 100ns. Desta forma, com base nas informações do campo magnético (direção) e do campo elétrico (horário) geradas simultaneamente, é possível que apenas 2 sensores LS7000 forneçam informações suficientes para a localização de descargas NS, aumentando assim o desempenho da rede sem prejuízo à qualidade da informação RESULTADOS E COMPARAÇÕES Os novos sensores LS7000 foram instalados bem próximos dos sensores IMPACT, os quais já operavam em São José dos Campos e Cachoeira Paulista há vários anos. Assim, durante todo o verão de 2007/2008 (a partir de dezembro de 2007) ambas as gerações de sensores puderam detectar a atividade de descargas NS em suas imediações simultaneamente. Uma vez que todos os dados recebidos pelos sensores são armazenados na CP independentemente de gerarem solução ou não, os arquivos binários (dados brutos) foram então reprocessados para se calcular a localização das descargas NS detectadas apenas pelo par de sensores LS7000. Esses mesmos dados brutos foram em seguida reprocessados para se obter a localização dos eventos detectados apenas pelo par de sensores IMPACT. Devido à grande quantidade de dados gerados nesse processo, as análises foram realizadas apenas para o mês de Fevereiro de A Figura 2 mostra as soluções geradas pelo par de LS7000 em azul e em vermelho as soluções geradas pelo par de sensores IMPACT. É possível observar, por simples inspeção visual, que os sensores LS7000 detectaram muito mais descargas NS em função de sua maior sensibilidade. É interessante notar também que o alcance de ambos os sensores é o mesmo devido à configuração da CP a qual não aceita soluções que estejam a mais de 650km de distância do último sensor da rede, que no caso são apenas os pares em estudo.

4 4 FIGURA 2 Descargas NS detectadas pelos pares de sensores LS7000 (azul) e IMPACT (vermelho). A fim de estimar a ED dos pares de sensores (em comparação com a ED da rede BrasilDAT na mesma região), utilizou-se um banco de dados com mais de descargas NS de polaridade negativa registradas por duas câmeras de alta velocidade: uma Red Lake 8000S Motion Scope, configurada para gravar quadros por segundo (ou tempo de exposição de 1 ms), e uma Photron Fastcam-512PCI, configurada para gravar quadros por segundo (ou tempo de exposição de 250µs). Em alguns casos, esta última câmera foi ajustada para gravar quadros por segundo (tempo de exposição de 125µs). Todos os quadros das filmagens foram marcados com o horário sincronizado por GPS. O sistema era acionado manualmente sempre que ocorria uma descarga NS na área de visão das câmeras, registrando a seqüência de imagens 0,5min antes e 1,5min depois do disparo (totalizando 2min de filmagem para cada evento). Os dados registrados pela rede BrasilDAT foram utilizados para identificar a polaridade e distância dos eventos. A correspondência entre os dados das câmeras de alta velocidade e as soluções da rede BrasilDAT foi realizada com base nos horários sincronizados por GPS, cuja precisão temporal em geral é menor que 1ms. A Tabela 1 mostra a ED da rede BrasilDAT (67%) na região do Vale do Paraíba com base em descargas NS filmadas pelas câmeras de alta velocidade. É importante destacar que esse valor de ED refere-se às descargas individuais (strokes) de um relâmpago NS (flash). Quando se considera os relâmpagos (ao invés das descargas individuais), a ED da rede ultrapassa 90% (valor estimado pelo fabricante). Ainda pela Tabela 1, observa-se que a ED de descargas individuais do par de sensores LS7000 (9,5%) é menor que a ED do par de sensores IMPACT (12,3%), o que parece ser um resultado incoerente. No entanto, como as câmeras estavam instaladas em uma torre de observação localizada em São José dos Campos, as descargas NS filmadas (e utilizadas nas análises) estavam a menos de 50km dos sensores LS7000 / IMPACT deste município e, portanto, entre 50 e 150km aproximadamente dos sensores de Cachoeira Paulista. De fato, a distância média das descargas NS registradas pelas câmeras foi de 16km dos sensores de São José dos Campos. Desta forma, uma vez que o sensor LS7000 possui uma maior sensibilidade que o sensor IMPACT, ele tende a saturar mais freqüentemente para descargas NS próximas ocasionando como conseqüência a diminuição da ED do par de LS7000, conforme indicam os dados da Tabela 1. TABELA 1 Comparação da ED da rede BrasilDAT e dos pares de sensores LS7000 e IMPACT a partir dos dados das câmeras de alta velocidade. Feb/2008 Rede BrasilDAT 2 sensores LS sensores IMPACT No. Descargas Negativas Eficiência de Detecção % 9.5% 12.3%

5 5 A Tabela 2 resume a avaliação da ED e da discriminação de descargas IN para os pares de sensores LS7000 e IMPACT. Observa-se claramente que o número de eventos detectados pelo par LS7000 é aproximadamente quatro vezes maior que o número de eventos detectados pelo par IMPACT. Isto mostra claramente que os sensores LS7000 oferecem uma ED muito maior. No entanto, devido a sua maior sensibilidade, espera-se que a contaminação dos dados por descargas IN também aumente na mesma proporção, salvo os algoritmos de discriminação estejam atuando de forma eficiente. Analisando o percentual de descargas NS com polaridade positiva (%+NS), nota-se que para o par IMPACT, apenas 5,1% de os eventos detectados tem polaridade positiva. Para o par LS7000, o %+NS salta para 44,1%. Quando todos os eventos positivos abaixo de 10kA (<+10kA) são removidos, o %+NS reduz para 10%. Removendo todos os eventos positivos com menos de 20kA (<+20kA), o %+CG cai para 2,5%. Assim, os eventos <+10 ka representam 77,4% de todas as descargas com polaridade positiva (+NS) detectadas pelo par LS7000, enquanto que os eventos <+20kA representam 94,3% de todas as +NS. Esses resultados também podem ser vistos nas Figuras 3 e 4, onde os histogramas mostram que o aumento de eventos fracos (<15kA) com polaridade positiva (par LS7000 em relação ao par IMPACT) é muito maior que o aumento de eventos com polaridade negativa. As Figuras 5 e 6 mostram que o aumento significativo da multiplicidade das +NS (pelo par LS7000) confirma a contaminação por descargas IN, uma vez que a grande maioria das descargas +NS são simples (multiplicidade = 1). O mesmo acontece nas Figuras 7 e 8, onde os histogramas da largura do pulso da radiação EM medidas pelo par LS7000 tendem a ser menores que a largura de pulso medidas pelo par IMPACT. Esses pulsos mais curtos são na verdade descargas IN, as quais apresentam forma de onda com transições mais acentuadas que as descargas NS. Sabe-se que as +NS fracas são na verdade descargas IN erroneamente classificadas como descargas NS válidas (4). Por outro lado, de acordo com o fabricante, os sensores LS7000 podem detectar até 30% das descargas IN que ocorrem nas tempestades. Com isso, acredita-se que o elevado número de +NS devam realmente ser descargas IN e, assim, esses sensores devem ser corretamente configurados para informarem a CP do tipo de descarga que estão detectando e assim evitar esse tipo de contaminação. Considerando os resultados do par IMPACT, observa-se que o efeito da contaminação dos dados por descargas IN existe, porém em menor magnitude (Tabela 2). TABELA 2 Resumo dos dados de descargas NS obtidos para os pares de sensores LS7000 e IMPACT. Feb 2008 Descargas NS +NS %+NS IMPACT ,1% IMPACT (<+10kA) (-52,6%) 2,4% IMPACT (<+20kA) (-66,6%) 1,7% LS ,1% LS7000 (<+10kA) (-77,4%) 10,0% LS7000 (<+20kA) (-94,3%) 2,5% FIGURA 3 - Distribuição dos valores da corrente de pico (ka) para as descargas com polaridade negativa detectadas pelo par de sensores IMPACT e LS7000.

6 6 FIGURA 4 - Distribuição dos valores da corrente de pico (ka) para as descargas com polaridade positiva detectadas pelo par de sensores IMPACT e LS7000. FIGURA 5 - Distribuição dos valores de multiplicidade para as descargas com polaridade negativa detectadas pelo par de sensores IMPACT e LS7000. FIGURA 6 - Distribuição dos valores de multiplicidade para as descargas com polaridade positiva detectadas pelo par de sensores IMPACT e LS7000.

7 7 FIGURA 7 Distribuição dos valores de largura de pulso das descargas NS com polaridade negativa detectadas pelo par de sensores IMPACT e LS7000. FIGURA 8 Distribuição dos valores de largura de pulso das descargas NS com polaridade positiva detectadas pelo par de sensores IMPACT e LS7000. Por fim, a Figura 9 mostra as curvas de ED relativa dos pares de LS7000 e IMPACT. Os valores de ED são ditos relativos porque foram determinados a partir dos dados fornecidos pela própria rede BrasilDAT. Com exemplo, se um sensor participa de todas as soluções numa dada região, então sua ED relativa será 100%. Analisando o gráfico, confirma-se que a ED dos sensores LS7000 é superior a dos sensores IMPACT. Os sensores LS7000 apresentaram curvas de ED bastante semelhantes, o que não aconteceu para os sensores IMPACT. Nota-se que o sensor de São José dos Campos apresentou uma curva de ED bem inferior ao sensor de Cachoeira Paulista. Este fato exige uma análise mais detalhada para se verificar se isso representa um baixo desempenho do sensor de São José dos Campos ou se existe algum problema de configuração em seus parâmetros CONCLUSÕES Os resultados deste estudo mostram que, de fato, os novos sensores LS7000 apresentam uma melhor ED que os antigos sensores IMPACT, com um aumento significativo no número de descargas NS positivas abaixo de 20kA. Isso invariavelmente retrata o aumento da contaminação dos dados por descargas IN. No entanto, sabe-se que a atividade de descargas IN produz uma vasta gama de formas de onda, o que torna a discriminação uma tarefa muito complexa. É possível que as descargas NS negativas também estejam contaminadas por descargas IN. Por outro lado, os sensores LS7000 foram desenvolvidos para detectar até 30% das descargas IN e, assim, exigem configurações diferenciadas nos parâmetros para evitar que a CP classifique erroneamente essas descargas como descargas NS. Além disso, uma vez que apenas dois sensores estão sendo considerados nas

8 8 soluções, os resultados podem ser muito diferentes quando se extrapola para a rede como um todo. Assim, trabalhos futuros são necessários para melhor avaliar o desempenho dos sensores LS7000 através do reprocessamento dos dados brutos utilizando-se todos os sensores da rede BrasilDAT juntos. Por fim, esses resultados mostram que o projeto do INPE de atualizar a tecnologia dos sensores da rede na Região Sudeste do Brasil para a nova geração LS7000 trará grandes ganhos para o setor elétrico: primeiramente a melhoria da qualidade da informação das descargas NS e, segundo, a possibilidade de detecção de descargas IN as quais precedem a ocorrência de tempestades e assim possibilitam a previsão de curto prazo desses eventos. FIGURA 9 Eficiência de detecção relativa do par de sensores LS7000 (São José dos Campos e Cachoeira Paulista) em comparação com o par de sensores IMPACT REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS (1) VAISALA. LS7000 LF Sensor User s Guide. M210721EN-A, v3.0, 186p., (2) NACCARATO, K. P.; PINTO JR, O.; PINTO, I. R. C. A. Intracloud contamination due to LPATS sensors in a lightning detection network. Proceedings of the International Conference on Grounding and Earthing & 1st. International Conference on Lightning Physics and Effects. Belo Horizonte/MG. v. 1. p , (3) VAISALA. IMPACT ESP, Model IMPACT 141T-ESP User s Guide. M210416EN-A, v1.3, 532p., (4) CUMMINS, K. L.; BARDO, E. A. Bardo. On the relationship between lightning detection network performance and measured lightning parameters. Proceedings of the 1st International Conference on Lightning Physics and Effects, Sao Paulo, DADOS BIOGRÁFICOS Dr. Kleber P. Naccarato Nascido em São Paulo, SP, em 25 de junho de 1974 Graduação: Engenharia Elétrica Modalidade Eletrônica (1996) - Escola de Engenharia de São Carlos / USP Ênfase em Computação Eletrônica (1996) - Instituto Ciências Matemáticas e Computação de São Carlos / USP Mestrado: Geofísica Espacial, Eletricidade Atmosférica (2001) - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) Doutorado: Geofísica Espacial, Eletricidade Atmosférica (2005) - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) Pesquisador do Grupo de Eletricidade Atmosférica (ELAT), INPE Dr. Osmar Pinto Jr. Nascido em Porto Alegre, RS, em 01 de setembro de 1954 Graduação: Engenharia Elétrica Modalidade Eletrônica (1977) - PUC-RS Mestrado: AstroGeofísica (1979) - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) Doutorado: Geofísica Espacial, Magnetosfera (1984) - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) Pós-Doutoramento: Eletricidade Atmosférica (1987) - Universidade de Washington (EUA) Coordenador do Grupo de Eletricidade Atmosférica (ELAT), INPE.