GRUPO X GRUPO DE ESTUDO DE SOBRETENSÕES E COORDENAÇÃO DE ISOLAMENTO - GSC

SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA GSC-20 19 a 24 Outubro de 2003 Uberlândia - Minas Gerais GRUPO X GRUPO DE ESTUDO DE SOBRETENSÕES E COORDENAÇÃO DE ISOLAMENTO - GSC APLICAÇÃO NÃO CONVENCIONAL DE SLT COMO ELEMENTO AUXILIAR DE DECISÃO NA DEFINIÇÃO DE AÇÕES DE PROTEÇÃO DE LINHAS DE TRANSMISSÃO Silvério Visacro F.* Armando Cazetta F. Rosilene Nietzsch Dias* 1 Luiz S.do Carmo Cláudia Rejane de Mesquita LRC UFMG CEMIG RESUMO O desempenho de linhas de transmissão (LT s) frente a descargas atmosféricas é condicionado, na maioria das vezes, por uns poucos trechos críticos determinados essencialmente por dois fatores: a densidade local de descargas (grau de solicitação) e a resposta do sistema a eventuais incidências. A determinação destes trechos torna possível a adoção de ações localizadas de proteção. Uma nova metodologia elaborada para seleção e ordenação das torres críticas, utilizando dados providos pelo Sistema de Localização de Descargas Atmosféricas (SLT) e parâmetros da linha, foi aplicada em uma LT real e os resultados apresentaram excelente concordância com os dados de faltas localizadas da linha. PALAVRAS-CHAVE Análise de Desempenho de Linhas de Transmissão; Proteção Frente a Descargas Atmosféricas; Sistema de Localização de Tempestades; Índice de Severidade; Descargas Atmosféricas. 1.0 - INTRODUÇÃO As descargas atmosféricas são responsáveis pela maioria dos desligamentos não-programados das linhas de transmissão. Uma das ferramentas atuais mais avançadas para 1 Bolsista CNPq - Brasil monitoramento do fenômeno é o Sistema de Localização e Detecção de Descargas Atmosféricas (SLT). Tal sistema fornece dados sobre descargas tais como sua localização, instante de ocorrência, amplitude, polaridade e parâmetros de corrente. No Brasil, tal tipo de sistema teve sua implantação iniciada pela CEMIG em 1988, sendo atualmente composto por 22 estações detectoras dos SLT s CEMIG, FURNAS e SIMEPAR. Estes sistemas compõem a Rede Integrada de Detecção de Descargas Atmosféricas nacional. A utilização dos dados obtidos pelo SLT na Engenharia de Proteção é uma atividade relativamente recente no Brasil. Existem softwares específicos que correlacionam dados de faltas com os dados de incidência de descargas, permitindo-se uma análise de confiabilidade da linha em estudo [1]. No presente trabalho, é apresentada uma aplicação não convencional dos dados do SLT na proteção de linhas de transmissão. A nova metodologia proposta adota um Índice de Severidade e utiliza os dados de incidência de descargas e os parâmetros da linha para realizar uma análise criteriosa sobre os trechos críticos da LT. Desta análise, pode-se selecionar as torres críticas nas quais devem ser aplicadas as práticas de proteção, minimizando-se os custos de manutenção e aumentando-se seu desempenho frente a descargas. 2.0 - ÍNDICE DE SEVERIDADE Para melhoria localizada de desempenho de linhas, é necessário avaliar a probabilidade relativa de rompimento do isolamento devido à incidência de descargas (back-flashover). Tal análise deve ser aplicada a cada estrutura da linha. * LRC Lightning Research Center UFMG - Av. Antônio Carlos, 6627 Pampulha CEP: 31.270-901, Belo Horizonte MG - Brasil Tel.: (31) 3499-4872 - Fax: (31) 3499-5455 E-MAIL: Lrc@cpdee.ufmg.br

2 O índice proposto pelos autores assume uma relação linear entre o índice de freqüência relativa de solicitação dos isolamentos da torre (associado ao fluxo de corrente devido a descarga através da torre) e o índice de amplitude da sobretensão resultante nos isoladores devido a ocorrência do fenômeno. I SEV = I FREQ. I AMP (1) 2.1 - Índice de Freqüência Relativa (I FREQ ) Para compor tal índice, o ideal seria ter uma densidade acumulada de corrente de descargas que fluem pela torre em determinado período. Para se determinar este índice, algumas considerações são feitas: I a) Determina-se uma área de estudo, onde as descargas atmosféricas ocorridas em uma faixa estreita em torno da rota da linha são consideradas representativas para se determinar a incidência relativa de cada vão da linha. b) Para cálculo do número de correntes que fluem ao longo de cada torre em determinado período, considera-se a soma das descargas ocorridas nos vãos adjacentes à mesma (Figura 1). torre i N = desc arg as 2. no vão n k = 1 N ( i 1) + N desc arg as no vão ( k ) n desc arg as no vão ( i ) FIGURA 1 CORRENTES DE DESCARGAS NOS VÃOS DA LINHA, CONSIDERANDO-SE UMA ÁREA DE ESTUDO DETERMINADA POR UMA FAIXA ESTREITA AO LONGO DA ROTA DA LT. (2) c) Tal parâmetro é aprimorado pelo cômputo do efeito da altitude referente a cada torre (K ALT ). Altitude da torre 1 Altitude média das torres da linha K = 15, (3) ALT FREQ = I torre i K ALT (4) I. 2.2 -Índice de Amplitude da Sobretensão Relativa (I AMP ) O cálculo da sobretensão resultante na cadeia de isoladores devido à incidência de descarga na linha é efetuado para cada torre segundo algumas aproximações indicadas a seguir. 2.2.1 Sobretensão na cadeia dos isoladores A sobretensão resultante na cadeia de isoladores devido a incidência de descarga no vão da linha considerado apresenta relação linear com a tensão no topo da torre, sendo também influenciada pelo acoplamento entre o cabo de blindagem, a torre e o cabo-fase [2]. Como o valor da tensão na fase oscila, seu valor terá natureza aleatória em função do instante de incidência. Portanto, embora o efeito da tensão na fase seja importante, o cômputo da mesma não varia de uma torre para outra. Por outro lado, o efeito do acoplamento pode ser considerado aproximadamente o mesmo para as diversas torres, assumindo-se a mesma configuração para a parte superior destas torres. Assim, a tensão no topo da torre é um parâmetro praticamente proporcional à tensão na cadeia de isoladores, sendo utilizada em substituição à última para definição do índice de amplitude da sobretensão relativa. A equação (5) representa a tensão máxima no topo da torre quando são assumidas as seguintes condições: a) A torre e o aterramento da torre considerada são representados por suas respectivas impedâncias de surto Z t e Z g. b) Sob circunstâncias reais, o tempo de tráfego da onda de corrente ao longo da torre t T (razão da altura da torre e a velocidade de propagação da onda) é bem inferior ao tempo de frente t f da onda de corrente. c) A forma da onda de corrente é representada por uma rampa com curto tempo de frente e tempo de decaimento lento. Z t I p Z + g Zt V + max 2t T 1 f 2 t f Z g + Zt ( t t ) = T (5) Considerando-se a altura usual das torres, o tempo de trânsito da corrente nas mesmas é muito menor que o tempo de frente da forma de onda. Assim, a equação (5) pode ser simplificada, sendo que o cálculo da tensão no topo da torre é efetuado pela aplicação da equação (6). Z t I p Z + g Zt Vmax = 2t + T Zt I p x 1 t f Zg + Zt 2.2.2 - Sobretensão de referência O caráter de relatividade do índice de amplitude da sobretensão resultante no topo da torre (e, por conseguinte, na cadeia de isoladores) é mantido para (6)

3 cada torre, considerando-se tal amplitude em relação àquela de uma tensão de referência. Esta última é calculada para a linha em estudo, aplicando-se a equação (6) e assumindo-se: a) O tempo de tráfego t T é obtido através da razão entre a altura média das torres da LT e a velocidade de propagação da onda de corrente ( 3x10 8 m/s); b) A impedância de surto das torres Z t é representada por um número real, considerando-se a Z t média determinada para diversas estruturas (Z t 100Ω 250Ω ). c) A impedância de aterramento Z g considerada é a impedância limite para que o sistema apresente boa resposta à incidência de descargas nos vãos adjacentes à torre, do ponto de vista de desempenho da linha. Para as condições brasileiras, este valor pode ser assumido como Z g = 20Ω. d) O tempo de frente t f e o valor da corrente de pico I P considerados na sobretensão de referência devem ser os mesmos utilizados para cálculo da sobretensão nos isoladores para cada torre. Assim, o índice de amplitude da sobretensão relativa será calculado para cada torre através da equação (7). I AMP V 3.0 - CASO ESTUDO max Torre i = (7) V max referência Objetivando-se validar a metodologia ora proposta, foi selecionada junto à Gerência de Engenharia de Manutenção da Transmissão da CEMIG uma linha de baixo desempenho frente a descargas atmosféricas. A Tabela 1 apresenta as características da linha de 230 kv, Guilman Amorim Ipatinga 1. Os parâmetros da linha, tais como comprimento dos vãos, resistência de aterramento, altura e altitude de cada estrutura foram analisados e geoprocessados. TABELA 1 - CARACTERÍSTICAS DA LT SELECIONADA PARA APLICAÇÃO DO ÍNDICE DE SEVERIDADE. Item Valor Tensão Nominal 230 kv Extensão da LT 51 km Estruturas 92 Vão Médio 550 m Altura média das torres 18 m Resistência média de aterramento 91,4 Ω Altitude média das torres 685,9 m 3.1 Análise de Incidência Para análise de incidência de descargas atmosféricas na linha, foi utilizada uma base de dados de descargas de retorno (strokes) do SLT CEMIG abrangendo um período de 44 meses, sendo que a área de estudo foi determinada por faixas de 1 km e 250 m ao longo da linha. A Figura 2 apresenta a LT e um exemplo de análise de incidência realizada (Tabela 2). FIGURA 2 LT DE 230 KV E EXEMPLO DE ANÁLISE DE INCIDÊNCIA EM FAIXA DE 1 KM AO LONGO DA LINHA. TABELA 2 ANÁLISE DE INCIDÊNCIA POR VÃO DA LT Strokes Strokes Strokes Strokes Vão por por Comp. no vão no vão entre km 2 /ano km 2 /ano vão (m) (Faixa (Faixa torres (Faixa (Faixa 1km) 250 m) 1 km) 250 m) 85 86 665 17 6 3,49 4,92 86 87 928 14 2 2,06 1,18 87 88 872 21 9 3,28 5,63 88 89 490 16 4 4,45 4,45 89 90 935 36 13 5,25 7,58 90 91 835 23 8 3,76 5,23 91 92 1265 46 13 4,96 5,61 92 93 290 21 7 9,87 13,17 93 94 225,2 8 3 4,84 7,27 94 95 849,7 20 6 3,21 3,85 95 96 285 10 4 4,78 7,66 96 97 553,4 19 6 4,68 5,91 97 98 1191,6 46 12 5,26 5,49 98 99 635 18 3 3,87 2,58 99 100 1068 39 10 4,98 5,11 100 101 392 10 1 3,48 1,39 101 102 648,2 22 2 4,63 1,68 102 103 776,8 14 2 2,46 1,40 103 104 238 7 1 4,01 2,29 104 105 732 20 3 3,73 2,24 105 106 520 11 5 2,88 5,24 123 124 130 2 0 2,10 0,00 139 140 1270 20 4 2,15 1,72 140 141 1065 23 7 2,94 3,59 141 142 431 13 1 4,11 1,27 142 143 912 30 11 4,49 6,58 143 144 529 8 2 2,06 2,06 144 145 311,5 5 2 2,19 3,50 145 146 541 11 3 2,77 3,02 146 147 240 4 0 2,27 0,00 147 148 525 12 4 3,12 4,16 148 149 905 24 7 3,62 4,22 149 150 90 6 4 9,09 24,24 150 151 275 10 2 4,96 3,97 156 157 565,3 15 4 3,62 3,86 162- SE1 98,7 36 7 5,55 7,77

4 Alguns aspectos interessantes foram observados: Diferenças significativas nas densidades de descargas ao longo da linha, a despeito do pequeno comprimento da mesma. A densidade de strokes nos diferentes vãos ao longo da linha apresentou diferenças mais significativas quando utilizada uma área de análise (faixa ao longo da linha) de 250m de comprimento. Em áreas com comprimentos maiores (1 km), esta densidade tende a ser um pouco mais uniforme. A densidade média de descargas por vão, utilizando-se a faixa de 250m de comprimento ao longo da linha foi de 3,51 strokes/km 2 /ano. Diferenças na quantidade de fluxos de corrente em cada torre, considerando-se o número de strokes incidentes nos vãos (Média de 7,65 strokes/vão na linha em estudo). Este número tende a variar mais que a densidade de strokes nos vãos, pois os vãos possuem diferentes comprimentos. 3.2 - Sobretensão Relativa A Tabela 3 apresenta os valores considerados para cálculo da tensão de referência do Índice de amplitude da sobretensão resultante, observando-se as particularidades da linha em estudo. TABELA 3 CONSIDERAÇÕES PARA A LT EM ESTUDO. Parâmetro Valor Impedância de surto da torre Z t = 200 Ω Valor de pico da corrente de retorno da I p =45 ka i descarga Valor de pico mediano da corrente que I p 22,5 ka ii flui nas torres Tempo de frente da forma de onda de t f = 5 µs i corrente de descarga NOTAS: i. Valores medianos da corrente de descarga obtidos em medições realizadas na Estação Morro do Cachimbo ii. I p mediano/2, considerando-se que a corrente de descarga incidente no vão divide-se em duas partes, chegando ao solo através das torres componentes do vão. Utilizando-se a equação (6), obteve-se uma sobretensão de referência V max referência = 907,5 kv. Calculando-se o índice de amplitude da sobretensão relativa (I AMP ) para cada torre, observou-se grande variação desses valores. A Tabela 4 apresenta os maiores valores de sobretensão calculados. 3.3 Índice de Severidade Finalmente, a Tabela 5 apresenta as trinta primeiras torres ordenadas pela amplitude do Índice de Severidade, influenciado tanto pelos parâmetros de incidência de descargas quanto pelos parâmetros da linha de transmissão que influenciam na resposta da mesma frente a eventuais descargas. Observa-se grande dispersão entre a primeira torre selecionada (I SEV = 9,66) e a trigésima torre (I SEV = 2,15). TABELA 4 ÍNDICE DE AMPLITUDE DA SOBRETENSÃO RELAÇÃO DAS 20 TORRES COM MAIORES I AMP. Nº Torre I AMP Nº Torre I AMP 1 120 6,81 11 99 3,98 2 124 5,61 12 125 3,88 3 81 5,36 13 106 3,86 4 103 5,06 14 144 3,80 5 122 4,88 15 107 3,75 6 82 4,76 16 143 3,64 7 104 4,76 17 98 3,62 8 123 4,46 18 134 3,04 9 129 4,35 19 92 3,03 10 78 4,16 20 105 2,99 Objetivando uma verificação da eficiência da metodologia proposta, as torres selecionadas pelo Índice de Severidade foram comparadas aos dados de localização de faltas da linha no período em estudo (outubro de 1998 a junho de 2002) obtidos por dispositivo Localizador de Faltas e associados a descargas. A Tabela 6 apresenta os catorze desligamentos registrados no período. Destes, onze desligamentos foram localizados. Oito desligamentos ocorreram mais de uma vez no mesmo vão. Não parece coincidência que de oito (ou nove) ocorrências, houvesse quatro repetições de desligamento nos vãos considerados. Trata-se de uma tendência. Todos os desligamentos repetidos se referem a vãos onde estão as dezesseis primeiras torres selecionadas pelo Índice de Severidade, como pode ser observado na Tabela 7. TABELA 5 TORRES DA LT GUILMAN AMORIM - IPATINGA 1 SELECIONADAS PELO ÍNDICE DE SEVERIDADE Ordem Torre I SEV Ordem Torre I SEV 1º 120 9,66 16º 129 3,26 2º 92 8,85 17º 86 3,08 3º 98 7,64 18º 105 2,98 4º 122 7,21 19º 85 2,85 5º 90 7,16 20º 97 2,69 6º 99 6,96 21º 87 2,66 7º 143 6,01 22º 93 2,57 8º 106 5,03 23º 77 2,53 9º 91 4,75 24º 125 2,38 10º 89 4,74 25º 104 2,38 11º 78 4,42 26º 82 2,25 12º 142 4,29 27º 148 2,21 13º 107 3,42 28º 124 2,19 14º 88 3,38 29º 139 2,17 15º 84 3,27 30º 95 2,15

5 TABELA 6 DESLIGAMENTOS REGISTRADOS DA LT DE 230 KV Desligamentos da LT Guilman Amorim Ipatinga 1 Vão onde Data Hora ocorreu a falta 20/12/1998 18:24 ------- 30/01/1999 14:12 -------- 22/12/1999 15:09 -------- 31/01/2000 15:32 142 143 09/02/2000 04:38 142 143 20/08/2000 13:37 129 130 06/10/2000 18:00 102 103 19/11/2000 20:05 77 78 10/12/2000 13:42 78 79 08/02/2001 14:59 94 95 08/02/2001 14:59 91 92 10/03/2001 16:51 129 130 17/12/2001 23:41 130 131 19/12/2001 17:19 91 92 NOTA: Dados obtidos por dispositivo Localizador de Faltas (GT/PO CEMIG) TABELA 7 ANÁLISE ÍNDICE DE SEVERIDADE X DADOS DE FALTAS Torre Classificação Número de pelo Índice de Vão desligamentos Severidade 92 2º 91-92 Duas vezes 143 7º 142-143 Duas vezes 78 11º 77 78 e 78-79 Duas vezes 129-130 Duas ou 129 16º 130 131 ou 129 130? três vezes? Não se pode deixar de mencionar que, nesta linha estudada, das 85 estruturas analisadas, pelo menos 24 torres apresentam resistência de aterramento superior a 90Ω. Em caso de incidência de descargas atmosféricas em uma dessas torres (ou seus vãos), haveria probabilidade significativa de ocorrência de back-flashover. 4.0 - CONCLUSÕES Os resultados obtidos pela aplicação do Índice de Severidade apresentaram excelente concordância com aqueles indicados por dispositivo Localizador de Faltas. Tal fator credita consistência à metodologia proposta para seleção de torres críticas. Caso, previamente às ocorrências, tivesse havido ação de proteção eficiente nas primeiras dezesseis torres selecionadas pelo Índice de Severidade (instalação de dispositivo pára-raios, melhoria de aterramento etc), muito provavelmente oito dos onze desligamentos registrados não teriam ocorrido. dispositivos pára-raios apenas nas torres selecionas, as quais representam os pontos vulneráveis da linha. A utilização da metodologia é particularmente recomendável para correção de linhas com baixo desempenho frente a descargas e na etapa de projeto de novas linhas. 5.0 - REFERÊNCIAS: [1] Global Atmospherics, Incorporation; Fault Analysis and Lightning Location System FALLS User s Guide, Document number 40144 REV 0005, Product version 3.1, Manual revision date: May 19,2000. [2] VISACRO F., S; SOARES, A.J; SILVEIRA, F.H; SCHROEDER, M.A; MESQUITA, C.R; MURTA VALE, M.H; Performance Of Guyed Towers Concerning Lightning Overvoltage Stresses Over Transmission Line Insulators Proceedings of ICLP 2002 International Conference on Lightning Protection Cracow, Poland, September 2002. [3] DIAS, R.N; Aplicações do SLT em Proteção Elétrica: Constituição de Base de Dados para Análise de Incidência de Descargas Atmosféricas em Linhas de Transmissão"; Dissertação de Mestrado - Orientador: Silvério Visacro Filho, PPGEE Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, Brasil, 29 de Julho de 2002. [4] VISACRO F., S; DIAS, R.N; MESQUITA, C.R; CAZETTA, A; DO CARMO, L. S; A Novel Approach for Determining Localized Actions for TL Lightning Protection Using Data Provided by Lightning Location System ; Proceedings of International Conference on Grounding and Earthing and 3 rd Brazilian Workshop on Atmospheric Electricity (GROUND 2002 & 3 rd WAE), Rio de Janeiro, Brasil November 4-7, 2002. [5] KOSMAC, J; DJURICA, V; Real-time Powerline Outage to Lightning Location Correlator ; Proceedings of the ILDC-International Lightning Detection Conference, Arizona, USA, November 2000. [6] CUMMINS, K.L., KRIDER, E. P; MALONE, M.D; "The U.S. National Lightning Detection Network and Applications of Cloud-to Ground Lightning Data by Electric Power Utilities", IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, Vol. 40, pp. 465-480, No. 4,November 1998. [7] KAPPENMAN, J.G; VAN HOUSE, D.L; "Location- Centered Mitigation of Lightning-Caused Disturbance", IEEE Computer Applications in Power, Vol. 9, pp 36-40, July 1996. O Índice de Severidade permite a utilização de investimentos localizados na engenharia de proteção. Otimizam-se os custos de forma a garantir o bom desempenho da linha; por exemplo, pode-se instalar