SOBRETENSÕES ATMOSFÉRICAS EM SUBESTAÇÕES: UMA ANÁLISE PARAMÉTRICA. Lêda Sandriny Correia Batista

Universidade Federal de São João Del Rei DEPEL - Departamento de Engenharia Elétrica SOBRETENSÕES ATMOSFÉRICAS EM SUBESTAÇÕES: UMA ANÁLISE PARAMÉTRICA Lêda Sandriny Correia Batista 0609024-9 Trabalho Final de Curso submetido à banca examinadora designada pelo Colegiado do Curso de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de São João del-rei como requisito parcial para obtenção do Bacharelado em Engenharia Elétrica. Orientador: Marco Aurélio de Oliveira Schroeder São João del-rei Dezembro 2011

Agradecimentos A Deus, fonte de toda sabedoria e poder, o qual me concedeu, pela sua bondade e eterna providência, o privilégio de concluir esta etapa em minha vida. Ao meu orientador Marco Aurélio de Oliveira Schroeder, pela paciência e disposição em ajudar, que resultaram em um crescimento profissional. Aos meus pais, Maria Batista e Juarez de Souza, aos meus irmãos Juarez Fagner e Mario Henrique, pela paciência, companheirismo, amizade e amor dedicado ao longo de todos os anos (razões e alicerces de minha vida). Aos amigos, funcionários e professores da UFSJ pela convivência e paciência. Aos colegas da Turma Engenharia Elétrica Noturno 2006 pela amizade e por tudo que vivemos juntos. Aos meus amigos, do Ministério Universidades Renovadas, que se tornaram minha segunda família, aliviando minha caminhada, minha saudade de casa e sendo luz em minha vida. Aos todos meus amigos. Milagres pela amizade e momentos de descontração. A todos que foram importantes direta ou indiretamente nesta caminhada. 2

SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO... 5 1.1 Relevância do tema em investigação... 5 1.2 Contextualização... 5 1.3 Objetivos... 6 1.3.1 Objetivos Gerais... 6 1.3.2 Objetivos Específicos... 6 1.4 Metodologia... 6 1.5 Organização do Texto... 7 2. DESCARGAS ATMOSFÉRICAS E SUA MODELAGEM... 7 2.1 Introdução... 7 2.2 O fenômeno descarga atmosférica... 8 2.3 Os efeitos das descargas no sistema elétrico... 10 2.4 A interação das descargas atmosféricas com o sistema elétrico... 11 2.4.1 Descargas diretas... 11 2.4.2 Descargas indiretas... 11 2.5 Modelagem de Descargas Atmosféricas... 12 2.6 Conclusão... 12 3. COORDENAÇÃO DE ISOLAMENTO EM SUBESTAÇÕES... 13 3.1 Introdução... 13 3.2 Modelagem de Transformadores... 13 3.3 Sistemas de Proteção Utilizados em Subestações... 14 3.3.1 Centelhadores... 14 3.3.2 Evolução dos Dispositivos de Proteção... 14 3.3.3 Para-raios de ZnO... 16 3.4 Estudo de Normas... 16 3.4.1 Norma CEI 60071-1... 16 3.4.2 Norma IEEE Std 1313... 17 3.5 Conclusão... 17 4. RESULTADOS... 18 4.1 Introdução... 18 4.2 Estudo de Casos Preliminares... 18 4.2.1 Subestação sem proteção... 19 4.2.2 Subestação com Centelhador na Entrada... 19 4.2.3 Subestação com Centelhador próximo ao Transformador... 20 4.2.4 Subestação com pára-raios de ZnO na entrada... 21 4.2.5 Subestação com um pára-raios próximo ao transformador e um centelhador na entrada... 21 4.2.6 Subestação com um centelhador próximo ao transformador e um para-raios na entrada... 22 4.2.7 Subestação com um para-raios na entrada e outro próximo ao transformador... 22 4.2.8 Subestação com um pára-raios na entrada e outro próximo ao transformador desconsiderando a 23 impedância de surto do sistema de aterramento... 4.2.9 Subestação com um pára-raios ZnO instalado na barra, centelhador na entrada e dois 23 transformadores de potência... 4.2.10 Subestação com quatro linhas, centelhadores nas entradas e dois transformadores de potência.. 24 4.3 Estudo de caso de uma Subestação Real... 25 4.3.1 Subestação Betim 4 sem proteção... 26 4.3.2 Subestação Betim 4 com Centelhadores nas entradas, sem pára-raios... 26 4.3.3 Subestação Betim 4... 27 4.4 Conclusão... 28 5. CONCLUSÃO... 29 5.1 Principais Resultados... 29 5.2 Propostas de Trabalhos Futuros... 29 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 30 3

Resumo As descargas atmosféricas são fenômenos naturais que podem ocasionar sérios problemas ao sistema de transmissão de energia elétrica e constitui-se a principal fonte de desligamentos não programados em linhas de transmissão com tensões nominais de até 230 kv. Ao longo dos anos, os fenômenos relacionados com as descargas atmosféricas têm sido alvo de diversos estudos que visam melhorar a qualidade de serviço e diminuir o número de avarias. As descargas atmosféricas ou raios que incidem sobre as linhas de alta ou média tensão produzem sobretensões que se propagam até as subestações, podendo deteriorar os isolamentos até o ponto de produzir sua perfuração. No presente trabalho, pretende-se estudar e analisar os efeitos das descargas atmosféricas, que incidem diretamente nas fases de linhas de transmissão, sobre as subestações. Adicionalmente, pretende-se, também, verificar o comportamento das descargas em causa e de seus dispositivos de proteção (para-raios e centelhadores). Este estudo é realizado por meio da utilização do Alternative Transients Program (ATP). A compreensão desses mecanismos pode subsidiar as ações de projeto de proteção das subestações, para melhorar o desempenho das mesmas frente a descargas, com redução da probabilidade de falha. Palavras-chave: ATPdraw; Descargas Atmosféricas; Sobretensões; Subestações; Para-raios e Centelhadores. 4

1. INTRODUÇÃO 1.1 Relevância do tema em investigação Os sistemas elétricos têm passado, em níveis mundiais, por grandes transformações em sua estrutura de mercado, pois a eletricidade está assumindo cada vez mais a função de vetor principal de suprimento das necessidades energéticas que asseguram o crescimento sustentado dos países. Ademais, asseguram também a competitividade de suas economias pelas suas características de confiabilidade, eficiência, disponibilidade e proteção ambiental, além da rapidez na recuperação de falhas e capacidade de transferência instantânea de grandes blocos de energia a grandes distâncias, propriedade que nenhuma outra forma ou fonte, atualmente em uso, possui [1]. Além disso, com o avanço da tecnologia, muitos estudos e técnicas estão sendo desenvolvidas para melhorar a qualidade de energia e a proteção das redes de transmissão e de distribuição devido a diversos distúrbios elétricos. Esses distúrbios no sistema de energia elétrica podem ser causados por correntes e tensões transitórias que surgem de ações de manobra, eliminação de faltas, variações de curta duração, transitórios típicos de energização ou mesmo de descargas atmosféricas. As descargas atmosféricas são causadas por fatores naturais que podem ocasionar sérios problemas ao sistema de transmissão de energia elétrica. O fenômeno constitui-se a principal fonte de interrupções das linhas de transmissão e das redes de distribuição de energia elétrica. As longas extensões de linhas de transmissão determinam uma probabilidade significativa de incidência direta de descargas atmosféricas nestas, com possibilidade de desligamento em decorrência da solicitação dos isoladores pelas sobretensões associadas [2]. As descargas atmosféricas ou raios que incidem sobre as linhas de alta ou média tensão podem também produzir sobretensões que se propagam até as subestações, podendo deteriorar os isolamentos até o ponto de produzir sua perfuração. Desta maneira, as sobretensões de origem atmosférica assumem um papel importante no dimensionamento dos isolamentos das instalações elétricas de alta tensão. Por isso, a importância de determinar os motivos que provocam a perturbação no sistema e adequar a suportabilidade dos equipamentos das subestações e linhas de transmissão frente aos transitórios ao qual o sistema está sujeito, para melhorar o desempenho do mesmo e reduzir a probabilidade de falha. 1.2 Contextualização No Brasil, as taxas de incidência de descargas atmosféricas são elevadas quando comparadas a outros países, devido a variações no clima e aos eventos extremos de chuva. Isto reforça a importância do estudo da interação de descargas atmosféricas com sistemas de energia elétrica, conforme destacado no item 1.1. Inserido neste contexto e devido à importância do tema, este trabalho busca compreender os efeitos que as descargas 5

atmosféricas causam no sistema elétrico, com ênfase na avaliação do comportamento transitório dos dispositivos de proteção das subestações, como para-raios e centelhadores. O Trabalho Final de Curso tem como um de seus pilares a aplicação dos conhecimentos adquiridos durante o curso. Logo, com base nesses conhecimentos, torna-se possível a realização de um projeto no qual apresenta um tema de interesse na área da Engenharia Elétrica. E, além de proporcionar o desenvolvimento de um projeto envolvendo conhecimento teórico, é possível modelar e simular um sistema a partir do software ATP (Alternative Transients Program) sendo este um programa que apresenta grandes aplicações na área da Engenharia elétrica. 1.3 Objetivos 1.3.1 Objetivos Gerais O objetivo geral do presente trabalho consiste em avaliar o comportamento de subestações e seus dispositivos de proteção frente a transitórios resultantes de descargas atmosféricas incidentes diretamente nas fases que se propagam nas linhas de transmissão até as subestações, utilizando o software ATP. Com os resultados obtidos, tem-se a intenção de caracterizar alguns parâmetros importantes para o desempenho de sistemas de proteção, como para-raios e centelhadores. Pretende-se com isso possibilitar a melhor avaliação do desempenho de subestações e seus equipamentos de proteção frente às descargas atmosféricas. 1.3.2 Objetivos Específicos Os objetivos específicos a serem obtidos a fim de que o objetivo principal seja alcançado são: Adquirir conhecimento teórico sobre transitórios eletromagnéticos, descargas atmosféricas e sobre o comportamento de importantes dispositivos de proteção de subestações, como centelhadores e para-raios. Entender o funcionamento de uma importante ferramenta de simulação de transitórios, o ATP. Modelar subestações e seus dispositivos de proteção frente a transitórios eletromagnéticos, resultantes de descargas atmosféricas incidentes diretamente nas fases que se propagam nas linhas de transmissão até as subestações. Identificar quais são os modelos mais confiáveis de para-raios e de centelhador. Conhecer normas técnicas para posicionamento de centelhadores e para-raios para a devida proteção dos transformadores de subestações. 1.4 Metodologia Espera-se que o presente trabalho seja desenvolvido de forma sistemática, de forma a entender a importância e a relevância do assunto proposto. Em um primeiro momento, é realizado um estudo do estado da arte sobre os diversos assuntos referentes ao tema, como 6

os transitórios eletromagnéticos e os diversos modelos de representação de descargas atmosféricas, transformadores, para-raios etc. Pode-se assim, avaliar os importantes dispositivos que representam uma linha de transmissão e que podem sofrer com as descargas atmosféricas. Além disso, pode-se entender o funcionamento de uma importante ferramenta de simulação de transitórios, o programa ATP. Conhecendo o problema e a capacidade do ATP para modelagem de dispositivos sujeitos a transitórios eletromagnéticos, são realizadas simulações computacionais em várias configurações do sistema, utilizando para-raios e centelhadores, para identificar quais são mais indicados e a efetividade do uso de cada um dos dispositivos. O trabalho permite o desenvolvimento de uma avaliação de atividades envolvendo conhecimento teórico, modelagem e simulação de um caso muito comum na engenharia. 1.5 Organização do Texto Este texto está organizado em cinco capítulos, incluindo este introdutório. Nos Capítulos 2 e 3 é apresentado o estado da arte. No segundo capítulo é realizada uma abordagem à teoria das descargas atmosféricas, onde é descrito o fenômeno físico, seu processo de formação, tipos, efeitos e sua interação com o sistema elétrico e por fim a modelagem adequada para efeito de simulação. O terceiro capítulo refere-se à coordenação de isolamento em subestações. É apresentada a modelagem de transformadores, os sistemas de proteção utilizados e as normas mais utilizadas. O Capítulo 4 é referente aos resultados obtidos ao longo do trabalho. São apresentados casos preliminares, com as respectivas modelagens utilizadas no ATP e resultados observados. Em seguida, é apresentado o sistema sob estudo modelado adequadamente no ATP e os resultados alcançados referentes à descarga atmosférica atuando sobre o sistema com diferentes equipamentos de proteção. Por fim, é apresentada uma conclusão descrevendo os principais resultados obtidos nesta parte do trabalho. No Capítulo 5, referente às conclusões, são tratados, primeiramente, dos principais resultados obtidos ao longo de todo o trabalho e, em seguida, são mostradas algumas propostas de continuidade referentes aos principais resultados obtidos. 2. DESCARGAS ATMOSFÉRICAS E SUA MODELAGEM 2.1 Introdução Os fenômenos físicos associados ao desencadeamento de descargas atmosféricas foram, desde sempre, alvo de interesse e de investigação, pois é um fenômeno que sempre existiu, fazendo parte da própria evolução e formação da Terra. Como mencionado no capítulo anterior, neste capítulo é apresentado o estado da arte, no qual é realizada uma abordagem à teoria das descargas atmosféricas. 7

O presente capítulo apresenta primeiramente a descrição da natureza do fenômeno físico, onde é descrito o seu processo de formação e os vários tipos de descargas atmosféricas (seção 2.2). A seção 2.3 apresenta, sucintamente, os principais efeitos das descargas no sistema elétrico e, em seguida, como ocorre a interação dessas com o sistema (seção 2.4). A seção 2.5 apresenta a modelagem adequada dessas descargas para efeito de simulação. E por fim, são apresentadas as principais conclusões obtidas no capítulo. 2.2 O fenômeno descarga atmosférica As descargas atmosféricas, ou raios como são popularmente conhecidas, são intensas descargas elétricas que ocorrem na atmosfera em um curto intervalo de tempo e cujo percurso varia de acordo com a natureza do raio [2]. O planeta apresenta uma dinâmica de processos elétricos e mecânicos que são responsáveis por manter o equilíbrio necessário a vida. A superfície terrestre, bem como a parte superior da estratosfera (entre 12 e 50 km acima do nível do solo) são bons condutores, formando um capacitor gigante tendo o ar como dielétrico. A superfície terrestre está carregada negativamente com um valor total de cerca de 10 6 Coulomb (densidade de cargas de 10-9 Coulomb/m 2 ), originando um campo elétrico de cerca de 120 V/m na superfície da terra, o qual vai diminuindo com a altura relativa ao solo e se anula a cerca de 10 km, conforme indicado na Figura 1. Como o dielétrico não é perfeito (contém íons, pequenas partículas de poeira e pequenas gotículas de vapor de água), os íons positivos movimentam-se em direção à terra, por ação do campo elétrico referido, enquanto os íons negativos seguem trajetórias opostas. A densidade de corrente elétrica, assim obtida, tem um valor médio de 3,5 x 10-12 A/m 2 à qual corresponde, na totalidade da superfície terrestre, uma intensidade de corrente elétrica muito alta (entre 750 e 2000 A) [2]. No estado atual de conhecimento, é consenso que as nuvens de trovoada, denominadas cumulus nimbus, são constituídas por gotas de água na parte inferior e por partículas de gelo na parte superior, tendo uma base de várias dezenas de quilômetros quadrados situada a uma altura média de 1 a 2 quilômetros. Apresentam um elevado desenvolvimento vertical, podendo atingir de 10 a 20 quilômetros acima da base, resultando numa massa total de algumas centenas de milhares de toneladas. Na sua formação, estão envolvidas fortes correntes de ar provocadas pelo elevado gradiente térmico existente entre a base e o topo. Estas correntes de ar, ascendentes e descendentes, cuja velocidade pode ultrapassar 20 m/s, vão originar uma separação de parte das gotículas de água existentes na nuvem. À medida que sobem, as gotículas transformam-se em cristais de gelo os quais, ao colidir entre si, originam cargas elétricas positivas e negativas, ficando as gotículas de água carregadas negativamente e o ar circundante carregado positivamente [2]. 8

Com a formação ou aproximação de uma nuvem de trovoada, o campo elétrico na superfície do solo começa a inverter-se e cresce rapidamente, por influência das cargas negativas dispostas na base da nuvem. Quando a intensidade do campo elétrico atinge um valor suficientemente elevado é eminente uma descarga para o solo [3]. A ocorrência desta poderá ser facilitada pela existência de irregularidades no terreno, naturais ou não (sistemas elétricos, colinas, árvores ou casas) que podem criar um efeito de ponta, ou seja, provocar um aumento acentuado da intensidade do campo elétrico que favorecerá o rompimento da rigidez dielétrica do ar, determinando o aparecimento de uma descarga nesse ponto, que constitui um canal ionizado de plasma [2]. Figura 1: Nuvem Cumulus nimbus e campo elétrico que ela provoca no solo [3]. Figura 2: Representação de uma descarga Atmosférica [2]. Esse primeiro canal ionizado cria condições favoráveis para o surgimento de novos canais que podem evoluir em passos de 50 m, em intervalos de 50 us. Quando o canal se aproxima da terra, o campo elétrico aumenta até atingir o valor critico, iniciando no solo uma descarga ascendente que se desloca ao encontro do canal descendente com uma velocidade crescente à medida que ambos se aproximam (Figura 2). Quando ambos se encontram, forma-se um canal ionizado através do qual se escoa para a terra uma corrente de elevada amplitude sob a forma de um arco elétrico intensamente iluminado, designado por arco de retorno. Após a primeira descarga outras podem surgir (descargas secundárias ou subsequentes), aproveitando o canal ionizado formado [2]. O valor máximo instantâneo da intensidade da corrente é considerado, frequentemente, o parâmetro mais importante na caracterização de descargas atmosféricas. O estudo rigoroso e sistemático de descargas atmosféricas deverá ter por base, além da amplitude, a probabilidade de ocorrência, o número de descargas secundárias e a forma de onda da corrente, designadas por tempo de frente e tempo de cauda. O tempo decorrido desde o instante inicial até o valor máximo de amplitude é designado por tempo de frente, sendo o instante em que, na fase de decrescimento da onda, se atinge 50% do valor de pico, 9

designado por tempo de cauda. Estes tempos, juntamente com a amplitude, são usados normalmente para caracterizar as diversas ondas de descarga. As descargas negativas oferecem uma enorme variedade de combinações de correntes, com amplitudes e durações diversas, apresentando frentes de onda bastante irregulares com duração de 10 a 20 μs. As descargas positivas são normalmente constituídas por uma única descarga, de duração compreendida entre 100 e 200 μs, com uma frente de onda de 20 a 50 μs e uma amplitude de corrente que pode atingir valores superiores a 100 ka. Devese notar, ainda, que as descargas secundárias originam formas de onda com frentes de menor duração, com menor amplitude e com caudas bastante regulares [2]. O percurso do canal de descarga pode constituir diferentes caminhos de fluxo de corrente que conectam centros de cargas de sinais opostos. A maior parte de descargas atmosféricas ocorre internamente às nuvens, através de canais ionizados que interligam seus centros de cargas de sinais diferentes (descargas intra-nuvem). Uma parcela das descargas atmosféricas ocorre mediante a constituição de um canal de conexão entre centros de cargas negativas e positivas de nuvens diferentes (descargas entre nuvens). As descargas nuvem-solo são aquelas que despertam maior interesse, pois o fluxo da corrente de retorno pelo canal de descarga estabelecido entre nuvem e solo é capaz de determinar condições severas de risco para a vida e para a sociedade na superfície da terra. Estima-se que o percentual de descargas desta natureza seja de 20% do total das descargas atmosféricas [2]. 2.3 Os efeitos das descargas no sistema elétrico Apesar de toda a beleza natural existente na complexidade desses fenômenos, os raios podem causar muitos prejuízos à sociedade, pois ao atingir seres vivos, prédios, estruturas e sistemas elétricos, os raios podem gerar destruição, incêndio e, eventualmente, morte. A ação das descargas atmosféricas em redes aéreas de distribuição/transmissão de energia vem sendo estudada durante décadas, pois, incidem sobre as linhas de alta ou média tensão produzindo sobretensões que se propagam até as subestações. Essas sobretensões, de origem atmosférica podem ser provenientes de descargas diretas sobre a linha ou induzidas por descargas que atingem o solo [3]. As descargas atmosféricas constituem o principal fator de desligamento não programado de linhas de transmissão. Esse fenômeno é responsável por cerca de 70% dos desligamentos e pelos danos causados em redes elétricas de nível de tensão reduzido, como as de telecomunicações. A extensão elevada das linhas e a usual altura em relação ao solo determinam uma área de incidência muito ampla. Isto torna significativa a probabilidade de ocorrência de incidência de descarga direta na linha. Esta questão adquire maior importância especialmente nos sistemas elétricos de potência existentes no Brasil, já que as linhas de transmissão são muito longas [2]. 10

Por outro lado, os efeitos devido à incidência de descargas nas proximidades das redes elétricas são muito menores do que aqueles originados por incidência direta. No entanto, sua frequência de ocorrência é muito superior. Isto torna as sobretensões induzidas o fator crítico de avaliação de desempenho de redes de distribuição. Além disso, tais redes podem atuar como agente de introdução dos correspondentes surtos atmosféricos nas unidades consumidoras alimentadas, sendo capazes de causar danos [2]. 2.4 A interação das descargas atmosféricas com o sistema elétrico 2.4.1 Descargas diretas O desligamento da linha de alta tensão devido a descargas pode ocorrer de duas maneiras: a incidência direta de cabos energizados (fases) e a incidência nos cabos pararaios. O mecanismo de ruptura do isolamento associado à incidência direta de descargas numa linha de transmissão é designado descarga disruptiva no isolamento, ou flashover. Quando a descarga incide na linha, a corrente de retorno se divide em duas parcelas de amplitude aproximadamente iguais (I p/2). Para cada lado da linha se propaga uma onda de corrente, cuja amplitude vale aproximadamente metade da corrente incidente (Figura 3). Este tipo de incidência pode ocorrer na situação em que a linha de transmissão não possui cabos de blindagem ou devido à falha no sistema de blindagem. Em linhas de transmissão trifásica, têm-se dois cabos de blindagem. Tais cabos são posicionados sobre os condutores das fases, segundo uma configuração geométrica que objetiva assegurar a interceptação de eventuais descargas, que na ausência dos mesmos poderiam incidir diretamente sobre os condutores das fases. Os cabos de blindagem são ligados ao solo em cada estrutura, seja por conexão elétrica ou por meio de cabos de descida conectados ao aterramento da linha. Desta forma, direcionam para o solo as correntes de eventuais descargas incidentes. Ao evitar a incidência direta de descargas no cabo fase, os condutores de blindagem previnem os efeitos de ruptura de isolamento descritos anteriormente (flashover). Eventualmente, mesmo com tais precauções, pode ocorrer a falha do isolamento da linha, segundo um mecanismo de natureza diferente daquele já descrito: descarga disruptiva de retorno, ou backflashover [2]. 2.4.2 Descargas indiretas Os efeitos mais frequentes decorrentes das descargas atmosféricas são aqueles induzidos por uma descarga incidente nas proximidades do sistema. Esta é usualmente designada descarga indireta ou próxima. A correspondente onda eletromagnética é capaz de induzir vários efeitos nesse sistema. Tais efeitos podem se expressar por meio da absorção da energia irradiada, causando interferência eletromagnética, ou pela geração de tensão induzida em percursos condutores fechados e em corpos condutores atingidos pela onda eletromagnética [2]. 11

Linhas com cabos para-raios e de tensão nominal maior do que 69 kv, geralmente têm isolamento suficiente para impedir a ocorrência de descargas para tensões impulsivas da ordem de 500 kv. Entretanto, na maioria dos casos, linhas abaixo de 69 kv, não têm cabos para-raios e, logo, estão sujeitas a falharem por surtos de tensão induzidos por descargas indiretas. 2.5 Modelagem de Descargas Atmosféricas A forma de onda da corrente de descarga atmosférica pode ser modelada em função de valores típicos, como pico de corrente, tempo de frente, tempo de meia onda e derivada da corrente em relação ao tempo. A forma de onda da corrente de uma descarga atmosférica proposta pela CIGRÉ está representada na Figura 4 [3]. Contudo, em termos práticos esta forma de onda é simplificada (por funções analíticas). Dentre as disponíveis, a que melhor representa um surto atmosférico é a função de Heidler [2]. Contudo, na maior parte das aplicações, as mais utilizadas são: rampa triangular e dupla exponencial [4]. Neste trabalho, a descarga atmosférica é modelada por uma rampa triangular (frente de onda e magnitude da corrente). A amplitude da corrente de descarga (pico de corrente) representa o máximo valor alçando pela corrente e corresponde ao parâmetro mais importante da descarga atmosférica, pois quanto maior a corrente de pico, maior será o dano causado no sistema. Figura 3: Linha trifásica, sem cabos de blindagem sendo atingida diretamente por uma descarga atmosférica. Adaptada de [5]. Figura 4: Parâmetros de tempo de onda de descarga. Adaptada de [3]. 2.6 Conclusão Este capítulo aborda o fenômeno, os efeitos, a interação e modelagem das descargas atmosféricas no sistema elétrico. Esta etapa do trabalho permite desenvolver os conhecimentos acerca de importantes fenômenos que ocorrem na natureza e como eles afetam os sistemas elétricos. É de suma importância conhecer e entender como ocorrem as descargas atmosféricas, para assim procurar as melhores soluções para proteger os equipamentos de uma subestação, pois como visto, os surtos atmosféricos, associados à incidência de raios em linhas de transmissão, podem propagar pelas mesmas e atingir uma subestação. 12

3. COORDENAÇÃO DE ISOLAMENTO EM SUBESTAÇÕES 3.1 Introdução O estudo de coordenação de isolamento em subestações visa quantificar os níveis de sobretensão a que podem estar sujeitos os diversos equipamentos, para assim adequar os dispositivos necessários para proteção do sistema elétrico. Dentre esses dispositivos de proteção se destacam os para-raios, que em sistemas de potência desempenham um importante papel em limitar o nível de tensão, conduzindo o excesso de corrente do sistema para a terra, quando ocorrem grandes perturbações. Os estudos de coordenação de isolamento demandam um nível de detalhamento rigoroso para os diversos elementos que compõem o sistema elétrico sob estudo, e não somente dos para-raios, de forma a representar, com a maior precisão possível, os fenômenos físicos associados, que a depender das características do sistema e da sua causa primária podem abranger uma extensa faixa de frequência, sendo resultado da combinação de ondas viajantes em linhas de transmissão, cabos e barramentos, e de oscilações em transformadores, capacitores, indutores, resistores, e outros componentes [6]. Neste capítulo, é apresentada uma avaliação dos principais dispositivos que compõem uma subestação, como transformadores, centelhadores e para-raios. Além disso, apresenta o resumo das principais normas utilizadas no posicionamento de centelhadores e para-raios para a devida proteção dos transformadores de subestações. 3.2 Modelagem de Transformadores Os transformadores são os principais equipamentos que compõem uma subestação, além de serem os mais caros. Por meio dos transformadores é possível interligar redes de diferentes níveis de tensão, desde o sistema de geração, passando pelo sistema de transmissão, até chegar ao sistema de distribuição. Por este motivo, exige-se que sejam equipamentos de alta confiabilidade. Um dos dispositivos utilizados para proteção dos transformadores são os para-raios. Apesar desta proteção, as sobretensões transitórias, caracterizadas por frentes de onda rápidas ou muito rápidas, são capazes de produzir excitações oscilatórias, mesmo que de baixa amplitude, nos enrolamentos, ou em parte deles, podendo superar a capacidade dielétrica de seus isolamentos e interferir no funcionamento do transformador [7]. No estudo de sobretensões transitórias em transformadores, via simulação digital utilizando o ATP a representação do transformador é determinante e depende significativamente da faixa de frequência associada ao evento transitório sob análise. No atual estágio de desenvolvimento, não se dispõe de um modelo computacional válido para todos os fenômenos transitórios em todas as faixas de frequências [8]. 13

Na modelagem matemática de transformadores a impedância de curto-circuito, a saturação do núcleo ferromagnético e as perdas no ferro (por histerese e correntes parasitas) são variáveis determinantes em estudos de manobras. Entretanto, no caso de transitórios rápidos e muito rápidos, em que as frequências envolvidas podem variar de 10 khz até 3 MHz, os acoplamentos capacitivos se tornam predominantes frente às demais variáveis [8]. Nestes estudos, um dado transformador pode ser representado por uma capacitância concentrada para a terra (modelo tradicionalmente utilizado em estudos de coordenação de isolamento), por uma rede de capacitâncias concentradas (modelo mais preciso fornecido pelo fabricante, considerando as capacitâncias internas e externas), ou por um modelo equivalente que considere a dependência com a frequência para a admitância (ou impedância) de entrada do transformador (comumente denominado de Black box model), obtido a partir de medições [7]. Neste trabalho, considera-se o modelo tradicionalmente utilizado em estudos de coordenação de isolamento, qual seja, a representação do transformador por meio de uma capacitância concentrada para terra. 3.3 Sistemas de Proteção Utilizados em Subestações 3.3.1 Centelhadores Os centelhadores são os dispositivos mais antigos de proteção contra sobretensões utilizados nas redes elétricas. São constituídos essencialmente por dois eletrodos separados pelo ar, encontrando-se um deles, ligado ao condutor a proteger e o outro ligado à terra. O intervalo de ar que separa os dois eletrodos é regulado de forma a provocar uma descarga para a terra, limitando as sobretensões na rede que ultrapassarem o nível de proteção pretendido, ou seja, o nível de isolamento dos equipamentos [9]. Quando uma sobretensão alcança o centelhador há o disparo, limitando a sobretensão nos equipamentos protegidos por aquele dispositivo. Os centelhadores têm sido muito utilizados devido ao seu baixo custo e porque podem ser facilmente ajustáveis, dado que as suas características podem ser adaptadas de acordo com a altitude do local onde são instalados, devido à sua simplicidade e à sua robustez. Entretanto, estes dispositivos apresentam alguns inconvenientes, como o estabelecimento de um curto-circuito no sistema quando atua, o qual deve ser eliminado pela proteção do sistema para não haver o desligamento do sistema. Além disso, os níveis de proteção variam com as condições atmosféricas (umidade e densidade relativa do ar), se não ajustados de maneira adequada, podem não fornecer proteção necessária e a operação do centelhador provoca ruído apreciável [9]. 3.3.2 Evolução dos Dispositivos de Proteção Apesar de sua importante missão, os para-raios são equipamentos simples do ponto de vista construtivo e de pequenas dimensões, quando comparados aos equipamentos que 14

protegem. Um para-raios é constituído de um elemento resistivo não linear (composto por carboreto de silício - SiC) associado ou não a um centelhador em série e em operação normal é semelhante a um circuito aberto. Quando ocorre uma sobretensão o centelhador dispara e uma corrente circula pelo resistor não linear, impedindo que a tensão nos seus terminais ultrapasse um determinado valor. É possível a eliminação do centelhador, utilizando-se somente o resistor não linear (à base de óxido de zinco - ZnO). Logo, atuam como limitadores de tensão, impedindo que valores acima de um determinado nível préestabelecido possam alcançar os equipamentos para os quais fornecem proteção. A Figura 5 apresenta, a título de ilustração, o processo evolutivo dos dispositivos de proteção. Figura 5: Evolução dos Dispositivos de Proteção Contra Sobretensões [10]. A Figura 5a está indicando o centelhador. Com o objetivo de evitar o estabelecimento de um curto-circuito no sistema e seus inconvenientes, foi desenvolvido o para-raios mostrado na Figura 5b. Este para-raios consiste de um resistor não linear em série com o centelhador, de forma a limitar a corrente de descarga. São normalmente utilizados em sistemas de distribuição e de alta-tensão e a corrente de descarga só é interrompida quando a tensão passa por zero [10]. Normalmente, os resistores não lineares têm resistências muito elevadas, acarretando uma tensão residual elevada nos terminais do para-raios. Na prática, este problema não é preocupante porque os equipamentos desta faixa de tensão são projetados com níveis de isolamento elevados. Com o crescimento das tensões dos sistemas de transmissão, os para-raios tiveram o seu desenvolvimento acelerado e os pararaios com gap" ativo constituíram um estágio importante deste processo. A Figura 5c apresenta, esquematicamente, este tipo de equipamento [10]. A Figura 5d apresenta o estágio atual de desenvolvimento dos para-raios, sendo utilizados apenas blocos de resistores não lineares na sua construção. Considerando-se a expressão I = KV n para a característica do resistor não linear, pode ser verificado que o SiC tem o expoente da ordem de 4, enquanto que o ZnO de 25. Esta alta não linearidade do ZnO permitiu o abandono do "gap" anteriormente necessário para os para-raios convencionais, simplificando tremendamente a construção dos para-raios e aumentando bastante a confiabilidade destes equipamentos [10]. 15

3.3.3 Para-raios de ZnO O desenvolvimento de resistores não lineares, baseado no ZnO, modificou inteiramente a tecnologia de construção de para-raios, devido a sua característica não linear permitir a fabricação sem centelhadores de qualquer espécie. As principais vantagens dos para-raios ZnO em relação aos convencionais são as seguintes: - simplicidade na construção, o que aumenta a confiabilidade; - melhor nível de proteção, devido à ausência de gaps ; - melhor desempenho sob contaminação; - maior capacidade de absorção de energia; - possibilidade de dividir a energia entre outros para-raios instalados na subestação; - facilidade de operar de forma suave, bem como sair de operação. A seleção de um para-raios ZnO deve ser efetuada considerando-se a tensão normal de operação, as sobretensões de longa e curta duração e as sobretensões do tipo manobra. Contudo, a tensão normal de operação corresponde, geralmente, à solicitação que prevalece na determinação da tensão nominal. As sobretensões de longa duração e as sobretensões de manobra estão mais associadas à quantidade de colunas. A energia absorvida é muito dependente das características do para-raios e dos detalhes do sistema elétrico, inclusive, de outros para-raios conectados nas proximidades do ponto de aplicação, e só pode ser adequadamente determinada por meio de um estudo de surtos de manobra bastante criterioso [10]. 3.4 Estudo de Normas Para assegurar que simulações sejam coerentes com a realidade, o trabalho procura aplicar normas nacionais e internacionais para a devida coordenação de isolamento em subestações. Para isso, foi feito um estudo das principais normas adotadas com o objetivo de garantir a confiabilidade dos resultados obtidos. 3.4.1 Norma CEI 60071-1 Segundo a CEI/IEC (Internacional Electrotechnical Comisson), o procedimento para coordenação de isolamento consiste na determinação da tensão máxima do equipamento (Um), bem como um conjunto de valores normalizados de tensão suportável nominal (Uw), que caracterizam o isolamento necessário para uma aplicação. Um conjunto de valores normalizados de tensão suportável nominal (Uw) constitui um nível nominal de isolamento. Se um nível nominal de isolamento estiver associado a uma tensão máxima de equipamento (Um), este conjunto constitui um nível de isolamento padrão [11]. A seleção do nível nominal de isolamento consiste na seleção do conjunto mais econômico de valores normalizados de tensão suportável nominal (Uw), suficiente para comprovar todas as tensões suportáveis. É escolhida a tensão máxima do equipamento (Um) maior ou igual à tensão eficaz máxima do sistema em regime nominal (Us) [11]. 16

Para caracterizar totalmente um nível de isolamento, só são necessários os seguintes valores normalizados de tensão suportável nominal (Uw) [11]: Para equipamento na classe I - 1kV < Um < 245 kv distribuição e transmissão: - Sobretensões de frente rápida (descargas atmosféricas) e temporária. Para equipamento na classe II - Um > 245 kv transmissão: - Sobretensões de frente rápida (descargas atmosféricas) e de frente lenta. 3.4.2 Norma IEEE Std 1313 Segundo a IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), o procedimento para coordenação de isolamento consiste na determinação das solicitações dielétricas e na seleção do isolamento que garanta uma determinada probabilidade de contornamento. A determinação das solicitações dielétricas do sistema comporta a determinação da amplitude, forma e duração das mesmas. Esta análise deve fornecer as solicitações para cada uma das seguintes classes de sobretensões: temporárias, de manobra, atmosféricas e longitudinais [11]. Para comparar as sobretensões com a suportabilidade dielétrica, esta tem de ser modificada devido à forma não normalizada das sobretensões e das condições atmosféricas. A seleção de um nível de isolamento nominal consiste na seleção de valores normalizados de tensão suportável de isolamento que proporcione uma margem suficiente acima do limite da solicitação das sobretensões do sistema [11]. O nível de isolamento básico em face de impulsos atmosféricos (BIL) e o nível de isolamento básico em face de impulsos de manobra (BSL) são estabelecidos pela norma. Classe I: média (1 kv < Vm < 72,5 kv) e alta (72, 5 kv < Vm < 242 kv). Classe II: alta e muito alta (Vm > 242 kv). O nível de isolamento padrão do equipamento é, geralmente, dado por um conjunto de valores normalizados de tensão suportável [11]. 3.5 Conclusão A coordenação de isolamento é o processo que visa quantificar os níveis de sobretensão a que podem estar sujeitos os diversos componentes em um sistema de energia, bem como seus mecanismos. É a seleção de uma estrutura de isolamento que irá suportar sobretensões ao qual o sistema será submetido, juntamente com os dispositivos de proteção utilizados. Por isso, neste capitulo foi possível desenvolver conhecimento acerca de importantes equipamentos encontrados em subestações, como transformadores e os dispositivos de proteção mais utilizados, centelhadores e para-raios. Foi possível compreender seu funcionamento e como é feita sua modelagem. O processo de coordenação é determinado a partir das características conhecidas desses equipamentos. Além disso, foi possível conhecer as principais normas utilizadas na coordenação de isolamento. 17

4. RESULTADOS 4.1 Introdução O cálculo da sobretensão resultante é melhor realizado por meio de simulações em ferramentas específicas para esta finalidade. Por isso, é utilizado o ATP que dispõe dos modelos apropriados a esta finalidade. Utilizando o ATP é possível simular e verificar o comportamento de dispositivos típicos de proteção frente a descargas atmosféricas que atingem diretamente estas subestações. Para este estudo, em primeiro momento foi realizada uma análise de casos preliminares. Para tal, é criado um simples modelo de subestação e com o intuito de aprofundar, em um segundo momento, é realizado um estudo de caso, utilizando o modelo de uma subestação real: coordenação de isolamento da subestação Betim 4, localizada em Betim - MG. 4.2 Estudo de Casos Preliminares Para este estudo simplificado foi criado um simples modelo de subestação (Ilustrado na Figura 6), com somente algumas distâncias elétricas (distâncias básicas em subestações), um transformador de potencial (TP), um transformador de potência, um para-raios, um centelhador e uma fonte de tensão representando uma descarga atmosférica. Como visto no Capítulo 3, em altas frequências, transformadores se comportam como capacitores; logo, o transformador de potência é modelado por uma capacitância de 2000 pf e o TP por 200 pf. A suportabilidade do transformador, dado para exemplificação, é de 550 kv. A descarga atmosférica é representada por uma fonte de tensão do tipo dupla rampa, com valor de pico igual a 1028 kv, com tempo de frente de 1 µs; tempo de cauda de 50µs, como mostrado na Figura 7. Os cabos da subestação são representados pelo modelo de linha de transmissão do ATP, considerando-se parâmetros distribuídos a uma frequência constante e linha não transposta (monofásica). A impedância própria dos cabos fase é definida como (diâmetro d = 4,864 cm e altura h = 13,02 m): Z = 60 ln 4h = 60 ln 2h = 377Ω. d r P1 5 m P2 P3 P4 P5 5 m 30 m 35 m 377 ohms 200 pf 2000 pf 2056kV Figura 6: Circuito equivalente: Modelo da Subestação. [Software ATP]. Figura 7: Representação do Surto de tensão injetado. Adaptada de [5]. Considera-se velocidade de propagação da onda eletromagnética igual à da luz no vácuo (300 m/ s). A inserção de uma resistência de 377 Ω em série com o cabo de 18

subestação, conforme ilustrado na Figura 6 tem dois objetivos: permitir uma propagação na subestação de uma onda de tensão de valor de pico igual a 1028 kv e impedir reflexões no ponto de injeção de corrente. O centelhador foi modelado por uma tensão de corte de 850 kv e uma impedância de surto do sistema de aterramento de 3 Ω. Os valores referentes à curva característica do para-raios de ZnO é representada na Figura 8. 310 300 Curva Tensão X Corrente pára-raio ZnO 2.0 [MV] Nível de tensão sobre o Transformador sem proteção 290 280 1.6 270 V(kV) 260 1.2 250 240 0.8 230 220 0.4 210 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 I(kA) Figura 8: Curva Tensão X Corrente Pararaios ZnO [Software Matlab]. 0.0 0 10 20 30 40 50 [us] 60 (file SE_sem_protecao.pl4; x-var t) v:p5 Figura 9: Nível de tensão sobre o Transformador sem proteção. Para verificar a influência de equipamentos de proteção da subestação, foram realizadas algumas alterações nas configurações da mesma, desde o sistema sem proteção até a utilização de centelhador e para-raios de ZnO. 4.2.1 Subestação sem proteção A primeira simulação considera a incidência de uma descarga atmosférica sobre a subestação sem nenhuma proteção (como mostrado na Figura 6), observando o nível de tensão sobre o transformador (P5). Esta sobretensão é indicada na Figura 9. Como pode-se observar na Figura 6, não há nenhuma proteção para a descarga atmosférica que chega a subestação; logo percebe-se na Figura 9, que o nível de sobretensão nos terminais do transformador é 2MV, valor muito além do seu nível de isolamento (cerca de 550kV), o que traria grandes danos ao equipamento e à subestação. 4.2.2 Subestação com Centelhador na Entrada A segunda simulação considera a incidência de uma descarga atmosférica sobre a subestação composta por um centelhador na entrada da linha desta subestação (com o centelhador colocado em P2 da Figura 6 a uma distância de 70 metros do transformador), observando o nível de tensão sobre o transformador e nos demais pontos do sistema. Os níveis de sobretensão resultantes são mostrados nas Figuras 10 e 11. Observa-se, por meio da Figura 10, que a tensão atingiu valores de 1,35MV com a utilização do centelhador na entrada da linha. Pode-se perceber que a tensão sobre o 19

transformador reduziu significativamente; além disso, pode-se perceber como é o seu comportamento transitório. O centelhador amortece o nível de tensão com altos picos de tensão que se reduzem ao longo do tempo devido a reflexões sucessivas, pois à medida que a onda percorre o sistema encontra descontinuidade pelo seu caminho. Entretanto, este valor é ainda alto e supera o nível de suportabilidade do transformador. 1.5 Nível de tensão sobre o transformador com centelhador na entrada da linha 1.5 Níveis de tensão com centelhador na entrada da linha [MV] [MV] 1.0 1.0 0.5 0.5 0.0 0.0-0.5-0.5-1.0-1.0-1.5 0 10 20 30 40 50 [us] 60 (file SE_centelhador_entrada.pl4; x-var t) v:p5 Figura 10: Nível de tensão sobre o transformador com centelhador na entrada. -1.5 0 1 2 3 4 [us] 5 (file SE_centelhador_entrada.pl4; x-var t) v:p2 v:p3 v:p5 Figura 11: Níveis de tensão com centelhador na entrada da linha. 4.2.3 Subestação com Centelhador próximo ao Transformador A terceira simulação considera a incidência de uma descarga atmosférica sobre a subestação composta por um centelhador próximo ao transformador (com o centelhador colocado em P4 da Figura 6 a uma distância de 35 metros do transformador), observando o nível de tensão sobre o transformador e nos demais pontos do sistema. Os resultados estão ilustrados nas Figuras 12 e 13. Para observar o comportamento do centelhador, este foi colocado mais próximo ao transformador, a uma distância de 5 metros do transformador (Figura 14). Os resultados deste caso encontram-se nas Figuras 15 e 16. 1.5 Nível de tensão sobre o transformador com centelhador próximo ao Transformador 1.5 Níveis de tensão com centelhador próximo ao Transformador [MV] [MV] 1.0 1.0 0.5 0.5 0.0 0.0-0.5-0.5-1.0 0 10 20 30 40 50 [us] 60 (file SE_centelhador_transformador.pl4; x-var t) v:p5 Figura 12: Nível de tensão sobre o transformador com centelhador próximo ao Transformador. -1.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 [us] 3.0 (file SE_centelhador_transformador.pl4; x-var t) v:p3 v:p4 v:p5 Figura 13: Níveis de tensão com centelhador próximo ao Transformador. 20

P1 5 m P2 P3 P4 P5 5 m 5 m 5 m 900 [kv] 560 Nível de tensão sobre o transformador com centelhador próximo (5m) ao Transformador 377 ohms 200 pf 2000 pf 220 2056kV -120 3 ohms -460 Figura 14: Subestação com centelhador próximo (5m) do transformador [Software ATP] -800 0 10 20 30 40 50 [us] 60 (file SE_centelhador_5m_transformador.pl4; x-var t) v:p5 Figura 15: Nível de tensão sobre o transformador com centelhador próximo ao Transformador. 900 Níveis de tensão com centelhador próximo (5 m) do Transformador 600 Níveis de tensão com pára-raios ZnO na entrada da linha [kv] [kv] 560 500 400 220 300-120 200-460 100-800 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 [us] 3.0 (file SE_centelhador_5m_transformador.pl4; x-var t) v:p3 v:p4 v:p5 Figura 16: Níveis de tensão com centelhador próximo (5 m) do Transformador. 0 0 2 4 6 8 [us] 10 (file SE_pararaioZnO_entrada.pl4; x-var t) v:p2 v:p3 v:p5 Figura 17: Níveis de tensão com para-raios ZnO na entrada da linha. Pelas Figuras 12 e 15, observa-se que as tensões atingiram valores de 1,1MV e próximo de 855 kv (Figura 15), respectivamente. Pode-se perceber que a tensão sobre o transformador reduziu significativamente. Mas, apesar do centelhador ter diminuído o nível de tensão sobre o transformador, este valor é ainda alto e supera seu nível de suportabilidade. 4.2.4 Subestação com para-raios de ZnO na entrada Na quarta simulação, o centelhador é retirado e um para-raios de ZnO inserido no ponto P2 (Figura 6), observando o nível de tensão sobre o transformador e nos demais pontos do sistema com a incidência de uma descarga atmosférica sobre a subestação. Os resultados são exibidos na Figura 17. O nível de tensão no transformador (530 kv) é menor que seu nível de suportabilidade (550 kv). Logo, para esse caso, o para-raios é suficiente para proteção do transformador e apresenta desempenho bem maior que o centelhador. 4.2.5 Subestação com um para-raios próximo ao transformador e um centelhador na entrada Na quinta simulação, é considerada a incidência de uma descarga atmosférica sobre a subestação composta por um para-raios ZnO próximo ao transformador (P4 na Figura 6) e 21

um centelhador na entrada da linha (P2 na Figura 6), observando o nível de tensão sobre o transformador e nos demais pontos do sistema Figuras 19. 600 [kv] 500 Nív eis de tensão com pára-raios ZnO próximo ao transf ormador e centelhador na entrada da linha Níveis de tensão com centelhador próximo ao equipamento e pára-raios ZnO na entrada da linha 600 [kv] 500 400 400 300 300 200 200 100 100 0 0 1 2 3 4 [us] 5 (file SE_pararaioZnO(transformador)_centelhador(entrada).pl4; x-var t) v:p2 v:p3 v:p4 v:p5 0 0 1 2 3 4 [us] 5 (file SE_centelhador(transformador)_pararaioZnO(entrada).pl4; x-var t) v:p2 v:p3 v:p4 v:p5 Figura 19: Níveis de tensão com para-raios ZnO próximo ao transformador e centelhador na entrada. Figura 20: Níveis de tensão com centelhador próximo ao equipamento e para-raios ZnO na entrada. Neste caso, o nível de tensão é mais baixo que a configuração anterior, cerca de 480 kv, garantido assim maior proteção ao equipamento. 4.2.6 Subestação com um centelhador próximo ao transformador e um para-raios na entrada Na sexta simulação, é considerada a incidência de uma descarga atmosférica sobre a subestação composta por um para-raios ZnO na entrada da linha (P2 na Figura 6) e um centelhador próximo ao transformador (P4 na Figura 6), observando o nível de tensão sobre o transformador e nos demais pontos do sistema Figura 20. Neste, o inverso do caso anterior, não é obtido o mesmo nível de proteção, pois o pararaios está mais distante do transformador, não garantido grande proteção ao equipamento (515 kv). 4.2.7 Subestação com um para-raios na entrada e outro próximo ao transformador Na sétima simulação, é considerada a incidência de uma descarga atmosférica sobre a subestação composta por dois para-raios ZnO, um na entrada da linha e outro próximo ao transformador (P2 e P4 na Figura 6), observando o nível de tensão sobre o transformador e nos demais pontos do sistema Figura 21. Pode observar que o nível de tensão no transformador é mais baixo que em todas as outras configurações, cerca de 400 kv, pois há dois para-raios, garantido dessa maneira maior proteção ao equipamento. 22