PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica Influência da Estratificação do Solo na Impedância Impulsiva de Aterramentos de Linhas de Transmissão Paulo José Clebicar Nogueira Dissertação de Mestrado CEMIG PUC/PPGEE 04 de Março de 2002 Orientador : Prof. Dr. Mário Fabiano Alves - PUC Co-Orientador : Prof. Dr. Jaime Arturo Ramirez - UFMG
"Tente ser uma pessoa de sucesso, mas prioritariamente, tente ser uma pessoa de valor." "Algo só é impossível até que alguém duvide e acabe provando o contrário." Albert Einstein
Agradecimentos e Dedicatória I Agradecimentos e Dedicatória Gostaria de agradecer de forma geral a todos aqueles que contribuíram direta ou indiretamente para a concretização deste trabalho. Aos professores Jaime Ramirez e Mário Fabiano Alves pela orientação, dedicação, compreensão, interesse e estímulos. A CEMIG, pelo suporte financeiro. Aos colegas da CEMIG pela confiança e apoio, em particular : Ana, Artur, Gernan, Edino, Renato, Osvaldo, Carlos Alexandre, Elma, Coutinho, Francisco, Weber e demais colegas do ER/LT Ao Simon Fortin da SES, pelo apoio técnico. À minha esposa Mirela pelo apoio e compreensão. Aos meus filhos Thays, Thamyres, Thalys e Maria Clara. Ao meu Pai e a todos os meus familiares. A Deus, por tudo. Quero dedicar este trabalho à minha mãe Dora Cecília Levenhagen Clebicar, símbolo de luta, persistência e busca dos ideais.
Resumo II Resumo Este trabalho apresenta um estudo da influência da estratificação do solo nos valores de impedâncias impulsivas de aterramentos de torres de linhas de transmissão, quando submetidas a fenômenos impulsivos do tipo descargas atmosféricas. Foi avaliada a dependência da impedância impulsiva de aterramento no maior número de parâmetros possíveis que a afetam diretamente. O arranjo de aterramento atualmente utilizado pela Companhia Energética de Minas Gerais é analisado, e uma proposta para a redução da impedância, através da utilização de camadas resistividades mais baixas de solos estratificados é apresentada. Com objetivo de obter menores índices de desligamentos nas linhas de transmissão, quando submetidas a descargas atmosféricas, é apresentada uma proposta para o aproveitamento de camadas de resistividade com valores reduzidos em relação à primeira, dentro de limites práticos exeqüíveis, proporcionando menores impedâncias impulsivas com relação ao estudo considerando solo homogêneo (reduções de até 50%). O principal diferencial deste trabalho com relação a trabalhos anteriores é a consideração do solo estratificado em camadas para análise de transitórios em sistemas de aterramentos de linhas de transmissão. Outro diferencial foi a utilização do sistema de aterramento incluindo a representação da grelha de forma completa, sem simplificações.
Abstract III Abstract This work presents a study of the influence of the soil stratification in the impulsive impedance of transmission line towers grounding, when submitted to impulsive phenomena such as lightning. The dependence of the grounding impulsive impedance in relation to a large number of parameters that may influence it is discussed. The grounding arrangements currently used by Companhia Energética de Minas Gerais CEMIG is analyzed and a proposal to reduce the impedance, through the use of lower soil's layers, is presented. In a attempt to obtain a smaller rate of outage for transmission lines when submitted to lightning strokes, it is proposed a better use of the soil's lower layers with reduced values in relation to the first layer, within practical limits, in relation to the study which considers the soil as being homogeneous,. The consideration of the soil stratification for the analysis of transients in transmission line s grounding systems is the main differential presented by this work in relation to previous ones. Another differential was the use of the grounding system including the representation of tower's grille in its complete and not simplified version.
Sumário IV Sumário Agradecimentos e Dedicatória...I Resumo...II Abstract...III Sumário...IV Glossário...VIII Lista de Tabelas... XII Lista de Figuras...XIII Capítulo 1 : Introdução 1.1 Objetivos do Trabalho...1 1.2 Relevância do Tema...2 1.3 Escopo...5 1.4 Metodologia...6 1.5 Contribuição...8 1.6 Organização do Trabalho...9
Sumário V Capítulo 2 : Sistemas de Aterramento para Linhas de Transmissão 2.1 Introdução...11 2.2 Influência do Aterramento no Desligamento de Linhas de Transmissão 2.2.1 Introdução.............12 2.2.2 Incidência da Descarga na Torre...... 13 2.2.3 Reflexões no Aterramento da Torre.......16 2.3 Comportamento do Aterramento de LTs Frente a Solicitações Impulsivas 2.3.1 Uma Visão Histórica do Assunto : Impedância de Aterramento.....18 2.3.2 O Contrapeso.....24 2.3.3 Comportamento do Contrapeso frente a Correntes Impulsivas...... 31 2.3.4 Ionização do Solo.........37 2.3.5 Resistividade do Solo : Dependência da Permissividade e Resistividade com a Freqüência......43 2.3.6 Conclusões......50
Sumário VI Capítulo 3 : Cálculo de Transitórios em Sistemas de Aterramento para Linhas de Transmissão 3.1 Introdução......52 3.2 Definição do Problema......53 3.3 Modelo Adotado......55 3.4 Arranjo de Aterramento...56 3.4.1 Grelhas da Estrutura...57 3.4.2 Torre...57 3.4.3 Descarga Atmosférica...58 3.5 Resistividade do Solo......59 3.6 Modelo Computacional......61 3.6.1 Introdução...61 3.6.2 Modelo Matemático...63 3.7 Simulações Computacionais...73 3.7.1 Arranjo de Aterramento para Linhas de 69 / 138 kv...76 3.7.1.1 Caso 1 : L 1 = 20 m e ρ 1 = 250 Ωm...77 3.7.1.2 Caso 2 : L 1 = 30 m e ρ 1 = 500 Ωm...81 3.7.1.3 Caso 3 : L 1 = 40 m e ρ 1 = 1000 Ωm...84 3.7.1.4 Caso 4 : L 1 = 50 m e ρ 1 = 2000 Ωm...87 3.7.1.5 Caso 5 : L 1 = 80 m e ρ 1 = 5000 Ωm...90 3.7.1.6 Caso 6 : L 1 = 90 m e ρ 1 = 20000 Ωm...93 3.8 Comparação de Resultados...96 3.9 Conclusões...98
Sumário VII Capítulo 4 : Conclusões 4.1 Conclusões...101 4.2 Sugestões para Trabalhos Futuros...104 Referências Bibliográficas...105 Apêndice A: Programa Sigma SLP...111 Apêndice B: Validação do Modelo Para Solo Homogêneo...113
Glossário VIII Glossário Nesta seção serão apresentados os termos e símbolos utilizados no decorrer do texto, para melhor compreensão do trabalho. ANEEL : Agência Nacional de Energia Elétrica. Órgão regulamentador do setor elétrico energético Brasileiro. Backflashover : Processo de rompimento da suportabilidade elétrica de uma cadeia de isoladores a partir de um sobre-tensão de origem atmosférica ou de manobra no sistema, causando um curto circuito em freqüência industrial (60 Hz) C : Capacitância em F (F = Faraday) CEMIG : Companhia Energética de Minas Gerais CIGRÈ : Conseil International des Grands Réseaux Électriques. Órgão Internacional com sede em Paris. d 1 : Espessura da primeira camada de um solo estratificado, em metros. Desligamento Transitório : Desligamento momentâneo de uma linha de transmissão seguido de seu religamento (sem novo desligamento) após alguns mili-segundos. E : Intensidade de campo elétrico (Volt/metro) E 0 : Intensidade de campo elétrico crítico (Volt/metro). Valor de campo elétrico no qual excedido, causa a ionização do solo. Efeito Corona : Processo de ionização do ar nas proximidades de partes energizadas, quando o gradiente elétrico excede determinado valor (kv/cm), causando uma visível luminosidade Equações de Maxwell : James C. Maxwell (1831 1879). Físico escocês que se baseou nos trabalhos e experiências de Ampère, Gauss
Glossário IX e Faraday para legar às Leis da Eletricidade e Magnetismo uma base matemática sólida, em quatro equações. f : Freqüência, em Hz. G : Condutância (1/R), em 1/Ω. Grelhas / Tubulões : Sistema de sustentação das torres de linhas de transmissão. GPR : Ground Potencial Rise, ou em português, Elevação de Potencial do Aterramento. Hz : Unidade de freqüência Hertz. I : Corrente, em Amperes I pico : Corrente de pico, em ka. Índice de Desligamento (AK) : Números de desligamentos/100km/ano de uma linha de transmissão, caracterizando sua indisponibilidade em relação ao sistema elétrico. K : Coeficiente de reflexão para um solo estratificado em duas camadas. l : Comprimento de contrapeso, em metros l e : Comprimento efetivo de contrapeso, em metros L : Indutância em µhenry LT : Linha de Transmissão Aérea de Energia Elétrica. Nível Ceráunico : Número de dias com trovoadas ouvidas no período de um ano
Glossário X Pára-raios de Óxido de Zinco (ZnO) : Equipamento instalado em torres de LTs para evitar o desligamento da Linha de Transmissão, composto do material Óxido de Zinco R : Resistência elétrica, em Ω Resistência de aterramento ou Resistência de Terra (R t ou R at ) : Valor da resistência de aterramento, medido em baixa freqüência, do conjunto de ferragens e eletrodos que constituem o sistema de aterramento de uma estrutura de linha de transmissão, em relação a um outro eletrodo situado a uma distância teoricamente infinita. Unidade em Ω. t : Tempo, em µs. T 1 : Tempo de Frente de Onda, ou seja, tempo em µs que a frente de onda leva para atingir seu valor máximo. T 2 : Tempo da Cauda, ou seja, tempo em µs que a frente de onda leva para atingir a metade do seu valor máximo. V pico : Tensão de pico, em kv. Z at : Impedância de impulso do sistema de aterramento da estrutura da linha de transmissão. Z P : Impedância Impulsiva do sistema de aterramento, correspondente à máxima elevação de potencial do aterramento no ponto de alimentação dividido pelo valor de pico da corrente injetada. Z S : Impedância de surto do cabo contrapeso, correspondente a (L/C) 1/2 Ω. Z t : Impedância de surto de uma torre de linha de transmissão. Impedância da torre para fenômenos em alta freqüência.
Glossário XI r - Resistividade do Solo: Resistência elétrica entre faces opostas de um cubo homogêneo e isótropo com solo, cuja aresta mede um metro. Unidade: Ωxmetro. r 1 : Resistividade da primeira camada de um solo estratificado, em Ωxmetro. Esta primeira camada possui uma espessura, denominada d 1, em metros. r 2 : Resistividade da segunda camada de um solo estratificado, em Ωxmetro. m r : Permeabilidade magnética relativa do solo. e r : Permissividade elétrica relativa do solo. s : Condutividade elétrica do solo, equivalente a 1/ρ, em Mho.
Lista de Tabelas XII Lista de Tabelas Capítulo 1 Tabela 1.1 Índices Ceráunicos e Densidades de Descargas de Alguns Países [2]...2 Tabela 1.2 Valores de Resistividade do Solo (ρ) em Minas Gerais [2]...2 Capítulo 2 Tabela 2.1 Parâmetros Adotados em [25]...35 Capítulo 3 Tabela 3.1 Valores de Resistividade do Solo (Ωm) e Comprimentos de Contrapesos Propostos para as Análises...59 Tabela 3.2 Identificação dos Casos e Parâmetros Adotados nas Simulações...76 Tabela 3.3 Resumo dos Máximos GPR Transitórios......99
Lista de Figuras XIII Lista de Figuras Capítulo 1- Introdução Figura 1.1 Curvas de Isodensidade de Descargas Atmosféricas em MG [1]...3 Figura 1.2 Mapa Geológico do Estado de Minas Gerais [4]...3 Capítulo 2 Sistemas de Aterramento para Linhas de Transmissão Figura 2.1 Representação da LT no Campo...13 Figura 2.2 Estilização da Torre e Incidência da Descarga...14 Figura 2.3 Forma de Onda I total Descarga, I pé da Torre para Z at = 5 Ω e Z at = 30 Ω...15 Figura 2.4 Elevação de Potencial no Aterramento da Torre para Z at = 5 Ω e Z at = 30 Ω...15 Figura 2.5 Solicitação na Cadeia de Isoladores para os Casos de Z at = 5 Ω e Z at = 30 Ω...16 Figura 2.6 Resistência Final de Contrapeso e Pé de Torre em Paralelo [31]...26 Figura 2.7 Circuito Equivalente do Contrapeso [31]...27 Figura 2.8 Redução da Impedância de Surto com o Aumento de Ramos de C. Peso [31]...28 Figura 2.9 Impedância Transitória de Contrapesos Enterrados [31]...30 Figura 2.10 Circuito Equivalente de um Eletrodo Enterrado Horizontalmente [20]...32 Figura 2.11 Diagrama Elétrico Representativo Modelo Linha de Transmissão [25]...35 Figura 2.12 Resistividade Dinâmica Curva para Corrente Impulsiva [37]...39 Figura 2.13 Curvas de Dados Experimentais V x I para um eletrodo [36] R LF =R 60Hz...40 Figura 2.14 Parâmetros de Atenuação de uma Onda Eletromagnética...44 Figura 2.15 Ilustração do Efeito de Comprimento Efetivo de um Contrapeso....45 Figura 2.16 Efeito da Propagação no Solo [27]....46 Figura 2.17 Dependência dos Parâmetros do Solo com f [27]....47 Figura 2.18 Resposta do Aterramento no Domínio da Freqüência [27]...49
Lista de Figuras XIV Figura 2.19 Resposta do Aterramento no Domínio do Tempo [27]...49 Capítulo 3 Cálculo de Transitórios em Sistemas de Aterramento para LTs Figura 3.1 Situação Considerada para Otimização do Arranjo de Aterramento Frente a Descargas Atmosféricas [8]...53 Figura 3.2 Situação Típica de um Aterramento em Solo de 2 Camadas...54 Figura 3.3 Situação Típica de um Aterramento em Solo de 2 Camadas para o Trabalho Proposto...54 Figura 3.4 Arranjo Típico do Sistema de Aterramento de Torres Metálicas da CEMIG...56 Figura 3.5 Arranjo Típico Completo com a Representação e Detalhe da Grelha...57 Figura 3.6 Representação da Descarga Típica em Minas Gerais [1]...58 Figura 3.7 Configuração dos Eletrodos [42]...63 Figura 3.8 Distribuição de Corrente no Eletrodo [42]...67 Figura 3.9 Macro Fluxograma do Modelo Computacional [42]...72 Figura 3.10 Identificação do Ponto de Injeção da Descarga no Sistema de Aterramento...73 Figura 3.11 Caso 1: 69/138kV 250 Ωxm e L 1 =20 m para d 1 = 1m (lado esquerdo) e d 1 =6m(lado direito)...77 Figura 3.11a Caso 1 Zoom : Freqüências entre 200kH e 2.5 MHz... 78 Figura 3.11b Caso 1 Contribuições das Grelhas e Contrapesos, separadamente...79 Figura 3.12 Máxima Elevação de Potencial para as Análises do Caso 1...80 Figura 3.13 Caso 2: 69/138kV 500 Ωxm e L 1 =30 m para d 1 = 1m (lado esquerdo) e d 1 =6m(lado direito)...81 Figura 3.13a Caso 2 Zoom : Freqüências entre 200kH e 2.5 MHz... 82 Figura 3.13b Caso 2 Contribuições das Grelhas e Contrapesos, separadamente...82 Figura 3.14 Máxima Elevação de Potencial para as Análises do Caso 2...83
Lista de Figuras XV Figura 3.15 Caso 3: 69/138kV 1000 Ωxm e L 1 =40 m para d 1 = 1m (lado esquerdo) e d 1 =6m(lado direito)...84 Figura 3.15a Caso 3 Zoom : Freqüências entre 200kH e 2.5 MHz... 85 Figura 3.15b Caso 3 Contribuições das Grelhas e Contrapesos, separadamente...85 Figura 3.16 Máxima Elevação de Potencial para as Análises do Caso 3...86 Figura 3.17 Caso 4: 69/138kV 2000 Ωxm e L 1 =50 m para d 1 = 1m (lado esquerdo) e d 1 =6m(lado direito)...87 Figura 3.17a Caso 4 Zoom : Freqüências entre 200kH e 2.5 MHz... 88 Figura 3.17b Caso 4 Contribuições das Grelhas e Contrapesos, separadamente...89 Figura 3.18 Máxima Elevação de Potencial para as Análises do Caso 4...89 Figura 3.19 Caso 5: 69/138kV 5000 Ωxm e L 1 =80 m para d 1 = 1m (lado esquerdo) e d 1 =6m(lado direito)...90 Figura 3.19a Caso 5 Zoom : Freqüências entre 200kH e 2.5 MHz... 91 Figura 3.19b Caso 5 Contribuições das Grelhas e Contrapesos, separadamente...91 Figura 3.20 Máxima Elevação de Potencial para as Análises do Caso 5...92 Figura 3.21 Caso 6: 69/138kV 20000 Ωxm e L 1 =90 m para d 1 = 1m (lado esquerdo) e d 1 =6m(lado direito)...93 Figura 3.21a Caso 6 Zoom : Freqüências entre 200kH e 2.5 MHz... 94 Figura 3.21b Caso 6 Contribuições das Grelhas e Contrapesos, separadamente...94 Figura 3.22 Máxima Elevação de Potencial para as Análises do Caso 6...95 Figura 3.23 Caso 1 Comparação Critério Solo Homogêneo x Solo Estratificado...96 Figura 3.24 Caso 5 Comparação Critério Solo Homogêneo x Solo Estratificado...96
Capítulo 1 Introdução 1 Capítulo 1 Introdução 1.1 Objetivos do Trabalho Este trabalho tem como objetivo a avaliação dos valores de impedância impulsiva de aterramento dos sistemas de aterramento típicos de linhas de transmissão levando em consideração solos estratificados em duas camadas. Pretende-se com esta avaliação, uma possível otimização do arranjo de aterramento, obtendo a menor impedância impulsiva de aterramento, visando minimizar a sobre-tensão na cadeia de isoladores de LTs. Desta forma, pretende-se dar seqüência ao estudo que gerou as configurações atuais de aterramento para as LTs da CEMIG [8-9]. Este trabalho abordará os seguintes itens : a) Estudo do Estado da Arte em sistemas de aterramento para linhas de transmissão; b) Estudo da dependência da resistividade do solo e da permissividade em função da freqüência; c) Avaliação, através de simulações computacionais, do arranjo de aterramento utilizado na CEMIG (nas LTs de 69 e 138 kv) em solos estratificados. Este arranjo foi definido conforme referência [8]; d) Definição de novos critérios para definição de um sistema de aterramento otimizado para torres de linhas de transmissão, visando a menor impedância impulsiva em função da estratificação do solo.
Capítulo 1 Introdução 2 1.2 Relevância do Tema Sistemas de aterramento desempenham funções bem definidas em um sistema elétrico tais como proteção de equipamentos, aterramento de sinal e segurança de pessoas. Uma das importantes funções do aterramento é a proteção contra descargas atmosféricas (prédios, antenas, torres de transmissão, etc.), proporcionando um caminho de baixa impedância para a corrente de descarga através dos eletrodos de aterramento em direção ao solo. As descargas atmosféricas são responsáveis em Minas Gerais, conforme dados estatísticos, por cerca de 70% dos desligamentos transitórios (contra 65% das estatísticas internacionais) das LTs [1], causando elevados transtornos nos sistemas industriais, no que diz respeito à retomada de processos interrompidos. O estado de Minas Gerais possui índices de densidade de descargas atmosféricas e níveis ceráunicos superiores a muitos países. As Tabelas 1.1 e 1.2 e Figuras 1.1 e 1.2 ilustram respectivamente as características geometeorológicas de alguns paises e do Estado de Minas Gerais. A Tabela 1.2 refere-se a locais em alto de morros e montanhas. Tabela 1.1 Índices Ceráunicos e Densidade de Descargas de Alguns Países [2] Local Nível Ceráunico Descargas/km 2 /ano Brasil (MG) 4 140 1 12 Alemanha 15 35 1 5,5 Itália 11 60 1 4 França 20 30 ----------- Finlândia 8 20 ----------- Austrália 5 107 0,2-4 Tabela 1.2 Valores de Resistividade do Solo (ρ) em Minas Gerais [2] Resistividade r (W x metro) Número de Localidades % % Acumulado 0 1000 20 12,3 12,3 1000 5000 89 54,6 66,9 5000 10000 31 19,0 85,9 > 10000 23 14,1 100,0 Total 163 100,0 -----------------
Capítulo 1 Introdução 3 Figura 1.1 Curvas de Isodensidade de Descargas Atmosféricas em MG Descargas/km 2 /ano - Período 1985 1996 [1] Figura 1.2 Mapa Geológico do Estado de Minas Gerais - [4] Elevados índices de densidade de descargas aliado aos altos valores de resistividade do solo (média de 3500 Ωm em Minas Gerais [3]), proporcionam um elevado Índice de Desligamentos de LTs (AK), comprometendo a qualidade da energia ofertada. Após a incidência da descarga, seja ela direta ou indireta na linha de transmissão, a probabilidade de um backflashover é considerável.
Capítulo 1 Introdução 4 Em função deste número elevado de desligamentos no sistema elétrico causado por estes fatores, foi necessário o desenvolvimento de técnicas e equipamentos para minimizar o impacto devido às descargas atmosféricas. Uma das técnicas utilizadas é a atuação direta no sistema de aterramento das torres das LTs, utilizando configurações otimizadas e o conceito de comprimento efetivo de contrapeso. Outra técnica utilizada é a otimização da instalação de pára-raios de Óxido de Zinco (ZnO) em LTs em projeto, aliada a um sistema de aterramento que proporcione uma baixa impedância de aterramento. Esta técnica foi utilizada pela CEMIG (de forma pioneira no Brasil) no projeto da LT Itutinga Três Corações 2, 138 kv [6,7]. Este projeto resultou em Índices de Desligamentos (AK) bem inferiores a um projeto convencional de Linha de Transmissão (índices estimados em projeto e comprovados na prática após 2 anos de operação da LT). Modelos e estudos desenvolvidos para configurações otimizadas utilizaram um modelo de solo uniforme, não considerando o efeito da estratificação [8]. Esta desconsideração ocorreu devido a quantidade de cálculos adicionais que seriam necessários. Contudo, tal consideração é importante pois, dependendo da profundidade da primeira camada (d 1 ), pode-se alcançar, através das ferragens das grelhas ou tubulões das torres (ou até mesmo através de hastes profundas), valores de resistividade da segunda camada bastante inferiores ao da primeira, proporcionando uma baixa resistência de aterramento.
Capítulo 1 Introdução 5 1.3 Escopo O trabalho apresenta uma análise sobre a impedância de aterramento dos sistemas de aterramentos típicos utilizados em linhas de transmissão, considerando o solo estratificado em duas camadas. Uma modelagem do problema, utilizando técnicas no domínio da freqüência e no domínio do tempo, conforme descrito em [13], é utilizada para analisar os arranjos típicos adotados como sistema de aterramento para as estruturas das linhas de transmissão de 69 e 138 kv da CEMG, em solos estratificados. De forma a subsidiar a otimização destes arranjos de aterramento na obtenção da menor impedância impulsiva frente a fenômenos do tipo descargas atmosféricas, são propostos critérios para a determinação do melhor arranjo a ser instalado nas torres de transmissão como sistema de aterramento.
Capítulo 1 Introdução 6 1.4 Metodologia A metodologia que foi utilizada nesta dissertação tem como base simulações numéricas utilizando pacote computacional específico para análise de transitórios em sistemas de aterramento. Os objetivos desta dissertação, cujos itens foram explicitados na seção 1.1, foram alcançados da seguinte maneira : a) Estado da Arte em Sistemas de Aterramento para LTs : Uma revisão bibliográfica do histórico de sistemas de aterramento em linhas de transmissão foi realizada, desde suas primeiras aplicações até as mais novas técnicas utilizadas. Este estudo incluiu também o comportamento do aterramento frente a fenômenos impulsivos, tipo descargas atmosféricas. Esta revisão constou também de uma pesquisa bibliográfica, envolvendo os principais autores de assuntos referentes ao tema e também formulações clássicas. Uma explanação sobre a importância do aterramento de torres de LTs na solicitação da suportabilidade da cadeia de isoladores e conseqüentemente no seu desligamento também foi feita. b) Dependência da Resistividade do solo e permissividade em função da freqüência. Um estudo da dependência da resistividade do solo e permissividade em função da freqüência é apresentado. Este estudo proporcionou uma avaliação do comportamento da resistividade do solo quando submetida a altas correntes de elevada freqüência e avaliação do fenômeno de disrupção do solo. c) Simulações computacionais. Os arranjos de aterramentos definidos por [8] para as LTs da CEMIG de 69 e 138 kv foram avaliados, levando em consideração solos estratificados em camadas. Foi utilizado o software descrito em [13] para as simulações computacionais. Este software é especifico para estudo de sistemas de aterramento em alta freqüência.
Capítulo 1 Introdução 7 d) Otimização do Arranjo. A partir dos estudos e análises dos dados obtidos em (c) são propostos critérios para escolha do contrapeso a ser lançado e o valor mais preciso da impedância impulsiva, levando em consideração a estratificação do solo em duas camadas.
Capítulo 1 Introdução 8 1.5 Contribuição Na atual legislação do setor elétrico brasileiro, regulamentada pela ANEEL [5], estudos para a minimização da impedância de aterramento de LTs, é um fator que interessa às concessionárias de energia elétrica bem como aos consumidores industriais. Ao fornecerem produtos e serviços (LTs / Energia com qualidade) com maiores índices de qualidade e confiabilidade de operação, as concessionárias permitem que os consumidores industriais minimizem os níveis de interrupção de seus processos. No atual contexto do sistema elétrico nacional, é de fundamental importância a otimização do arranjo de aterramento de LTs em função do maior número de parâmetros possíveis, visando a minimizar o impacto de impulsos atmosféricos nos desligamentos transitórios das LTs. Esta dissertação apresenta um estudo científico crítico que proporcionará opções de melhorias para as concessionárias de energia elétrica para a redução da impedância de aterramento de Linhas de Transmissão e, conseqüentemente, a diminuição dos níveis de desligamentos por descargas atmosféricas.
Capítulo 1 Introdução 9 1.6 Organização do Trabalho A dissertação está estruturada em 4 capítulos, descritos sucintamente a seguir. No presente capítulo, Introdução, são apresentados os objetivos do trabalho, a importância dos sistemas de aterramento, de uma forma geral, bem como os impactos causados em LTs aéreas pelos desligamentos provenientes de descargas atmosféricas. É apresentada também uma breve explanação a respeito da composição do solo no estado de Minas Gerais, onde o trabalho é focado. São discutidas experiências atuais como forma de minimizar os índices de desligamentos por descargas atmosféricas em LTs. São discutidas também a metodologia e a contribuição do trabalho. No capítulo 2, Sistemas de Aterramento para Linhas de Transmissão, é apresentado a influência e a importância do sistema de aterramento de uma linha de transmissão no mecanismo de desligamento por descargas atmosféricas. São apresentadas simulações de casos extremos de impedâncias nos quais os valores de impedância de aterramento de pé de torre são alterados. Parâmetros típicos de descargas atmosféricas do Estado de Minas Gerais são utilizados nesta análise. É apresentado também o Estado da Arte com relação ao tema em questão, bem como uma visão histórica do assunto, sendo citados vários trabalhos e autores relacionados com o tema e que serviram de referência para o presente trabalho. É discutido o histórico sobre os cabos contrapesos, desde sua conceituação até seu comportamento quando submetidos a correntes impulsivas (tipo descargas atmosféricas). Finalmente, é feita uma breve explanação sobre o mecanismo de disrupção do solo quando submetidos a elevados gradientes de tensão (devido a altas correntes) e sobre a dependência da resistividade do solo e permissividade com a freqüência.
Capítulo 1 Introdução 10 No Capítulo 3, Cálculo de Transitórios em Sistemas de Aterramento para Linhas de Transmissão, é apresentado o modelo proposto para os cálculos computacionais (modelos físicos do sistema de aterramento e modelo matemático do software a ser utilizado), o problema típico de um sistema de aterramento de LTs enterrado em um solo homogêneo e num solo estratificado e simulações efetuadas. Os resultados das simulações são apresentados em forma de gráficos e/ou tabelas. Finalmente, é apresentada a conclusão de toda a simulação realizada. No Capítulo 4, Conclusões, são abordados os resultados obtidos no trabalho e conclusões objetivas a respeito das simulações efetuadas. Sugestões para trabalhos futuros também são apresentadas. Apêndice A : Programa Sigma SLP. Apêndice B : Validação do Modelo Para Solo Homogêneo.
Capítulo 2 Sistemas de Aterramento para Linhas de Transmissão 11 Capítulo 2 Sistemas de Aterramento para Linhas de Transmissão 2.1 Introdução Conforme discutimos no capítulo anterior, o aterramento exerce várias funções em um sistema elétrico (segurança de pessoas, aterramento de sinal, etc.). Vimos também que existem vários fatores que influenciam os níveis de desligamentos de linhas de transmissão no Estado de Minas Gerais e algumas técnicas adotadas auxiliam a amenizar tais desligamentos e seus transtornos. Estes índices de desligamentos estão diretamente relacionados com o sistema de aterramento de uma linha de transmissão. Neste capítulo, será apresentada a importância dos sistemas de aterramento para LTs bem como uma análise simplificada de sua influência nos desligamentos transitórios. Complementando o capítulo, será apresentado o Estado da Arte sobre sistemas de aterramento para LTs frente a solicitações impulsivas.
Capítulo 2 Sistemas de Aterramento para Linhas de Transmissão 12 2.2 Influência do Aterramento no Desligamento de Linhas de Transmissão 2.2.1 Introdução A principal causa de desligamentos de linhas de transmissão devido a curtocircuito nas estruturas originado por solicitações do tipo descarga atmosférica constitui-se fundamentalmente na sobre-tensão resultante (solicitação ou stress) na cadeia de isoladores da LT, devido ao impacto da descarga atmosférica. A magnitude desta sobre-tensão determinará ou não a ocorrência do backflashover. A sobre-tensão resultante na cadeia de isoladores depende de fatores como a intensidade da corrente de descarga que atinge a linha de transmissão, impedância de surto da estrutura (Z t ), impedância de impulso do sistema de aterramento da estrutura (Z at ) e reflexões no sistema de aterramento da torre. Para a análise a seguir o valor típico de Z t =182 Ω [39] é adotado, Z at entre 5 e 50 Ω (valores típicos para o estado de Minas Gerais). A ampla faixa de valores de Z at existentes estimula o estudo de sua dependência em relação a um grande número de parâmetros. Os parâmetros para simulação de uma descarga atmosférica são considerados com forma de onda triangular 2.6/62 µs com valor médio de corrente de 40 ka [1]. O impacto desta descarga em uma torre de linha de transmissão gera o tráfego de ondas de tensão com valores bastante elevados, da ordem de centenas de kv. Ilustraremos a seguir algumas análises de sobre-tensões realizadas através do software Sigma SLP [40], um pacote computacional específico para análises de desligamentos em linhas de transmissão devido a descargas atmosféricas. Este software utiliza a teoria eletromagnética para os cálculos das tensões resultantes e induzidas nos cabos pára-raios e condutores e a análise relativa a desempenho de linhas de transmissão é feita através do Método Estatístico de Monte Carlo [40]. No Apêndice A é apresentado o modelo físico do software. Para a simulação proposta usaremos apenas a determinação das tensões resultantes nas fases e cabos pára-raios.