XX SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

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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 VIII GRUPO DE ESTUDO DE SUBESTAÇÕES E EQUIPAMENTOS DE ALTA TENSÃO - GSE A EXPERIÊNCIA DA EM INSPEÇÃO DE MALHAS DE ATERRAMENTO DE SUAS INSTALAÇÕES E O SOFTWARE LANESAGS PARA SIMULAR GRANDEZAS ELÉTRICAS EM CADA PONTO DE UMA MALHA DE ATERRAMENTO COM OU SEM FALHAS. RESUMO Júlio Antônio Salheb do Nascimento* Gecivan de Sousa França Olavo Pedro Pereira Manuel Joaquim da Silva Oliveira Ipojucan Lopes de Carvalho Sistemas de aterramento são partes fundamentais dos sistemas de proteção elétrica, desempenhando importante papel na garantia da segurança para as pessoas e equipamentos. O presente trabalho trata da experiência prática do centro de tecnologia da Eletronorte em inspeção de sistemas de aterramento e algumas simulações no software LANESAGS para mostrar como se comportam as grandezas elétricas em alguns casos de defeitos em malha de terra. PALAVRAS-CHAVES Sistemas de aterramento elétrico, Falhas em Malha de Terra, Método FDTD INTRODUÇÃO As malhas de aterramento desempenham importante papel na garantia da segurança para as pessoas que transitam pelas instalações, limitando e protegendo as mesmas contra as tensões de toque e de passo, bem como, na proteção dos equipamentos e componentes eletrônicos sensíveis. Para desempenhar essa função corretamente as malhas de aterramento precisam conservar as características originais de projetos ao longo do tempo, e para isso há necessidade de manutenção periódica no sistema de aterramento. Após vários anos de trabalho em inspeções e medições de malha de aterramento nas instalações da Eletronorte, uma equipe de trabalho do centro de tecnologia da Eletronorte sugeriu um P&D que foi aprovado, com coordenação da Universidade Federal do Pará UFPA, cujo objetivo foi de elaborar um software que simulasse situações de defeitos encontradas nas inspeções em instalações da Eletronorte. O software desenvolvido foi o LANESAGS, onde a formulação do problema é desenvolvida partindo-se das equações rotacionais de Maxwell, considerando-se um meio isotrópico e com perdas, as quais são solucionadas numericamente mediante o uso do método das diferenças finitas no domínio do tempo (Finite Difference Time Domain - FDTD) Neste trabalho será mostrado alguns exemplos de falhas detectadas em malhas de aterramento de instalações inspecionadas pele equipe do Centro de Tecnologia da Eletronorte e simulações no software LANESAGS de malhas de aterramento com ou sem falhas fazendo uma comparação de como se comportam as grandezas elétricas em ambos os casos. O trabalho está organizado da seguinte maneira: o Tópico 2 descreve de forma sucinta a teoria sobre sistemas de aterramento, no Tópico 3 descrevem-se o algoritmo implementado para simulações (FDTD), no Tópico 4 são apresentados falhas encontradas por meio de inspeções em sistemas de aterramento e simulações de falhas em malhas de aterramento, no tópico 5 um estudo de caso pratico e, finalmente, são apresentadas as conclusões no tópico 6. (*) Tv Mariz e Barros, n 2665 apto 1004 CEP Cidade, Belém -PA, Brasil Tel: (+55 91) Fax: (+55 91) juliosalheb@eln.gov.br

2 TEORIA SOBRES SISTEMAS DE ATERRAMENTO As finalidades de um sistema de aterramento são: Permitir o escoamento para a terra de cargas ou corrente de descarga, provocadas pela energização Acidental de partes metálicas ou falha de Isolação de equipamentos, ou por corrente de descarga dos para raios originadas por sobre tensões de origem externa(descarga atmosférica) e interna (manobras no sistema) e também permitir o escoamento de Cargas Estáticas acumuladas na carcaça de equipamentos. Limitar os níveis de Potenciais provocados por tensões induzidas tanto por descarga atmosférica como por linha de transmissão. Distribuição de potenciais no solo em patamares seguros, de forma que a elevação de potencial no solo sobre a malha de aterramento seja de forma mais uniforme possível evitando desta forma tensão de passo e toque em patamares inseguros. Usar a terra como condutor de retorno de corrente em sistemas, monofásicos com retorno pelo terra muito utilizado em rede de distribuição rural, em sistemas de Transmissão em corrente continua e em alguns sistemas de tração elétrica Influenciar no desempenho do sistema, seja no estabelecimento de referências de potencial ou pela possibilidade de implementação de uma filosofia de proteção baseada na detecção de fluxo de corrente pelo solo. Porém para atender estas finalidades o sistema de aterramento precisa de algumas características conforme listado abaixo: Capacidade de condução de corrente O sistema de aterramento deve ter capacidade para escoar para terra as correntes provenientes de descarga atmosférica, as provocadas pelas manobras no sistema e as de curto circuito fase-terra, pois estas correntes podem chegar a patamares de até 100kA que são as provocadas pelas descargas atmosféricas, porém com uma duração de apenas dezenas de micro-segundos as de sobre tensões de chaveamento tem intensidade menores mas com maior duração já as de Curto-circuito fase-terra tem intensidade de alguns ka mas a duração pode ser de 1 ciclo até 1 segundo no caso de falha de proteção principal e atuação da proteção de retaguarda e em virtude deste tempo, esta impõem grande solicitação térmica ao sistema de aterramento Baixo valor de resistência de terra. Deseja-se que um sistema de aterramento tenha um valor baixo de resistência de aterramento para facilitar o escoamento da corrente para o solo e alcançar com maior facilidade tensões de passo e toque em patamares seguro. Configuração dos eletrodos que possibilite o controle de gradiente de potencial. Os eletrodos devem ser configurados de tal forma que o potencial da malha de aterramento tenha uma elevação o mais uniforme possível, evitando-se desta forma tensões de passo, toque e transferência em patamares inseguros TEORIA SOBRE O ALGORITMO IMPLEMENTADO Métodos no domínio da freqüência para solucionar as equações de Maxwell são bastante utilizados para o estudo de estruturas de aterramento. No entanto, o problema de obtenção das respostas transitórias deve ser tratado por métodos no domínio do tempo, como, o método das Diferenças Finitas no Domínio do Tempo (Finite Difference Time Domain - FDTD) (4) (3), desenvolvido por Yee em Este método foi utilizado no software LANESAGS. O Método FDTD (Diferenças Finitas no Domínio do tempo) soluciona as equações rotacionais de Maxwell, resultando na obtenção dos campos eletromagnéticos no tempo e no espaço. Pelo fato dos problemas eletromagnéticos reais, de uma forma geral, serem de difícil solução analítica, soluções numéricas são utilizadas por se mostrarem mais eficientes, versáteis e relativamente simples. Para um meio isotrópico com perdas, as equações de Faraday e Ampère, na forma diferencial, podem ser escritas, respectivamente, da seguinte maneira: (1) e (2) as quais são então escritas na forma das diferenças finitas. Para que essas equações possam ser aplicadas, o domínio de análise é discretizado em células denominadas de células de Yee, sendo que as suas dimensões ( x, y, z) e o incremento de tempo ( t) devem satisfazer a condição de Courant, demonstrada por Taflove(3), dada por:

3 3 (3) e os incrementos espaciais x,y,z devem satisfazer à condição x,y,z < 0.1λ, na qual λ é o mínimo comprimento de onda propagante. Como se está trabalhando com problemas abertos, há a necessidade de truncar o domínio numérico de análise. Neste trabalho, implementou-se a formulação U-PML (Uniaxial Perfectly Matched Layers) para meios condutivos (3), para absorver as ondas incidentes nos limites do domínio. A UPML, por sua vez, é truncada por P.E.C.s (Perfect Electrical Conductors) PROBLEMAS EM MALHAS DE ATERRAMENTO X SIMULAÇÕES Existem alguns procedimentos de segurança, listados abaixo, a serem adotados em subestação que muitas vezes não são obedecidas ou por falha de projeto e ou construção, ou por falta de manutenção periódica que fez com que as condições iniciais fossem alteradas com o tempo. Alambrados, cercas, portões, postes de iluminação e qualquer objeto metálico que esteja na área da subestação, deverão ser conectados a malha principal, pois em caso de energização acidental a corrente deverá ser escoada para a terra. Como exemplo tem-se a Figura 1 abaixo que ilustra a cordoalha de aterramento de uma chave seccionadora na iminência do seccionamento e a Figura 2 mostra um portão de uma subestação com a cordoalha de aterramento seccionada. FIGURA 1 FIGURA 2 Os trechos de cerca, sob linha, deverão ser seccionados, pois em caso de energização acidental por queda da linha na cerca somente aquele trecho deve ser energizado. E toda cerca deverá ser aterrada a cada 15m, para reduzir o potencial provocado por tensão induzida. Como exemplo tem-se a Figura 3 abaixo mostra que o aterramento da cerca de arame foi seccionado e a Figura 4 mostra um trecho de cerca sob linha onde não se teve a cerca seccionada. FIGURA 3 FIGURA 4 A malha de terra cobrirá toda a área do pátio, de 0,5 a 1,5 m além da cerca que limita a área energizada desse pátio, pois na borda da malha é o ponto onde se tem a maior queda de potencial na malha de aterramento e para evitar alta tensão de toque neste ponto deseja-se que a cerca fique em um local sobre a malha antes da queda acentuada de potencial. Como exemplo foi simulado no LANESAGS uma malha de terra 3x3 mostrada na Figura 5, onde se injeta uma corrente no centro da malha obtendo-se como resultado o potencial na superfície do solo mostrado na Figura 6,

4 4 onde os eixos x e y expressam a posição do solo sobre a malha e o eixo z o potencial na superfície no solo, comprovando-se elevada queda de potencial na borda da malha de aterramento. FIGURA 5 FIGURA 6 Deve-se aplicar haste de aterramento nos pórticos de chegada de LT onde se tem conectado os cabos pára-raios, neutro de transformadores de potência e pára-raios, pois estes pontos são passiveis de alta injeção de corrente e esse procedimento melhora a capacidade de condução de corrente. Deve-se aplicar haste de aterramento nos cantos da malha, em todos os encontros de dois cabos formando 90 graus da periferia da malha, pois a corrente tende a caminhar para estes pontos, e o que se deseja é escoar com maior facilidade estas correntes para o solo. Os equipamentos de potência, tais como transformadores e reatores, deverão conter um único ponto de aterramento em sua carcaça. Como exemplo tem-se a Figura 7 que mostra equipamentos de potência aterrado em mais de um ponto. FIGURA 7 Todas as conexões do sistema de aterramento devem ser as melhores possíveis e preferencialmente feitas com a utilização de solda exotérmica, pois o que se deseja é minimizar as resistências das conexões evitando elevações de potencial quando da passagem de corrente. Como exemplo tem-se a Figura 8 abaixo que mostra a emenda de um cabo de descida de um aterramento de banco de capacitor feita com conector que é utilizado para fixação do cabo de aterramento na estrutura metálica, neste caso o cabo de descida deveria ser continuo, ou feita uma conexão utilizando solda isotérmica, a Figura 9 abaixo mostra a conexão de cabos em uma barra de terra sem a utilização de conector terminal.

5 5 FIGURA 8 FIGURA 9 Outro defeito em sistemas de aterramento que ocorre com freqüência é a descontinuidade em malhas de aterramento. Estas Descontinuidades elétricas podem surgir na estrutura de aterramento devido às reações eletroquímicas entre o metal e a terra e também acidentalmente por obra de construção civil nas proximidades da malha. Abaixo é mostrada simulação de uma malha 3x3 com descontinuidade (figura 10). Pode-se observar, na figura 6, como se comporta o potencial na superfície do solo, no tempo de 0,1 micro segundos para um malha sem defeito e na Figura 11 para uma malha com descontinuidade (conexão elétrica interrompida), quando se injeta uma descarga de corrente simulando um pulso atmosférico no centro das malhas, ambas com solo de mesma características, neste ultimo caso observa-se uma elevação de potencial não uniforme, podendo gerar tensões de toque e passo acima dos limites admissíveis no solo sobre a malha e observa-se também que o nível do potencial do solo é bem mais elevado na malha com descontinuidade. FIGURA 10 FIGURA 11 A Figura 13 mostra a tensão de passo entre o ponto de descontinuidade e um outro distante um metro e na mesma direção do ramo defeituoso, já a Figura 12 mostra a tensão de passo na malha sem defeito entre os mesmos pontos da simulação anterior, onde pode-se observar que a tensão de passo na malha com descontinuidade tem uma elevação de mais de 100% em determinado instante de tempo. FIGURA 12 FIGURA 13

6 6 A Figura 14 mostra como se comporta o potencial na superfície do solo, no tempo de 0,1 micro segundos para uma malha onde no lugar da descontinuidade mostrado na Figura 10 foi inserido uma resistência de 100 ohm, simulando uma má conexão, onde observa-se uma elevação de potencial não uniforme, e observa-se também que o nível do potencial do solo é mais elevado na malha com a resistência do que na malha perfeita, porém menos elevada do que a malha com descontinuidade. A Figura 15 mostra a tensão de passo entre o ponto de resistência de 100 omh e outro distante um metro e na mesma direção do ramo defeituoso, onde pode-se observar que a tensão de passo na malha com resistência tem uma elevação de cerca de 50% em determinado instante de tempo em relação a tensão de passo da malha sem defeito. FIGURA 14 FIGURA 15 Os resultados das simulações mostrados nas Figuras 11, 13, 14 e 15, têm comportamentos diferentes da malha sem defeito no em regime transitório, pois em regime permanente as respostas são praticamente as mesmas ESTUDO DE CASO O estudo de caso trata-se de queima de equipamentos de telefonia em instalações, cujo croqui é mostrado na Figura 16 abaixo, onde se tem as subestações I e II próximas, um prédio de despacho de carga da subestação II e blocos administrativos. SE- II SE-I Despacho SE-II Blocos de Administração FIGURA 16 Em inspeção no sistema de aterramento destas instalações observou-se que cada uma destas instalações possuía uma malha de aterramento que não estavam ligadas entre si, e quando ocorria uma descarga de corrente na SE-I ( descarga atmosférica, sobretensão de manobra) o potencial era transferido para a SE-II por meio de um cabo telefônica que interligava as subestações, esta elevação de potencial queimava um sistema multiplex existente no bloco de despacho, ligada por meio de cabo telefonico a SE-II e a central telefônica dos blocos administrativos ligada por meio de fio telefônico ao prédio de despacho de carga. Para resolver o problema, foram realizadas as interligações nas malhas de terra nestas instalações. Para visualizar de forma mais didática o estudo de caso acima, foi realizado simulações com duas malhas 5x5 (distância de 3 m entre linhas e entre colunas da malha) próximas onde se injeta uma corrente de descarga na primeira malha para observar como se comporta o potencial na superfície do solo. As simulações foram para um tempo de 2 micro segundos. A simulação da Figura 17 é para o caso em que as malhas não estão conectadas, onde pode-se observar que há uma diferença de potencial na superfície do solo entre as malhas, ou seja se houver alguma conexão externa a malha como ocorreu no estudo de caso haverá uma tensão de transferência podendo provocar danos a pessoas e equipamentos além de provocar tensão de passo elevada entra as malhas. As Figuras 18 a 20 mostram as simulações para malhas interligadas com um, dois e três condutores respectivamente, onde se observa que no caso das malhas interligadas com um e dois condutores haverá uma queda de potencial na interligação das malhas podendo ocasionar tensões de passo perigosas nestes pontos, o que já não acontece na simulação com malhas interligadas por três condutores. Observa-se também que no caso

7 7 em que não há interligação o potencial na superfície do solo chega a 12 volts enquanto que o potencial chega a 6 volts no mesmo instante para o caso em que as malhas estão conectadas. FIGURA 17 FIGURA 18 FIGURA 19 FIGURA 20 É importante mencionar que em regime transitório quando as malhas são interligadas com um único condutor haverá um tempo maior de equalização de potencial entre as malhas comparando com as malhas interligadas com dois e três condutores, conforme mostrado nas figuras 21 a 23 abaixo, onde se tem o campo elétrico sobre a malha de aterramento para as mesmas simulações mostradas nas figuras 18 a 20, porém com um tempo de 0,6 micro segundos. Na parte superior destas figuras há uma escala de cor começando do verde claro (campo de menor intensidade) chegando até o marrom (campo elétrico mais intenso). Desta forma podemos observar que as tensões de passo são maiores para malhas interligadas com um único condutor e menores para as malhas interligadas com três condutores neste instante de tempo ( 0,6micro segundos) CONCLUSÕES FIGURA 21 FIGURA 22 FIGURA 23 Como conclusão deste trabalho pode-se observar que, cuidados básicos evitam prejuízo elevados em sistema de aterramento; assegurar a equipotencialidade do sistema é mais importante que a necessidade de se manter o valor da resistência de aterramento baixo; toda expansão que envolva a malha de aterramento deve ser

8 8 cuidadosamente acompanhada por pessoal habilitado de forma a garantir que os requisitos de projeto sejam plenamente obedecidos; e é extremamente importante a realização de inspeções periódicas em sistemas de aterramentos, visando manter as características iniciais da malha; e a elaboração deste software foi de fundamental importância pois por meio deste pode-se observar como se comportam as grandezas elétricas em qualquer sistema de aterramento com ou sem falhas, tanto em regime transitório como em regime permanente. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS (1) OLIVEIRA, R. M. S., DIAS, M. B. E SOUZA SOBRINHO, CARLOS L.S.S. (2006). Application of neural network for classifying faults on grounding grids, 12 o SBMO - Simpósio Brasileiro de Microondas e Optoeletrônica e 7 o CBMAG - Congresso Brasileiro de Eletromagnetismo (MOMAG), Belorizonte, Minas Gerais, Brasil. (2) RODRIGO M. S. DE OLIVEIRA E CARLOS LEONIDAS DA S. SOUZA SOBRINHO (2007). APLICAÇÃO DE REDES NEURAIS ARTIFICIAIS NO PROCESSO DE MANUTENÇÃO DE MALHAS DE ATERRAMENTO ELÉTRICO, VIII- Congresso Brasileiro de Redes Neurais , santa catarina (3) TAFLOVE, A. AND HAGNESS, S. C. (2000). The Finite-Difference Time-Domain Method, Artech House Inc, Second Edition. (4) YEE, K. (1966). Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell s equations in isotropic media, IEEE (5) HUMBERTO ARAÚJO; RODRIGO M. S. OLIVEIRA; YURI C. SALAME; CARLOS L. S. SOUSA SOBRINHO "Propostas de Novas Técnicas para Redução do Potencial de Passo", 12 SBMO - Simposio Brasileiro de Microondas e Optoeletronica e 7 CBMAG - Congresso Brasileiro de Eletromagnetismo (MOMAG 2006) (6) Telló, Marcos. (2007). Aterramento elétrico impulsivo, em baixa e alta frequência, EDIPUCRS (7) Visacro Filho, Silvério. (2002). Aterramentos elétricos, Artiliber