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UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
DESCARGAS ATMOSFÉRICAS E USO DE PÁRA-RAIOS EM LINHAS DE DISTRIBUIÇÃO
DE ENERGIA ELÉTRICA
Área de Concentração: Distribuição de Energia
por
Rogério Corsi
Geraldo Peres Caixeta, Doutor Orientador
Campinas (SP), dezembro de 2007
ii
UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
DESCARGAS ATMOSFÉRICAS E USO DE PÁRA-RAIOS EM LINHAS DE DISTRIBUIÇÃO
DE ENERGIA ELÉTRICA
Área de Concentração: Distribuição de Energia
por
Rogério Corsi Relatório apresentado à Banca Examinadora do Trabalho de Conclusão do Curso de Engenharia Elétrica para análise e aprovação. Orientador: Geraldo Perez Caixeta, Doutor
Campinas (SP), Dezembro de 2007
iii
SUMÁRIO
LISTA DE ABREVIATURAS..................................................................v LISTA DE FIGURAS...............................................................................vi LISTA DE TABELAS............................................................................viii LISTA DE EQUAÇÕES...........................................................................ix RESUMO....................................................................................................xABSTRACT...............................................................................................xi 1. INTRODUÇÃO....................................................................................14 1.1. OJETIVO............................................................................................................14 1.1.1. Objetivos Gerais..............................................................................................14 1.1.2. Objetivos Especificos.......................................................................................14 1.2. METODOLOGIA...........................................................................................15
2. FUNDAMENTAÇÃO TEORICA.......................................................15 2.1. HISTÓRIA..........................................................................................................15 2.2. DESCARGAS ATMOSFÉRICAS.........................................................................17 2.2.1. TIPOS DE DESCARGAS ATMOSFERICAS..................................................18 2.2.1.1. Descargas Atmosféricas Negativa....................................................................18 2.2.1.2. Descargas Atmosféricas Positiva...................................................................20 2.2.1.3. Descargas Atmosféricas Bipolar....................................................................20 2.3. TEMPESTADES.....................................................................................................22 2.4. CARACTERÍSTICAS ELETRICAS DA TERRA...........................................27 2.5. TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA..................................29 2.5.1. PROTEÇÕES CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS........................29 2.5.2. SISTEMAS DE PROTEÇÃO EM LINHAS DE TRANSMISSÃO............31 2.6. MECÂNISMO DE RUPTURA E ISOLAMENTO EM LT SEM CABOS DE BLINDAGEM: “ O FLASHOVER”.......................................................................31 2.7. MECANISMO DE DISRRUPÇÃO NUMA LT BLINDADA: O “BACK -FLASHCOVER”.......................................................................................................32 2.8. SISTEMAS DE PROTEÇÃO............................................................................33 2.9. PÁRA RAIOS COM VARISTORES DE ZNO...............................................36 2.9.1. Varistores.........................................................................................................36 2.9.1.1. Para-Raios com varistores de SIC..............................................................37 2.9.1.2. Para-Raios com varistores de ZnO.............................................................38 2.9.2. Características Tensão Corrente do varistor................................................40 2.10. ATERRAMENTO............................................................................................43 3. PROJETO.............................................................................................45 3.1. SIMULAÇÃO DE DESCARGA ATMOSFÉRICA EM LD..........................45
iv
3.2. DESCRIÇÃO SUMÁRIA DO SOFTWARE UTILIZADO...........................45 3.3. DESCRIÇÃO DOS MODELOS DE L.T. NO ATP.........................................46 3.3.1. Modelo de LD com parâmetros distribuídos................................................47 3.3.1.1. Modelo de LD em regime permanente.......................................................47 3.3.1.2. Modelo de LD com descarga atmosférica..................................................57 CONCLUSÃO..........................................................................................73 CRONOGRAMA......................................................................................74 REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS...................................................75
v
LISTA DE ABREVIATURAS
A Ampere ATP Alternative Transients Program
C Capacitância EMTP Electromagnetic Transient Program
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers
L Indutância LD Linha de Distribuição LT Linha de Transmissão p.u. por unidade R Resistência SiC Carboneto de Silício TACS Transient Analysis of Control Systems Uc Tensão de operação contínua Us Máxima tensão do sistema Ur Tensão nominal do sistema V Volt ZnO Óxido de Zinco
vi
LISTA DE FIGURAS Figura 2.2.1. Representação de descarga atmosférica........................................................................17 Figura 2.2.2. Representação de um registro de corrente de uma descarga atmosférica.....................17 Figura 2.2.3. Representação da descarga atmosférica........................................................................18 Figura 2.2.4. Representação da conexão do canal precursor ascendente e descendente....................19 Figura 2.2.5. Representação de descarga positiva..............................................................................20 Figura 2.2.6. Representação da forma de onda de corrente de uma descarga bipolar........................21 Figura 2.2.7. Probabilidade de amplitudes máxima...........................................................................21 Figura 2.2.8. Probabilidade de taxas de crescimento da descarga atmosférica..................................22 Figura 2.4.1. Representação do circuito elétrico global.....................................................................27 Figura 2.4.2. Representação do circuito elétrico equivalente simplificado........................................28 Figura 2.5.1. Mapa Isoceráunico do Brasil.........................................................................................30 Figura 2.6.1. Estágios da descarga atmosférica..................................................................................32 Figura 2.7.1. Back-flashover..............................................................................................................33 Figura 2.8.1. Pára raios tipo Franklin.................................................................................................35 Figura 2.8.2. Proteção do Tipo Gaiola de Faraday.............................................................................36 Figura 2.9.1. Composição Interna de um pára-raio ZnO....................................................................37 Figura 2.9.2. Curva característica na carga com pára-raios de SiC....................................................38 Figura 2.9.3. Curva característica na carga com pára-raios de ZnO..................................................40 Figura 2.9.4. Ligação paralelo do varistor..........................................................................................41 Figura 2.9.5. Curva característica de acionamento do resistor não linear..........................................42 Figura 2.9.6. Relação da amplitude de tensão x tempo de duração ...................................................43 Figura 2.9.7. Característica tensão x corrente para um varistor de 420 kV........................................44 Figura 2.9.8. Forma de onda de um impulso atmosférico padronizado.............................................45 Figura 3.3.1.1. Exemplo de LD com parâmetros distribuídos ...........................................................48 Figura 3.3.1.2. Modelo de linha de transmissão no ATP ..................................................................48 Figura 3.3.1.3. Configuração de RLC no ATP...................................................................................49 Figura 3.3.1.4. Modelo de LD 4 elementos em carga .......................................................................49 Figura 3.3.1.5. Característica de corrente e tensão no modelo LD 4 elementos com carga...............50 Figura 3.3.1.6. Modelo de LD 4 elementos em aberto no ATP.........................................................50 Figura 3.3.1.7. Característica de corrente e tensão no modelo LD 4 elementos aberto.....................51 Figura 3.3.1.8. Modelo de LD 4 elementos em curto no ATP...........................................................51 Figura 3.3.1.9. Característica de corrente e tensão no modelo LD 4 elementos em curto.................52 Figura 3.3.1.10. Modelo de LD 8 elementos com carga....................................................................53 Figura 3.3.1.11. Característica de corrente e tensão no modelo LD 8 elementos..............................53 Figura 3.3.1.12. Modelo de LD 8 elementos em aberto no ATP.......................................................54 Figura 3.3.1.13. Característica de corrente e tensão no modelo LD 8 elementos aberto...................54 Figura 3.3.1.14. Modelo LT 8 elementos em curto no ATP..............................................................55 Figura 3.3.1.15. Característica de corrente e tensão no modelo LD 8 elementos em curto...............55 Figura 3.3.1.16. Modelo LD 8 elementos modificado.......................................................................56 Figura 3.3.1.17. Característica de corrente e tensão ao longo do tempo............................................57 Figura 3.3.1.18. Configuração de fonte de corrente...........................................................................58 Figura 3.3.1.19. Parâmetros para a configuração de fonte de corrente..............................................59 Figura 3.3.1.20. Característica da fonte de corrente...........................................................................60 Figura 3.3.1.21. Modelo LD 4 elementos com carga e descarga atmosférica ...................................60 Figura 3.3.1.22. Característica de corrente e tensão no modelo LD 4 elementos com carga.............61 Figura 3.3.1.23. Modelo LD 4 elementos em aberto e com descarga atmosférica ............................61
vii
Figura 3.3.1.24. Característica de corrente LD 4 elementos aberto e com descarga atmosférica......62 Figura 3.3.1.25. Característica de tensão na carga para LD 4 elementos aberto e com descarga
atmosférica..........................................................................................................................62 Figura 3.3.1.26. Modelo LD 4 elementos em curto e descarga atmosférica .....................................63 Figura 3.3.1.27. Característica de corrente no modelo LD 4 elementos em curto e descarga
atmosférica .........................................................................................................................63 Figura 3.3.1.28. Característica de corrente em curto e descarga atmosférica....................................64 Figura 3.3.1.29. Modelo LD 8 elementos com carga e descarga atmosférica ...................................65 Figura 3.3.1.30. Característica de corrente e tensão na carga para o modelo LD 8 elementos com
carga e descarga atmosférica ..............................................................................................65 Figura 3.3.1.31. Corrente e tensão na carga em 60µs.........................................................................66 Figura 3.3.1.32. Corrente no ponto de descarga.................................................................................66 Figura 3.3.1.33 Modelo LD 8 elementos em aberto e descarga atmosférica ....................................67 Figura 3.3.1.34. Característica de corrente e tensão na carga no modelo LD 8 elementos aberto e
descarga atmosférica...........................................................................................................67 Figura 3.3.1.35. Corrente e tensão em aberto 0,7 ms.........................................................................68 Figura 3.3.1.36. Modelo LD 8 elementos em curto e descarga atmosférica .....................................68 Figura 3.3.1.37. Característica de corrente e tensão no modelo LD 8 elementos em curto e descarga
atmosférica .........................................................................................................................69 Figura 3.3.1.38. Modelo 8 elementos com pára-raios IEEE..............................................................70 Figura 3.3.1.39. Varistor A0...............................................................................................................71 Figura 3.3.1.40. Varistor A1...............................................................................................................71 Figura 3.3.1.41. Característica de corrente e tensão na carga com pára-raios de ZnO......................72 Figura 3.3.1.42. Característica corrente e tensão em aberto com pára-raios......................................73 Figura 3.3.1.43. Característica corrente e tensão em curto com pára-raios........................................73 Figura 3.3.1.44. Comparativo de curva de tensão na carga com e sem pára-raios de ZnO ...............73
viii
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Parâmetros de R................................................................................................................52 Tabela 2: Parâmetros de RLC 8 elementos.......................................................................................56 Tabela 3: Valores para configuração no ATP da descarga atmosférica...........................................59 Tabela 4: Parâmetros de RLC 4 elementos.......................................................................................64 Tabela 5: Parâmetros de RLC 8 elementos.......................................................................................69 Tabela 6: Valores Calculados para o modelo de pára-raios ZnO (IEEE).........................................72 Tabela 7: Parâmetros calculados da curva V-I dos varistores do pára-raios ZnO (IEEE)................72
ix
LISTA DE EQUAÇÕES
Equação 1....................................................................................................................................39 Equação 2....................................................................................................................................42 Equação 3....................................................................................................................................42 Equação 4....................................................................................................................................70 Equação 5....................................................................................................................................70 Equação 6....................................................................................................................................71 Equação 7....................................................................................................................................71 Equação 8....................................................................................................................................71
x
RESUMO
CORSI, Rogério. Simulação de descargas atmosféricas em linhas aéreas de distribuição de
energia elétrica e estudo de casos. Campinas, 2007. Trabalho de Conclusão de Curso,
Universidade São Francisco, Campinas, 2007.
Descarga atmosférica é um fenômeno da natureza capaz de provocar destruição e até mesmo morte.
O aumento súbito e de grande intensidade de corrente em linhas de transmissão, pode provocar
rompimento de cabos e queima de circuitos elétricos de alta potência e aparelhos eletrônicos no
consumidor final. As proteções contra descargas atmosféricas são utilizadas por todo o percurso da
linha de transmissão desde a unidade geradora de energia até os aparelhos eletrônicos industriais e
residências. As proteções mais conhecidas e utilizadas são o uso de pára-raios, disjuntores, DPS e
fusíveis. Nas concessionárias e subestações são comuns a utilização de pára-raios com a utilização
de varistores tipo ZnO afim de minimizar, e por vezes anular, os efeitos catastróficos das descargas
atmosféricas em linhas de transmissão e transformadores. A análise realizada neste relatório esta
relacionada a linhas de transmissão com parâmetros distribuídos. Inicialmente foi analisado a
curvas de tensão e corrente do circuito sem a utilização do varistor de ZnO e depois foram
considerados para a proteção a utilização de varistores de ZnO.
Palavras-chave: Descargas Atmosféricas 1.Linhas de transmissão 2. Varistores 3.
11
ABSTRACT
Atmospheric discharge is a nature phenomenon that it is able to damage or even let to death. The
fast rise and the great intensity of power in transmission lines can break cables and cause high
power electronic circuitry burnout when it’s in consumer houses. The protection against this
atmospheric discharge is used in all transmission line path, from the power generator to industrial
electronic devices and residences. The most famous protection used are: lightning rods, disjuncture
and fuses. In Powerhouses and substations the used of lightning rods and ZnO varistors are
common, to minimize, or even annulated, the catastrophic of this kind of discharge in transmission
lines and transformers. The analysis that was made in this report is based on transmission lines
distributed parameters. First got the tension and current curves analyzed without using ZnO
varistor, followed by a study using this kind of protection.
Key Words: Atmospheric discharge 1. Transmission line 2. Varistors 3.
12
As páginas da vida são cheias de surpresa... Há muitos capítulos de alegria, mas também de tristeza, Há muitos mistérios e fantasias, Sofrimentos e decepções... Por isso, não rasgue páginas e nem pule capítulos... Não se apresse a descobrir os mistérios... Não perca as esperanças... Pois muitos são os finais felizes. E nunca se esqueça do principal: NO LIVRO DA VIDA, O AUTOR É DEUS!
(Autor desconhecido)
13
COMISSÃO EXAMINADORA
Geraldo Peres Caixeta, Doutor
__________________________________ Prof. Nome (orientador)
João Hermes Clerici, Doutor
__________________________________ Prof. Nome
Luiz Sérgio Carvalho, Doutor
__________________________________ Prof. Nome
__________________________________ Prof. Nome (suplente)
__________________________________ Prof. Nome (suplente)
Campinas, ____ de __________ de 2007.
14
1. INTRODUÇÃO
O fenômeno de descargas atmosféricas é um tema extenso, complexo e que já foi
amplamente abordado, pesquisado e discutido por especialistas, pesquisadores e acadêmicos de
física e engenharia elétrica de todo o mundo, porém ainda hoje há grandes preocupações quanto a
proteção de equipamentos eletro-eletrônicos e linhas de transmissão, para minimizar os efeitos das
descargas atmosféricas sobre os mesmos.
Para que uma proteção seja bem especificada e eficiente, é necessário conhecer alguns
aspectos físicos que causam as descargas, bem como os tipos de solo e o local onde o equipamento
será instalado, pois estas variáveis causam interferências diretas e significativas nos cálculos de
dimensionamento das proteções que serão disponibilizadas.
O conjunto de sistemas de proteção contra descargas atmosféricas (elétricas) também é
chamado de “Coordenação de Isolamento”.
1.1. OBJETIVO
1.1.1. Objetivos Gerais
O trabalho proposto é um estudo de caso sobre o comportamento das linhas de distribuição
no momento em que recebe uma descarga atmosférica, elaborado a partir de literaturas sobre o
tema. E a utilização de software de simulação de transientes.
1.1.2. Objetivos específicos
Modelar linhas de transmissão de parâmetros distribuídos e realizar simulações com alguns
modelos com e sem descarga atmosférica, e também utilizar na configuração pára-raios com
varistores de ZnO e SiC, com o intuito de analisar a diferença de comportamento entre eles.
A configuração desses modelos e simulações, será através de um software especifico em
transientes, o ATP Draw (Alternative Transients Program), e analisado o desempenho de cada
modelo.
15
1.2. METODOLOGIA
O trabalho se baseia em estudos de caso realizado em literaturas especializadas sobre
descargas atmosféricas e seus efeitos causados em linhas de transmissão, bem como as proteções
utilizadas para amenizar tais efeitos. A partir da idéia de um circuito de transmissão de energia
elétrica, foi criado um esboço inicial com o modelo usual de linhas que seria avaliada, para esta
análise foi escolhido o modelo de parâmetros distribuídos para baixa freqüência.
Com o circuito definido foi necessário fazer a configuração do modelo com os tipos de
materiais que seriam utilizados em cada componente. Como por exemplo: tipo de material do cabo,
tamanho da linha de distribuição, etc., pois devido à particularidade do software utilizado o ATP
Draw (Alternative Transients Program), foi necessário á utilização dessas características
especificas.
O objetivo desta análise é observar o comportamento de tensão e corrente em linhas de
transmissão com carga, aberta e em curto, nas seguintes situações:
• Regime de trabalho permanente;
• Regime transitório com descarga atmosférica no centro da LD;
• Com descarga atmosférica sem utilização de pára-raios.
• Com descarga atmosférica e utilização de pára-raios de ZnO.
• Com descarga atmosférica e utilização de pára-raios de SiC.
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1. HISTÓRIA
A descarga atmosférica sempre existiu, fazendo parte da própria evolução e formação da
Terra. No início há milhões de anos, no processo de resfriamento do planeta, tempestades violentas
existiam em abundância. Com o resfriamento da Terra, as tempestades se estabilizaram, mantendo-
se num equilíbrio natural. Hoje, devido principalmente à ação humana, alterações rápidas neste
equilíbrio estão acontecendo, podendo causar modificações históricas até então registradas,
alterando os parâmetros empíricos nos estudos estatísticos dos raios.[4]
16
Como a ação do raio é acompanhada pela luminosidade e trovoada, sua presença sempre foi
respeitada e observada, tendo-se encontrado registros em 2000a.C., na Mesopotâmia.
Na antiguidade, o raio estava sempre associado a deuses e divindades, sendo fartamente
apresentado na literatura grega de 700a.C., onde os registros mitológicos mostram Zeus como sendo
o deus do raio. Na mitologia chinesa, a deusa Tien Mu cuidava das trovoadas e Lien Tsu era o deus
do trovão.
Com o decorrer dos anos os registros de raios passaram a ser rotinas, sendo citados, inclusive, na
Bíblia, e em outros documentos.
Antigamente, os efeitos destrutivos dos raios eram associados às pedras incandescentes que
violentamente caíam do céu na ponta do raio. Só no século XVIII começaram os pesquisadores a
associar o raio aos fenômenos da descarga elétrica das cargas acumuladas nas nuvens. Deste modo,
o arco elétrico associado à descarga explicou a luminosidade do raio, sendo o ruído (trovoada)
produzido pelo rápido aquecimento e expansão súbita do ar.
Neste mesmo século, as experiências de Benjamin Franklin (1706-1790) e Romas,
mostraram através de uma pipa, a existência de cargas elétricas nas nuvens. A experiência foi feita
durante uma tempestade, onde uma pipa foi içada conectada a um fio condutor.
Franklin registrou que sentiu pequenas descargas elétricas intermitentes pelo seu corpo. Já o
pesquisador russo G. W. Richman não teve a mesma sorte, pois ao repetir a experiência de Franklin,
morreu fulminado pelo raio que caiu em sua pipa. Após este fato, vários pesquisadores amarravam
balões e pipas a animais, como cavalos e ovelhas, para estudar o efeito e reação muscular devido ao
raio.
Ele partiu da seguinte hipótese: a descarga que saltava de um capacitor, conhecido na época
com o nome de garrafa de Leyden, incluindo faísca e ruído, equivaleria, em menor escala, à
descarga atmosférica, relâmpago e trovão. Para verificar se essa hipótese era verdadeira, ele propôs
um experimento: colocar uma haste metálica abaixo de uma nuvem de tempestade e aproximar dela
um corpo aterrado, que esteja em contato com o solo para descarregar a eletricidade que vai ser
passada pela haste. Em maio de 1752, o cientista francês Thomas-François D'Alibard (1703-1799)
realizou o experimento proposto por Franklin. Levantou uma barra de ferro pontiaguda na direção
de nuvens de tempestade e aproximou desta um fio aterrado, verificando que faíscas saltavam do
17
mastro para o fio. Além de provada a hipótese de Franklin, se estabeleceu assim o princípio do
funcionamento dos pára-raios.
Hoje, para estudar o raio, usa-se processo mais sofisticado, como o de criar entre o
laboratório e a nuvem um caminho de ar ionizado produzido pelo lançamento de foguetes. Através
do caminho de ar ionizado a probabilidade do raio escoar para a Terra é maior.
Desta maneira, pode-se examinar melhor o raio através de máquinas fotográficas rotativas
especiais de alta velocidade, que foram desenvolvidas para congelar várias tomadas sucessivas do
raio, e oscilógrafos especiais podem acompanhar seu desempenho.
2.2. DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
A descarga atmosférica, também conhecida como raio, são descargas elétricas de grande
extensão (alguns quilômetros) e de grande intensidade (picos de intensidade de corrente acima de 1
kA), que ocorrem devido ao acúmulo de cargas elétricas em regiões localizadas da atmosfera, em
geral dentro de tempestades. A descarga inicia quando o campo elétrico produzido por estas cargas
excede a capacidade isolante, também conhecida como rigidez dielétrica, do ar em um dado local na
atmosfera, que pode ser dentro da nuvem ou próximo ao solo. Quebrada a rigidez, tem início um
rápido movimento de elétrons de uma região de cargas negativas para uma região de cargas
positivas. Existem diversos tipos de descargas, classificadas em função do local onde se originam e
do local onde terminam.[4]
Figura 2.2.1. Representação de uma descarga Atmosférica. Fonte: Descargas Atmosféricas, 2005 – Visacro Filho, Silvério.
18
Figura 2.2.2. Representação de registro de corrente uma descarga Atmosférica. Fonte: Descargas Atmosféricas, 2005 – Visacro Filho, Silvério.
Descargas atmosféricas podem ocorrer da nuvem para o solo (descarga negativa), do solo
para a nuvem (descarga positiva), dentro da nuvem (descarga bipolar), da nuvem para um ponto
qualquer na atmosfera, denominados descargas no ar, ou ainda entre nuvens.
De todos os tipos de descargas, o tipo intranuvem são as mais freqüentes, em parte devido
ao fato de a capacidade isolante do ar diminuir com a altura em função da diminuição da densidade
do ar, em parte devido às regiões de cargas opostas dentro da nuvem estarem mais próximas que no
caso dos outros relâmpagos. Globalmente, elas representam aproximadamente 70% do número total
de descargas. Este percentual varia com a latitude geográfica, sendo em torno de 80 a 90% em
regiões próximas ao equador geográfico e em torno de 50 a 60% em regiões de médias latitudes.
2.2.1. TIPOS DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
2.2.1.1. Descargas Atmosféricas Negativas
Uma nuvem carregada negativamente em sua base, induz ao solo uma carga de sinal
contrário, causando assim uma diferença de potencial entre o solo e a nuvem da ordem de Mega
Volts, quando o campo elétrico é muito grande atingindo valores superiores á rigidez dielétrica do
ar ocorre uma descarga elétrica intensa que constitui um canal ionizado de plasma, cuja extensão
pode chegar a dezenas de metros.
19
Figura 2.2.3. Representação de descarga Atmosférica. Fonte: Descargas Atmosféricas, 2005 – Visacro Filho, Silvério.
A coluna de plasma carregada negativamente tende a sentido para baixo, na região inferior
externa à nuvem, formando então o canal precursor.
As descargas elétricas podem ser ascendentes ou descendentes, à medida que o canal
precursor carregado negativamente se aproxima do solo, na região abaixo do canal, aumentam a
densidade das cargas positivas induzidas na superfície do solo e o campo elétrico associado.
Quando o canal descendente alcança distância de poucas centenas de metros da superfície do solo,
dependendo das características do relevo local, o campo no solo torna-se tão intenso, que pode dar
origem a descargas elétricas ascendentes. [4]
Figura 2.2.4. Representação da conexão do canal precursor ascendente e descendente. Fonte: Descargas Atmosféricas, 2005 – Visacro Filho, Silvério.
20
2.2.1.2. Descargas Atmosféricas Positivas
A nuvem de tempestade mostra uma região superior extensa carregada positivamente.
Porém esta forma de nuvem é dinâmica, em diversas situações, ocorre um deslocamento maior da
parte superior da nuvem, deixando a descoberta partes da nuvem carregadas positivamente.[4]
Figura 2.2.5. Representação de descarga positiva. Fonte: Descargas Atmosféricas, 2005 – Visacro Filho, Silvério.
2.2.1.3. Descargas Atmosféricas Bipolar
Em alguns raríssimos casos, os registros de descargas atmosféricas mostram um
comportamento particular da onda medida, no qual esta apresenta uma oscilação do sinal de
corrente. Inicialmente, ocorre o fluxo de uma corrente negativa, segundo a forma típica da primeira
onda de descarga negativa. Entretanto, após esta se anular, passa a fluir pelo canal uma corrente
positiva, também com formato impulsivo. Este tipo de descarga pode ocorrer admitindo que a
extremidade superior do canal de uma descarga originalmente negativa encontra um canal
conectado a um centro de carga positivo na nuvem. Assim, a carga positiva desate último canal se
descarrega pelo canal conectado a terra, caminho original da descarga negativa.[4]
21
Figura 2.2.6. Representação da forma de onda de corrente de uma descarga bipolar. Fonte: Descargas Atmosféricas, 2005 – Visacro Filho, Silvério.
As características principais do surto atmosférico são sua forma de onda, amplitude máxima,
taxa de crescimento da frente de onda e tempo de descaimento. (Figura 2.2.7 e Figura 2.2.8).
Deve-se ressaltar que existe uma relação diretamente proporcional entre intensidade da
corrente e o tempo para alcançar seu valor máximo. Assim, uma taxa de crescimento muito rápida
normalmente é acompanhada de valores de crista bastante elevados [7].
Figura. 2.2.7. Probabilidade de amplitudes máximas (Noblat, 1994). 1. Média IEEE; 2. Descargas positivas; e 3. Descargas negativas.
22
Figura 2.2.8. Probabilidade de taxas de crescimento (Noblat, 1994). 1. Descargas positivas; e 2. Descargas negativas.
2.3. TEMPESTADES
As tempestades são caracterizadas por relâmpagos e trovões. Elas são produzidas por uma
ou mais nuvens Cúmulus Nimbus (Cb), também conhecidas como nuvens de tempestade. Ocorre
basicamente do encontro de fortes correntes ascendentes de ar quente e úmido, e de frente frias
superiores que se deslocam a maiores altitudes e que envolvem intensos fluxos descendentes.
Uma típica nuvem de tempestade tem um diâmetro de 5-10km, alcança altitudes de 10-
20km, dura em média 30-60min e move-se com uma velocidade de 40-50km/h.
Normalmente elas podem ser identificadas por seus largos e brilhantes topos
esbranquiçados, que se projetam na direção dos ventos formando uma saliência denominada
bigorna. Cerca de 2.000 tempestades estão sempre ocorrendo, o que significa que 16 milhões
ocorrem anualmente em nosso planeta. A freqüência de tempestades em um dado local depende de
vários fatores, entre eles a topografia, a latitude, a proximidade de massas de água. Uma pequena
percentagem das tempestades que ocorrem todo ano é considerada tempestades severas, isto é,
produzem ao menos uma das seguintes características: granizo com diâmetro igual ou maior que
2cm, ventos de ao menos 90km/h ou tornados.
23
Nuvens de tempestade são formadas sempre que existir bastante movimento vertical,
instabilidade vertical e umidade, de modo a produzir uma nuvem que alcance altitudes com
temperaturas abaixo do nível de congelamento. Estas condições são mais freqüentemente
encontradas no verão e durante à tarde e início da noite, mas podem ser encontradas em todas as
estações e em todas as horas do dia. O movimento vertical pode ser causado por um gradiente no
perfil de temperatura ou por processos de levantamento, tais como as brisas ao longo das costas,
frentes frias ou quentes, áreas de baixa pressão com convergência horizontal de ventos e montanhas.
No primeiro caso, o ar mais quente (mais leve) próximo à superfície da Terra tende a deslocar-se
para cima trocando de posição com o ar mais frio (mais pesado) nos níveis mais altos, que tende a
deslocar-se para baixo.
Tempestades formadas por este processo são geralmente chamadas tempestades associadas a
massas de ar. Elas tendem a ser menos severas do que os outros tipos de tempestades, embora sejam
ainda capazes de produzirem rajadas. No processo de levantamento, o ar próximo à superfície da
Terra é empurrado para cima por outra massa de ar ou ao se chocar com uma montanha. Algumas
vezes mais de um processo de levantamento pode ocorrer simultaneamente.
(a) (b)
(a) Nuvem Cúmulus Nimbos (Cb). Primeira etapa no processo de geração de uma nuvem de
tempestade com uma única célula.
(b) Nuvem de tempestade com uma única célula no estágio de desenvolvimento.
(c) Nuvem de tempestade com uma única célula no estágio maduro, apresentando dois centros de
cargas elétricas.
24
(d) Nuvem de tempestade com uma única célula no estágio dissipativo. Em geral, somente cargas
positivas permanecem dentro da nuvem neste estágio.
(e) Após a nuvem de tempestade com uma única célula se dissipar, a bigorna permanece na forma
de nuvens cirrostratus e altostratus.
(c) (d) (e)
Uma nuvem de tempestade composta por uma única célula tem um ciclo de vida que
consiste de três estágios: formação, maturação e dissipação. No estágio de formação as correntes de
ar ascendentes predominam dentro da célula. Em geral pouca chuva e poucos ou mesmo nenhum
relâmpago ocorrem. No estágio maduro, ambos movimentos de ar ascendentes e descendentes
ocorrem. A bigorna é, em geral, formado basicamente por cristais de gelo. É neste estágio que a
maioria das chuvas, relâmpagos, granizo, ventos fortes e tornados ocorrem. A chuva e o granizo em
precipitação arrastam o ar consigo para baixo, intensificando as correntes de ar descendentes e
produzindo frentes de rajadas, à medida que o ar espalha-se ao alcançar o solo. Finalmente, no
estágio dissipativo, o movimento do ar é predominantemente descendente e a intensidade da chuva
e da atividade de relâmpagos diminui, embora permaneça significante.
A nuvem gradualmente se dissipa. Os ventos nos níveis superiores espalham os cristais de
gelo, de modo que a bigorna é a última parte que resta da nuvem, tomando uma forma semelhante a
nuvens cirrostratus e altostratus. Cada estágio, dura em média de 10 a 20 min.
Nuvens de tempestade podem ocorrer sozinhas, em linhas ou em aglomerados. Uma nuvem
de tempestade sozinha ou isolada pode ser formada por uma única célula, por várias células
(multicelular) ou por uma super célula. Enquanto que uma tempestade isolada, formada por uma
única célula, dura normalmente menos de uma hora, tempestades isoladas multicelulares ou super
25
celulares, bem como tempestades em linhas ou em aglomerados, podem afetar uma região por
várias horas. Uma nuvem de tempestade multicelular consiste de várias células adjacentes umas as
outras e em vários estágios de desenvolvimento. As células interagem entre si de tal modo que as
correntes de ar descendentes de uma célula em dissipação pode intensificar as correntes de ar
ascendentes de uma célula adjacente. A maioria das nuvens de tempestade tem mais de uma célula,
isto é, são multicelulares. Diferentemente de uma tempestade formada por uma única célula, nuvens
de tempestade multicelulares podem, algumas vezes, tornarem-se tempestades severas. Nuvens de
tempestade do tipo supercelulares são consideradas as maiores nuvens de tempestade. Elas são
basicamente umas células gigantes, caracterizadas por uma persistente corrente de ar ascendente
com forte movimento giratório. Sua existência está relacionada ao perfil vertical de cisalhamento do
vento e a instabilidade da atmosfera. Elas são freqüentemente classificadas como tempestades
severas, sendo responsáveis pela maioria dos largos tornados ou tempestades de granizo. Entretanto,
nem toda nuvem de tempestade do tipo supercélula produz tornado. Nuvens de tempestade do tipo
supercelulares são eletricamente mais ativas do que as nuvens de tempestades isoladas ou
multicelulares. Existem vários fatores que influenciam a severidade de uma nuvem de tempestade
do tipo super célula.
Os principais fatores são a intensidade das correntes de ar ascendentes e a velocidade dos
ventos nos níveis superiores.
Conforme descrito anteriormente, quando a atmosfera está estável, o campo elétrico local,
dependendo das condições de ionização, é caracterizado por uma carga negativa na superfície e uma
carga positiva na alta atmosfera. No caso dos Cúmulos Nimbus, as cargas iônicas ocorrem quando
internamente surgem regiões separadas com cargas elétricas opostas.
As partículas de carga positiva mais leves são elevadas para o topo pelas correntes de ar
ascendentes e as de carga negativa, descem para a base da nuvem.
As regiões com cargas elétricas opostas aparecem, por exemplo, quando partículas de gelo
(como granizos) caem sobre uma região em que existe gotas líquidas super-arrefecidas e cristais de
gelo. As gotas congelam quando entram em contato com cristais de gelo e libera calor latente que
faz a superfície das partículas de gelo se manter mais quente do que os cristais de gelo à sua volta.
Assim ocorre uma transferência de íons positivos das partículas de gelo quentes para os cristais de
gelo. Estas ficam negativamente carregadas e os cristais de gelo positivamente carregados. Estes,
26
estando mais leves e com carga positiva, são elevados para cima pelas correntes de ar ascendentes e
as partículas de gelo (como granizos), mais pesadas, e com carga negativa, caem para a base da
nuvem.
As cargas opostas se atraem, assim, uma carga positiva é induzida no solo. O campo elétrico
resultante vai crescendo até que atinge um valor crítico a partir do qual o raio se forma.
Na descarga, uma primeira vaga de elétrons é lançada para a base da nuvem e depois em
direção ao solo colidindo com moléculas de ar que ionizam, formando um canal condutor que
facilita o trajeto de outros elétrons.
A forma bifurcada do caminho da corrente de elétrons resulta do fato de haver pequenas
variações na resistência do ar.
As ondas sonoras geradas pelo movimento das cargas elétricas na atmosfera são
denominadas trovões. Resultado do aumento da temperatura do ar por onde o raio passa, os trovões
podem ser perigosos, nas proximidades de onde o fenômeno acontece.
O trovão é uma onda sonora provocada pelo aquecimento do canal principal durante a
subida da descarga de retorno. Devido á alta variação de temperatura no canal, e a subseqüente
variação da pressão a sua volta, o ar aquecido se expande e gera duas ondas: a primeira é uma
violenta onda de choque supersônica, com velocidade muitas vezes maior que a velocidade do som
no ar e que nas proximidades do local da queda é um som inaudível para o ouvido humano; a
segunda é uma onda sonora de grande intensidade a distâncias maiores. Essa constitui o trovão
audível.
Os meios de propagação dos trovões são o solo e o ar. A freqüência dessa onda sonora,
medida em Hertz, varia de acordo com esses meios, sendo maiores no solo. A velocidade do trovão
também varia com o local onde se propaga. O trovão ocorre sempre após o relâmpago, já que a
velocidade da luz é bem maior que a do som no ar. O que escutamos é a combinação de três
momentos da propagação da descarga no ar: primeiro, um estalo curto (um som agudo que pode
ensurdecer uma pessoa) gerado pelo movimento da descarga de retorno no ar. Depois, um som
intenso e de maior duração que o primeiro estalo, resultado da entrada ou saída da descarga no solo
e por último, a expansão de sons graves pela atmosfera ao redor do canal do relâmpago. Podemos
ter uma percepção do som diferente, mas essa ordem é a mesma, aqueles estalos característicos dos
27
trovões, além de dependerem da distância entre o objeto e a fonte, se relacionam com as
deformações do canal e de suas ramificações. Quanto mais ramificado o canal, maior o número de
estalos no trovão. Se o observador estiver próximo do relâmpago (a menos de 100 metros, por
exemplo) o estalo será parecido a de uma chicotada. Isso está associado à onda de choque que
antecede a onda sonora.
A duração dos trovões é calculada com base na diferença entre as distâncias do ponto mais
próximo e do ponto mais afastado do canal do relâmpago ao observador. Por causa dessa variação
de caminhos, o som chega aos nossos ouvidos em instantes diferentes. Em média, eles podem durar
entre 5 e 20 segundos.
2.4. CARACTERISTICAS ELÉTRICAS DA TERRA
A carga elétrica espacial positiva, contida na região compreendida entre a superfície do solo
e uma altura da ordem de 10 km, praticamente iguala a carga negativa da terra (aprox. 500.000 C).
Considerando a condutividade do ar na região de bom tempo, a existência desta carga determina o
continuo fluxo de uma corrente positiva do ar para o solo (entre 750 a 2000A). [4]
Figura 2.4.1. Representação do circuito elétrico global. Fonte: Descargas Atmosféricas, 2005 – Visacro Filho, Silvério.
28
Figura 2.4.2. Representação do circuito Elétrico equivalente simplificado. Fonte: Descargas Atmosféricas, 2005 – Visacro Filho, Silvério.
As nuvens de tempestades, com seus centros de cargas positivas e negativas separados
funcionam como geradores no circuito, então o planeta pode ser visualizado como composto por
duas camadas condutoras (o solo e a ionosfera) separadas por uma camada de baixa condutividade
(o ar), na qual se posicionam as nuvens de tempestades. A corrente circula de cima (região
negativamente carregada) para a ionosfera, seguindo os caminhos de alta condutividade desta
camada e complementa o circuito retornando ao solo pela região de bom tempo (região sem
tempestades). [4].
29
2.5. TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA
Transmissão de Energia Elétrica é o processo de transportar energia entre dois pontos. O
transporte é realizado por linhas de transmissão de alta potência, geralmente usando corrente
alternada, que de uma forma mais simples conecta uma usina ao consumidor.
A transmissão de energia é dividida em duas faixas: a transmissão propriamente dita, para
potências mais elevadas e ligando grandes centros, e a distribuição, usada dentro de centros
urbanos, por exemplo.
Cada linha de transmissão possui um nível de tensão nominal, aonde encontramos linhas de
até 750 kV, com diversos estudos e protótipos em 1 a 1,2 MV. As linhas de distribuição são
usualmente na faixa de 13,8 kV. Para a conversão entre níveis de tensão, são usados
transformadores.
Em sistemas de grande porte, é usual a interligação redundante entre sistemas, formando
uma rede. O número de interligações aumenta a confiabilidade do sistema, porém aumentando a
complexidade. A interligação pode tanto contribuir para o suprimento de energia quanto para a
propagação de falhas do sistema. Um problema que ocorra em um ponto da rede pode afundar a
tensão nos pontos a sua volta e acelerar os geradores, sendo necessário o desligamento de vários
pontos, incluindo centro consumidores, havendo o aparecimento de apagões ou blecautes.
2.5.1. PROTEÇÕES CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
Não existe uma proteção 100% segura, o que fazemos é diminuir os riscos de danos aos
equipamentos e instalações, através de dispositivos de proteção.
As instalações elétricas e proteções são orientadas pela ABNT em várias normas: Norma
específica para "Proteção de Estruturas Contra Descargas Atmosféricas", a NBR 5419, norma
regulamentadora Nº 10 (NR-10) “Segurança em Instalações e Serviços em Eletricidade”, e ainda
uma outra para instalação e proteção em “Linhas de Transmissão” NBR 5422.
A função dos níveis de proteção é detectar a ocorrência de faltas ou condições anormais ao
sistema elétrico de potência, e removê-las o mais rápido possível. Tal sistema deve retirar de
operação apenas o elemento sob falta, visando uma maior continuidade no fornecimento de energia
30
elétrica. A interrupção no fornecimento de energia elétrica deve então ser minimizada ou, se
possível, evitada.
Na proteção de linhas de transmissão são utilizadas diversas classes de relés. Os mais
freqüentemente empregados são os relés de distância que calculam a impedância aparente da linha
entre a localização do relé e o ponto em que a falta ocorreu. Como a impedância por quilômetro da
linha de transmissão pode ser considerada constante, através do cálculo da impedância aparente, o
relé aponta a distância da falta na linha.
Os relés digitais de impedância encontram uma certa dificuldade na estimativa correta da
localização da falta devido a ruídos introduzidos pela falta sob forma de componentes de tensão
continua e harmônicos de alta freqüência presentes nos sinais de tensão e corrente, acarretando
erros na estimativa das impedâncias reais.
Figura 2.5.1. Mapa Isoceráunico do Brasil. Fonte: ABNT NBR 5419:2001.
31
2.5.2. SISTEMAS DE PROTEÇÃO EM LINHA DE TRANSMISSÃO
Por serem diretamente expostas ao tempo, as linhas de transmissão são susceptíveis a
receberem descargas atmosféricas, podendo dessa maneira sofrer interrupções e desligamentos. Os
desligamentos indesejados são usados como parâmetro para a medição da qualidade de serviço
prestado pela Cia. de energia. Além do número de desligamentos, o valor mínimo de tensão na linha
também é parâmetro de avaliação.
Dados estatísticos mostram que a descarga atmosférica é o principal motivo pelos
desligamentos ocorridos nas linhas de transmissão, por esse motivo se faz necessário um
aprendizado mais minucioso dos mecanismos de desligamentos.
Em muitas situações é difícil assegurar os índices exigidos em normas, principalmente
quando a linha atravessa regiões que possuem altos índices de descarga atmosférica e solo de alta
resistividade.
Os desligamentos da linha de alta tensão devido às descargas atmosféricas podem ocorrer de
duas maneiras:
• Incidência direta nos cabos energizado;
• Incidência nos cabos de blindagem.
2.6. MECANISMO DE RUPTURA DE ISOLAMENTO EM LINHA DE
TRANSMISSÃO SEM CABOS DE BLINDAGEM: “O FLASHOVER”.
O mecanismo de ruptura do isolamento, associado à descarga atmosférica direta, é chamada
de descarga disruptiva no isolamento (flashover).[4]
Considerado uma linha monofásica sem cabo de blindagem no momento em que sofre uma
descarga atmosférica, uma corrente Ip circula na mesma. A linha de transmissão pode ser
representada por uma impedância ZL ZL=[(R+jωL) / (G+jωC)]¹/², onde R é a resistência, L é a
indutância, C é a capacitância e G a condutância. Ω é a freqüência angular (ω = 2 π f). No instante
zero da descarga sobre os cabos a impedância se aproxima da impedância de surto ZS ZS =
(L/C)¹/².
32
Observando a figura 2.6.1 abaixo, consideramos:
Figura 2.6.1. Estágios da Descarga Atmosférica. Fonte: Descargas Atmosféricas, 2005 – Visacro Filho, Silvério.
1° estágio – Incidência da descarga, propagação da corrente na linha causando sobre tensão.
2º estágio – Propagação da corrente e da tensão, onde (Vp = ZS * IP).
3° estágio – As ondas de corrente e tensão se propagam ao longo da linha de transmissão até
alcançarem a primeira estrutura aterrada, o isolador que separa o condutor energizado da estrutura
(eletricamente conectado ao solo) fica submetido à onda de sobretensão.
4° estágio – Caso a sobretensão for muito elevada pode causar um arco voltaico sobre o isolador.
A corrente de descarga flui em direção ao solo através do arco e encerra em poucos
segundos, porém em alguns casos o arco pode se manter devido à área estar ionizada. Caso o arco
se manter, é caracterizado um curto-circuito, podendo então causar um desligamento da linha
devido a corrente de curto-circuito.
Em alguns casos podem danificar os isolamentos, para que isso não aconteça é possível à
instalação de cabos de blindagem ou cabos pára-raio sobre os condutores energizados. Os cabos são
conectados diretamente entre a estrutura e o solo.
33
2.7. MECANISMO DE DISRUPÇÃO NUMA LINHA BLINDADA: “O
BACK-FLASHOVER”
Os cabos de blindagem são instalados sobre a linha de transmissão e conectados no topo da
estrutura da torre que se metálica conduz a descarga para o solo, ou então possui cabos de descidas
até o solo.
Figura 2.7.1. Representação do fenômeno Back-flashover. Fonte: Descargas Atmosféricas, 2005 – Visacro Filho, Silvério.
Mesmo com os cabos de blindagem, pode ocorrer rompimento dos isolamentos da linha, tal
mecanismo é chamado de “back-flashover”. Com esse rompimento do isolamento deve ser
observado o comportamento dos isoladores, que isolam os cabos fase energizado da estrutura
metaliza da torre.
Quando ocorre descarga sobre o cabo de blindagem da linha, inicia-se a onda de corrente
para cada lado do condutor. Ao encontrar com a estrutura uma parcela menor da corrente continua
seguindo pelos cabos pára-raios e maior parte desce pela estrutura em direção ao solo.
A corrente que percorre a estrutura da torre está associada a uma tensão. Onde a tensão é
obtida pelo produto da impedância de surto (ZS) e pela corrente que circula na estrutura.
34
2.8. SISTEMAS DE PROTEÇÃO
A invenção dos pára-raios permitiu maior segurança contra as descargas atmosféricas. Ele
faz parte do que hoje se chama de sistema de proteção. Esses sistemas foram feitos para proteger
construções e seus ocupantes dos efeitos da eletricidade dos relâmpagos. Ele cria um caminho, com
um material de baixa resistência elétrica, para que a descarga entre ou saia pelo solo com um risco
mínimo às pessoas presentes no local. Um sistema é dividido em três componentes:
• Captores;
• Os condutores de descida;
• E o terminal de aterramento.
Os captores podem ser de diversos tipos, porém o mais usual é constituído por uma haste
metálica rígida e pontiaguda, montada numa base ou tripé no ponto mais alto da estrutura, que
deverá capturar a descarga. É normalmente conhecido pelo nome de pára-raio. Existem dois
modelos básicos de pára-raios: o “Captor do tipo Franklin" e a “Gaiola de Faraday”. O método de
captor Franklin é constituído por uma haste metálica, sendo mais barato, mas pouco seguro, pois
funciona de acordo com probabilidades. O segundo consiste em um sistema de vários receptores,
uma rede de condutores envolvendo a estrutura, como uma gaiola. Esse sistema proporciona maior
proteção. A haste dos pára-raios deve ser em ângulo pontiaguda pois desse modo têm maior poder
de níveis de proteção. Em ambos, seus materiais devem ser rígidos para suportar o impacto da
descarga, além de ter um elevado ponto de fusão, não derretendo com o calor gerado pela descarga.
E por último, o material da haste deve ser bom condutor. Os condutores de descida são cabos
metálicos que unem o terminal aéreo ao terminal de aterramento. Nos edifícios, eles são dispostos
em paredes sem janelas, por questão de segurança. Os terminais de aterramento são hastes,
geralmente de cobre, enterradas no chão, a um nível que dependerá do tipo de solo e do tipo de
construção que se deseja proteger. Os minerais que compõem o solo determinam melhores
resultados no escoamento da descarga. Outros pára-raios, chamados de captores radioativos
utilizam um elemento radioativo, o Américo, para atrair raios. Esses aparelhos possuem fabricação e
utilização proibida, regulamentado pelo CNEN, por não garantirem uma proteção eficiente. Existem
componentes não convencionais dos sistemas de proteção que desativam momentaneamente um
aparelho, um instrumento ou transmissor elétrico nas proximidades do local de queda do relâmpago.
A tensão desses instrumentos pode aumentar e esse aumento é denominado surto de tensão ou
sobretensão. Os supressores de surto ou pára-raios eletrônicos são componentes adicionados aos
35
sistemas convencionais protegendo contra as sobretensões. Centelhadores, varistores, diodos zener,
são exemplos comuns de supressores.
• Proteção através de Captores (Pára-raios) tipo Franklin:
Figura 2.8.1. Pára-Raios tipo Franklin. Fonte: Descargas Atmosféricas, 2005 – Visacro Filho, Silvério.
Essa técnica foi proposta por Franklin e seu princípio de funcionamento é o de criar uma alta
concentração de cargas elétricas que juntamente com um campo elétrico intenso, produz a ionização
do ar, com o rompimento da rigidez dielétrica do ar, o raio surge entre a nuvem e a haste aterrada ao
solo. É bom lembrar que o cabo terra deve estar dentro das normas de aterramento, pois, caso ele
esteja inadequado (resistência acima da especificada pela NBR5419, hoje 10Ω), sendo que a mesma
será medida através de equipamentos adequados, poderemos ter sérios problemas quando um raio
ocorrer. As tensões induzidas no solo, por exemplo, podem levar uma pessoa à morte.
36
• Proteção por Gaiola de Faraday:
Figura 2.8.2. Proteção tipo Gaiola de Faraday. Fonte: Descargas Atmosféricas, 2005 – Visacro Filho, Silvério.
Michael Faraday, cientista que viveu no século XIX, desenvolveu uma proteção contra
descargas atmosféricas, este dispositivo nada mais é do que um cubo feito de tela de fio condutor
(arame, por exemplo). Quando um raio cai sobre a tela, cada "quadrícula" da malha metálica
funciona como uma espira de bobina. A reação do raio torna o campo eletromagnético dentro da
gaiola nulo, desviando para a Terra a corrente gerada. Dizem os historiadores que, quando Faraday
revelou sua descoberta, à comunidade científica da época, seus colegas zombaram da sua teoria.
Para provar suas convecções, Faraday pegou seu filho e, cobrindo-lhe os olhos com um pano
escuro, colocou-o dentro de uma gaiola de malha metálica. Diante das autoridades científicas, ele
ligou um autotransformador, cujo secundário estava próximo à gaiola aterrada. Após elevar a tensão
para milhares de volts, várias descargas (raios) atingiram a gaiola. Quando o transformador foi
desligado, retirou seu filho ileso da gaiola, para espanto de todos. O princípio de Faraday é utilizado
tanto para alta tensão, quanto para baixa tensão, e torres de transmissão de rádio e TV.
37
2.9. PÁRA-RAIOS COM VARISTORES
2.9.1. Varistores
Existem vários tipos de varistores no mercado mundial e quatro empresas que dominam essa
tecnologia: Matsushita, no Japão; Asea Brown Boveri e Siemens, na Europa; e General Electric, nos
Estados Unidos. O varistor é um sistema complexo, tem pelo menos oito componentes formados
por óxidos diferentes e uma seqüência de tratamento térmico que são guardados como segredo
industrial.
Desenvolvido no Japão na década de 70, para proteger equipamentos de baixa tensão, o
dispositivo foi adaptado pelos norte-americanos para trabalhar com alta tensão. Os varistores mais
comunus disponíveis no mercado são à base de óxido de zinco (ZnO), e carboneto de silício (SiC).
Figura 2.9.1. Composição interna de um pára-raios ZnO. Fonte: Avaliação do estado e do comportamento de pára-raios de média e alta tensão – Sobrinho, Paulo; Filho, Durvaldo; Bacega, Wilson; Ramos, João.
A principal diferença entre os dois tipos de varistores é o coeficiente de não lineariadade. O
varistor de SiC possui um coeficiente de não-linearidade de resistência baixo, comparado ao de
ZnO. O coeficiente de não-linearidade é um fator que determina a quantidade de variação da
resistência ôhmica do varistor para um dado incremento de tensão. Por esta propriedade,
38
usualmente os pára-raios de ZnO não utilizam centelhadores (gap´s), enquanto que para os pára-
raios com SiC são obrigatórios.
2.9.1.1. Pára-raios com Varistores de SiC.
Construído com resistor não linear de carboneto de silício (SiC) em série com um gap
(centelhador), ambos posicionados em um invólucro vedado. O resistor não linear permite a
extinção do arco originado a partir da atuação do centelhador.
Em geral são utilizados diversos blocos não lineares em série para obtenção dos níveis de
tensão necessários.
Problemas com pára-raios com SiC:
• Nível de proteção dependente do gap (centelhador);
• Problemas na vedação do invólucro (penetração de umidade, degradação das
pastilhas não-lineares, explosões, etc.).
Figura 2.9.2. Curva característica na carga com pára-raios de SiC. Fonte: Análise de redes elétricas no domínio do tempo – Filho, Clever; Almeida, Fuad; Conti, Alberto.
39
2.9.1.2. Pára-raios com Varistores de ZnO.
A partir da década de 80 houve um grande avanço no sentido de procura de alternativas para
melhorar o desempenho dos pára-raios existentes, uma das alternativas foi à utilização de Oxido de
zinco (ZnO). Ao pára raios de ZnO tem uma série de vantagens na redução de interrupções das
linhas de transmissão por queda de raios [3]:
• Facilidade de identificação e de substituição de unidades defeituosas em campo;
• A instalação de pára-raios de ZnO apenas nas torres que historicamente apresentam
registros de queima de isoladores, pode reduzir as taxas de desligamentos das linhas
por descargas atmosférica;
• Facilidade de instalação, e aumento de unidade de pára-raio caso necessário;
• Eliminação de cabos de pára-raio, entre outras.
Construído com resistor não linear de óxido de zinco (ZnO), sem gap. O óxido de zinco é
um material com características extremamente não lineares:
• Curva V x I com inclinação quase infinita antes da operação;
• Curva V x I com inclinação quase horizontal após a operação.
A equação 1 demonstra como é feita a relação entre a tensão e corrente no varistor:
q
Vref
Vpi
= ; p, Vref e q são constantes.
Equação 1
40
Figura 2.9.3. Curva característica na carga com pára-raios de ZnO. Fonte: Análise de redes elétricas no domínio do tempo – Filho, Clever; Almeida, Fuad; Conti, Alberto.
Os varistores são cerâmicas policristalinas e como todo material policristalino possuem alta
concentração de defeitos estruturais, superficiais e eletrônicos (intrísecos e extrínsecos, quando
dopados). O tipo e a quantidade destes defeitos estão diretamente relacionados com as diversas
etapas de processamento empregado na obtenção das peças cerâmicas. Portanto, estes sistemas têm
como característica principal à presença de grãos, os quais estão interligados por uma interface que
é tida como fator determinante das propriedades elétricas. Os varistores são corpos cerâmicos
altamente densos, com característica não-ôhmica. Estes materiais atuam como dispositivos de
proteção em equipamentos eletroeletrônicos, cuja função é restringir sobre-tensões transitórias, ou
seja, tem como principal função manter o valor do potencial elétrico quando ocorre um grande
aumento na intensidade do campo elétrico aplicado (sobretensão). Os varistores são também
conhecidos como resistores não lineares ou limitadores de tensão.
Os varistores podem ser ligados em série ou paralelo com o circuito a ser protegido.
Série: Usualmente instalado juntamente com o centelhador. A desvantagem desta instalação
é que a sobrecarga geralmente causa rompimento do varistor.
41
Paralelo: É o caso ideal. O centelhador descarrega a maior parte de energia enquanto para
surtos pequenos, o varistor atua descarregando a sobre tensão para terra. É limitando para um valor
suportável.
Figura 2.9.4. Ligação paralela do Varistor. Fonte: Descargas Atmosféricas, 2005 – Visacro Filho, Silvério.
2.9.2. Característica Tensão x Corrente
Resistores não-ôhmicos (varistores), são materiais cerâmicos densos, caracterizados por uma
resistência elétrica que diminui com o aumento do potencial aplicado, ou seja, são materiais que não
obedecem à lei de Ohm:
R
UI =
Equação 2
Em que U é a diferença de potencial aplicada, R é a resistência e I a corrente que passa pelo
circuito. Para os materiais varistores essa equação é modificada pelo fato que a corrente não varia
linearmente com o potencial aplicado, ficando:
α
=
C
UI
Equação 3
Em que C é uma constante chamada de resistência não-ôhmica e α de coeficiente de não
linearidade. Quanto maior o valor de α , mais sensível é o dispositivo referente a pequenas
mudanças no potencial elétrico aplicado, e portanto, melhor é o varistor. Além disso, eles devem
possuir uma grande capacidade de absorção de energia, que os tornam capazes de serem utilizados,
42
por exemplo, como dispositivos de proteção contra surto de sobre tensão. As propriedades destes
materiais são altamente dependentes da sua microestrutura resultante, sendo assim, são dependentes
também da sua composição química e das condições de tratamento térmico (sinterização) a que são
submetidos.[3]
A figura 2.9.5 apresenta uma curva característica de um varistor. Nessa figura, podemos
identificar três regiões distintas com relação ao comportamento da curva do campo elétrico aplicado
em função da densidade de corrente, desta curva são obtidos os valores de campo elétrico de ruptura
e o coeficiente de não linearidade.
Figura 2.9.5. Curva característica de acionamento do resistor não linear. Fonte: Análise de redes elétricas no domínio do tempo – Filho, Clever; Almeida, Fuad; Conti, Alberto.
Os pára-raios se constituem em equipamento indispensáveis nos estudos de coordenação de
isolamento, conforme pode ser visto na fig. 2.9.6.
43
Figura 2.9.6. Relação da amplitude da tensão x tempo de duração (modificado – Siemens, 2001). Fonte: Análise de redes elétricas no domínio do tempo – Filho, Clever; Almeida, Fuad; Conti, Alberto.
O eixo X mostra a classificação da sobre tensão em função do seu tempo de duração,
enquanto que o eixo Y identifica o nível de tensão associado. Assim, para sobre tensões de manobra
ou atmosféricas, a atuação dos pára-raios limita a tensão sobre o equipamento, de forma que não
haja danos no mesmo.
Em sua maioria, os varistores instalados atualmente são de Óxido de Zinco (ZnO), os
mesmos são dispositivos eletrônicos de cerâmica, cuja função principal baseia-se na detecção e
eliminação de picos de tensão, nos mais diversos circuitos, AC e DC, tanto de alta potência, em
pára-raios, na eliminação de descargas atmosféricas, quanto em baixas potências, em circuitos
eletrônicos, servindo como caminho de baixa resistência, de modo a absorver o surto de energia e
descarregar os picos de tensão, protegendo circuitos sensíveis.
Para desempenhar esta importante função, os varistores, também denominados VDR’s
(Voltage Dependent Resistors) possuem a propriedade de serem resistores variáveis. Ou seja, os
varistores não possuem um comportamento de resistores ôhmicos, cuja curva V-I é linear e a
relação entre estas grandezas é sempre constante e igual à resistência do material. No caso dos
varistores, o comportamento é não-ôhmico, pois possuem curvas V-I não-lineares, conforme
44
ilustrado na figura 2.9.7. São dispositivos que variam sua resistência em função da tensão a que
estão submetidos. Quanto maior a tensão aplicada, menor a resistência do varistor, justificando sua
importância na proteção de circuitos. Aliado a isso, os varistores possuem uma alta capacidade de
absorver energia, garantindo uma grande estabilidade ao dispositivo.
Figura 2.9.7. Característica tensão-corrente para um varistor de 420 kV (Siemens). Fonte: Modelagem de Varistores de ZnO para estudo de coordenação. Meister, André.
A análise da figura anterior mostra que, para a tensão contínua de operação, uma corrente
residual circula através do varistor. Esta se deve a uma grande componente capacitiva e pequena
resistiva para a terra. Para a relação tensão-corrente somente a parte resistiva é importante. Neste
caso em particular, a corrente residual é de 100 µA. Outro ponto a ser ressaltado é o valor de pico
de tensão de operação contínua, conforme definido pela IEC 60099-4 e também chamado de
máxima tensão de operação contínua (MCOV, do inglês Maximum Contínuos Operating Voltage)
pela norma IEEE Std C62.11- 1999. Esta é a tensão na qual o varistor pode ser operado sem
restrições. A tensão nominal e a de operação contínua de um varistor são diretamente relacionadas.
O valor desta razão é normalmente de 1.25, valor este determinado empiricamente, não havendo
explicação física para o valor. No caso citado a tensão nominal é Ur = 1,25. Uc = 336 kV (Siemens,
2001). A última característica importante é a área da curva na qual um pequeno aumento da tensão
acarreta em grande elevação da corrente. Esta parte é reservada para os fenômenos transitórios da
ordem de mili ou microssegundos, ou seja, para sobretensões de manobra e atmosféricas. A
característica de proteção do varistor ocorre para correntes superiores a 100 A. O parâmetro mais
45
importante é o nível de proteção a impulso atmosférico, o qual se traduz na queda de tensão sobre o
varistor, quando a corrente nominal de descarga circula sobre o mesmo. Esse parâmetro é um
impulso atmosférico de corrente de forma de onda padronizada, cuja amplitude varia de 1,5 a 20
kA, de acordo com a Norma IEC Standard 60099-4. Para varistores de alta tensão (Us ≥ 123 kV),
somente as classes de 10 e 20 kA são comuns[7].
Figura 2.9.8. Forma de onda de um impulso atmosférico padronizado.
2.10. ATERRAMENTO
Embora o Brasil seja detentor de tecnologia de ponta em termos de proteção contra
descargas atmosféricas, no cotidiano os sistemas de aterramento utilizados nos prédios e nas casas –
quando existem – deixam a desejar. Em certos casos, as pessoas estariam mais seguras se eles não
estivessem instalados.
Uma norma básica do aterramento elétrico é a IEC 200 dos Estados Unidos, segundo a qual
todos os aterramentos têm de estar interligados fisicamente, em toda a estrutura física de uma
cidade. Os cabos elétricos naquele país possuem três pólos: fase, neutro e terra. Cada prédio novo
que é construído deve interligar seu fio terra com os dos demais. Isso cria uma “gaiola de Faraday”,
uma espécie de malha ou rede subterrânea que evita a diferença de potencial no solo.
É que se dois prédios vizinhos possuem aterramentos diferentes e não interligados, e um
registra 5 ohms enquanto o outro tem 20 ohms, por exemplo, quando a descarga elétrica toca o solo,
retorna pelo fio-terra do prédio onde há menor resistência elétrica, com todas as conseqüências
como se o raio tivesse caído nesse outro prédio.[4]
46
3. PROJETO
3.1. SIMULAÇÃO DE DESCARGA ATMOSFÉRICA EM L.D.
A iniciativa do projeto partiu da importância do uso de proteções contra surtos em linhas de
transmissão e distribuição. Por ser um assunto de alta relevância no cotidiano do seres humanos,
onde que para quase todos os usuários de energia elétrica é um item amplamente desconhecido,
porém altamente importante, não somente para o aspecto de proteção e aumento de vida útil de seus
equipamentos eletro-eletrônicos, mas principalmente a proteção pessoal.
Para a realização das simulações dos modelos deste trabalho foi utilizado o software
ATPDraw.
3.2. DESCRIÇÃO SUMÁRIA DO SOFTWARE UTILIZADO (ATP)
O ATPDraw para Windows é um software de simulação digital da versão ATP do
Eletromagnetic Transient Program. O ATP é reconhecido por ser um dos softwares mais
amplamente utilizados para simulação digital de fenômenos de transitórios eletromagnéticos e
eletromecânicos em sistema de energia, devido à facilidade de interface homem-máquina.
O software suporta múltiplas modelagens de circuitos permitindo que se trabalhe em mais de
um circuito simultaneamente, além de trocar informações entre os circuitos.
O circuito é armazenado em disco, num arquivo Project file, onde estão incluídos todos os
objetos componentes do circuito simulado e opções necessárias para simular o circuito. A
modelagem de linhas / cabos estão também inclusas no ATPDraw onde o usuário especifica a
geometria e as características do material podendo analisar o modelo também no domínio da
freqüência.
O ATP permite a visualização de variáveis nos sistemas de energia como funções do tempo,
iniciadas tipicamente por algumas perturbações. Basicamente a regra de integração trapezoidal é
usada para a resolução de equações diferenciais, que descrevem os fenômenos transitórios
resultantes nos componentes do sistema, no domínio do tempo.
O ATP possui também diversos modelos elétricos incluindo máquinas rotativas,
47
transformadores, pára raios, linhas de transmissão e cabos, etc. É possível também a simulação de
componentes com características não lineares como arcos e efeito corona, com os módulos
MODELS e TACS. (Perturbações simétricas são permitidas, faltas, e diversos tipos de operações de
chaveamento).
3.3. DESCRIÇÃO DOS MODELOS DE LINHAS DE TRANSMISSÃO
DO ATP
• Parâmetros constantes – Esta opção pode ser utilizada para calcular as matrizes de
resistências, indutâncias e capacitância, em componentes simétricas ou de fase, de
qualquer configuração arbitrária de condutores aéreos, para qualquer freqüência entre
0,1 mHz e 500 kHz.
• Linhas de Transmissão - Circuitos parâmetros distribuídos (PI) – Esta opção pode
ser usada para a obtenção de um pi-nominal (ou equivalente para uma linha de
transmissão curta – válido para simulação de transitórios) ou de um pi-equivalente
(para uma linha de transmissão longa – válido somente para simular o
comportamento desta em regime permanente).
• J. Marti – Esta opção pode ser usada para a obtenção de um modelo de uma linha de
transmissão com os seus parâmetros variando com a freqüência, adequado para
estudos de transitórios onde o modelo usual a parâmetros constantes não é adequado.
• Saída simples de freqüência – Esta opção pode ser utilizada para calcular as
matrizes de impedância ou susceptância / capacitância, para o conjunto completo de
cabos da LT, sem nenhuma redução, incluindo todos os cabos físicos (fases e pára-
raios); para o conjunto de fases de linha de transmissão, depois da eliminação dos
cabos geminados (bundle) e dos pára-raios e em componentes simétricas, para o
conjunto de fases da linha de transmissão, depois da eliminação dos cabos
geminados e dos pára-raios.
• Saída Mutua acoplada – esta opção pode ser usada para a obtenção das resistências,
indutâncias e capacitâncias para uma faixa de freqüências pré-estabelecidas, com
valores espaçados de forma logarítmica.
48
3.3.1. Modelo de linhas de parâmetros distribuídos
3.3.1.1. Modelo de LD em regime permanente
Abaixo podemos observar um exemplo representativo de uma LD.
Figura 3.3.1.1. Exemplo LD com parâmetros distribuídos. (1)
Figura 3.3.1.2. Modelo de Linha de Distribuição no ATP.
Para as análises no ATP foram arbitradas as seguintes características para a linha de
distribuição:
Fonte de alimentação 13,8 kV; R = 0,1Ω/km; 0,3mH/km e carga de 50Ω.
Os componentes do modelo possui características próprias que devem ser configuradas, a
figura 3.3.1.3 refere-se ás características de RLC da linha de distribuição, onde os valores de
resistência, indutância e capacitância são inseridos conforme os valores adotados no modelo.
49
Figura 3.3.1.3. Configuração de RLC no ATP.
A seguir serão apresentados os dois modelos a ser analisados, e denominados aqui de: 4
elementos e 8 elementos.
• Configuração de 4 elementos
o Com carga
Figura 3.3.1.4. Modelo LD 4 elementos com carga.
50
Figura 3.3.1.5. Característica de corrente e tensão no modelo LD 4 elementos com carga
A figura 3.3.1.5, representa a corrente e tensão disponível na carga quando a LD está em
regime, alimentando uma resistência de 50Ω.
o Em aberto
Figura 3.3.1.6. Modelo LD 4 elementos em aberto no ATP.
51
Figura 3.3.1.7. Característica de corrente e tensão no modelo LD 4 elementos aberto.
Para o modelo em aberto a chave inicialmente encontra-se aberta, provocando assim
corrente nula na carga e tensão máxima da rede disponível. Após o fechamento da chave, no
instante t = 4ms a amplitude de corrente se restabelece para a carga.
o Em curto
Figura 3.3.1.8. Modelo LD 4 elementos em curto no ATP.
Neste circuito foi introduzida uma resistência de carga tão pequena para que se aproximasse
de um curto-circuito devido a erro numérico apresentado no ATP, assim foi possível a simulação da
linha de transmissão em curto, a chave do circuito foi configurada para o fechamento após 4ms.
52
Assim como esperado, observe na figura 3.3.1.9. abaixo que no primeiro instante onde a
chave está aberta a corrente é nula e tensão máxima disponível, porém quando a chave é fechada á
tensão disponível na carga é nula uma vez que temos um curto circuito da fonte para terra.
Figura 3.3.1.9. Característica de corrente e tensão no modelo LD 4 elementos em curto.
Para a configuração do modelo 4 elementos foram adotados 4 trechos de 2,5 Km, onde:
R 0.25 Ω
L 750 µH
Carga 50 Ω
Carga para curto circuito 1 Exp-6
Tabela 1: Valores utilizados nos componentes do modelo RLC
Para os parâmetros da linha de transmissão (RLC) configurados conforme tabela 1, foram
observadas as curvas de corrente e tensão em relação ao tempo, para as situações de regime
permanente com carga, em aberto e em curto, onde foi possível, através das curvas, observar os
diferentes comportamentos.
53
• Configuração de 8 elementos
o Com carga
Figura 3.3.1.10. Modelo LD 8 elementos com carga.
Neste modelo a linha de transmissão de 10 Km foi distribuída em 8 trechos, e recalculado
suas características de resistência e indutância, conforme tabela 2.
Figura 3.3.1.11. Característica de corrente e tensão no modelo LD 8 elementos.
A figura 3.3.1.11, representa a corrente e tensão disponível na carga quando a LD está em
regime alimentando uma resistência de 50Ω.
54
o Em aberto
Figura 3.3.1.12. Modelo LD 8 elementos em aberto no ATP.
Para o modelo em aberto a chave inicialmente encontra-se fechada, provocando assim
corrente na carga e tensão máxima da rede disponível. Após o fechamento da chave (t = 50ms)
observa-se que não há amplitude de corrente na carga mesmo com a tensão máxima disponível.
Figura 3.3.1.13. Característica de corrente e tensão no modelo LD 8 elementos aberto.
55
o Em curto (obs. Carga = 1exp-5)
Figura 3.3.1.14. Modelo LD 8 elementos em curto no ATP.
Para o modelo em curto a chave inicialmente encontra-se aberta, provocando assim tensão
máxima da rede disponível, e corrente nula. Após o fechamento da chave (t = 50ms) observa-se que
a tensão passou a ser nula na carga, e uma corrente muita alta circulando por ela.
Figura 3.3.1.15. Característica de corrente e tensão no modelo LD 8 elementos em curto.
56
Para a configuração do modelo foram adotados 8 trechos 1,25 Km, onde:
R 0.125 Ω
L 375 µH
Carga 50 Ω
Carga em curto 1 Exp-6
Tabela 2: Valores utilizados nos componentes do modelo RLC
Para os parâmetros da linha de distribuição (RL) configurados conforme tabela 2, foram
observadas as curvas de corrente e tensão em relação ao tempo, para as situações de regime
permanente com carga, em aberto e em curto, onde foi possível, através das curvas, observar os
diferentes comportamentos.
A figura 3.3.1.16, e o modelo 8 elementos modificado para geração de curva característica
de regime em carga, aberto e em curto na mesma simulação.
Figura 3.3.1.16. Modelo LD 8 elemento modificado.
57
Figura 3.3.1.17. Característica de corrente e tensão ao longo do tempo.
Na figura 3.3.1.17, estão disponíveis os gráficos de corrente e tensão respectivamente ao
longo de 100ms de simulação. Para melhor visualizar os dois pontos de tensão que foi analisado.
A configuração das chaves foram realizada de tal forma que o modelo pudesse alternar em
modelo de carga, modelo aberto e modelo em curto, num período de 100ms.
A chave 1 iniciou fechada mantendo a tensão na carga disponível, e mantendo corrente
constante pois carga é puramente resistiva.
Para t = 20ms, a chave 1 foi aberta deixando o circuito em aberto, neste instante a tensão
disponível se manteve, porém a corrente é nula. Após 20 ms em t = 40ms, a chave 2 fechou
colocando o circuito em curto circuito para terra, a tensão imediatamente foi a zero e a corrente
máxima, e em t = 50ms a chave 2 se abriu colocando o circuito novamente em regime em aberto. O
circuito se portou como o esperado em regime constante sem transitórios por descarga atmosférica.
Para os três modelos analisados, podemos observar que as formas de onda permaneceram
inalteradas, pois mesmos tendo alteração nos valores de configuração, a resistência e indutância
total, permaneceram os mesmos. Até aqui não houve simulação de transitórios na linha de
transmissão por descarga atmosférica.
58
3.3.1.2. Modelo de LD com Descarga Atmosférica
As linhas de transmissão estão constantemente sujeitas a transitórios, sejam elas por
manobras causados pelo homem ou descargas atmosféricas.
As simulações a seguir serão compostas por fonte de corrente de 10 kA no centro da linha de
transmissão com a intenção de simulação de descarga atmosférica, e então observar o
comportamento dos modelos, sem proteção e depois com a proteção.
Figura 3.3.1.18. Configuração de fonte de corrente.
59
Figura 3.3.1.19. Parâmetros para a configuração de fonte de corrente.
Os valores arbitrados para resistência e indutância dos modelos permaneceram iguais ao
utilizado no modelo sem descargas atmosféricas, assim como o valor de carga e o valor de
resistência adotado para o modelo de curto-circuito, pois o software apresenta um erro numérico se
for deixado um valor igual a zero.
Dados Valor
Corrente (A) 10000
A -20000 (500 µs)
B -8333333 (1,2 µs)
Tempo de inicio (Tsta) 0.01
Tempo final (Tsto) 0.07
Tabela 3: Valores de configuração no ATP da descarga atmosférica.
Onde:
A – Inverso do tempo que o sinal leva para cair do valor de pico até a metade de seu valor;
B – Inverso do tempo que o sinal leva para subir de zero até o valor de pico
60
Figura 3.3.1.20. Curva característica da fonte de corrente (Descarga Atmosférica).
A figura 3.3.1.20 representa um pico de corrente, que foi configurado no modelo, simulando
a descarga atmosférica.
• Configuração de 4 elementos
o Com carga
Figura 3.3.1.21. Modelo LD 4 elementos com carga e descarga atmosférica.
61
Figura 3.3.1.22. Característica de corrente e tensão no modelo LD 4 elementos com carga
A figura 3.3.1.22 representa a característica de corrente e tensão no circuito quando em
regime, e no momento da descarga atmosférica.
o Em aberto
Figura 3.3.1.23. Modelo LD 4 elementos em aberto e com descarga atmosférica.
62
Figura 3.3.1.24. Característica de corrente LD 4 elementos aberto e com descarga atmosférica.
No modelo em aberto com descarga atmosférica, observa-se uma corrente de pico no
instante da descarga e logo que a tensão e dissipada na linha a corrente volta a ser nula.
Figura 3.3.1.25. Característica de tensão na carga para LD 4 elementos aberto e com descarga atmosférica.
63
A característica da curva de tensão no momento da descarga atmosférica apresentou um erro
numérico causando um ruído conforme apresentado na figura 3.3.1.25, porem e possível concluir
que a tensão voltou a estar disponível em sua totalidade para carga.
o Em curto (obs. Carga = 1exp-5)
Figura 3.3.1.26. Modelo LD 4 elementos em curto e descarga atmosférica.
.
Figura 3.3.1.27. Característica de corrente e tensão na carga no modelo LD 4 elementos em curto e descarga atmosférica.
64
Figura 3.3.1.28. Característica de corrente no modelo LD 4 elementos em curto e descarga
atmosférica.
A figura 3.3.1.28 e uma representação apresentada na simulação do efeito causado na
corrente, no local da descarga atmosférica, pelo aumento brusco de corrente. A curva em verde
representa o lado direito do circuito e a curva em verde representa o lado esquerdo do circuito, o
sentido de corrente aparece invertido devido a referencia adotada.
Para a configuração do modelo foram adotados 4 trechos 2,5 Km, onde:
R 0.25 Ω
L 750 µH
Carga 50 Ω
Carga para curto 1 Exp-6
Tabela 4: Valores utilizados na configuração de cada componente RLC
65
• Configuração do modelo de 8 elementos
o Com carga
Figura 3.3.1.29. Modelo LD 8 elementos com carga e descarga atmosférica.
Figura 3.3.1.30. Característica de corrente e tensão na carga para o modelo LD 8 elementos com carga e descarga atmosférica.
Para melhor visualizar o que acontece com a tensão no momento da descarga atmosférica foi
realizada simulação com um tempo bem pequeno, 60µs (figura 3.3.1.31).
66
Figura 3.3.1.31. Corrente e tensão na carga em 60µs.
Figura 3.3.1.32. Corrente no ponto de descarga.
Na figura 3.3.1.32, observamos o aumento brusco de intensidade de corrente devido á
descarga atmosférica, e também a circulação de correntes em sentidos opostos, adotando o local da
67
descarga atmosférica como referência, através dos dois trechos da linha de transmissão, a curva em
azul representa a LT a direita, e a curva em verde representa a LT a esquerda, perceba que o sinal
está invertido devido a referencia adotado do amperímetro. Conforme afirmado por Visacro [4],
existe um fenômeno mostra há propagação de corrente nos dois sentidos dos trechos de linha de
transmissão.
o Em aberto
Figura 3.3.1.33. Modelo LD 8 elementos em aberto e descarga atmosférica.
Figura 3.3.1.34. Característica de corrente e tensão na carga no modelo LD 8 elementos aberto e descarga atmosférica.
68
Figura 3.3.1.35. Modelo LD 8 elementos em aberto e descarga atmosférica.
o Em curto (obs. Carga = 1exp-5)
Figura 3.3.1.36. Modelo LD 8 elementos em curto e descarga atmosférica.
69
Figura 3.3.1.37. Característica de corrente e tensão no modelo LD 8 elementos em curto e descarga atmosférica.
Para a configuração do modelo foram adotados 8 trechos 1,25 Km, onde:
R 0.125 Ω
L 375 µH
Carga 50 Ω
Carga de curto 1 Exp-6
Tabela 5: Valores utilizados nos componentes do modelo RLC
Após a análise das curvas de corrente e tensão apresentadas dos modelos 4 e 8 elementos,
foi possível verificar que no ATP não há interferência nos resultados. Então foi adotado no circuito
8 elementos um pára-raios modelo IEEE, configurado em paralelo com a carga. É possível verificar
que o pico de tensão na carga foi menor, na ordem de 15,7kV (13%) em relação à tensão nominal
de trabalho. Um resultado altamente satisfatório com relação ao modelo sem pára-raios que
apresentou um pico de 30,4kV (120%).
70
• Em carga com pára-raios
Figura 3.3.1.38. Modelo 8 elementos com pára-raios IEEE
O programa ATP, na qual foi utilizado nesses estudos de transitórios por descargas
atmosféricas, possui um modelo de varistor, porém a utilização dele sozinho não é eficaz, devido
estes problemas o IEEE desenvolveu um modelo próprio modificado do ATP.
Para a configuração do pára-raios foi adotado o modelo IEEE 3.4.11,1992, neste modelo sua
característica não linear tensão-corrente, são representadas com duas seções de resistências não-
lineares designadas por A0 e A1 (varistores MOV). As duas seções são separadas por um filtro R-L,
R1 e L1. A indutância L0 representa a indutância associada com o campo magnético nas
vizinhanças do varistor. O resistor R0 é usado para eliminar instabilidades numérica quando do uso
do modelo em programas digitais. A capacitância C representa a capacitância externa associada à
altura do varistor em relação ao solo. Os parâmetros do modelo são assim identificados:
( )Hn
dL µ151 =
Equação 4
( )Ω=n
dR 651
Equação 5
71
( ))2,00 Hn
dL µ=
Equação 6
( )Ω=n
dR0
Equação 7
( )Fd
nC µ100=
Equação 8
Nessas equações a variável n denota o número de colunas paralelas do varistor, enquanto
que a variável d a altura do varistor em metros.
As características não-lineares de A0 e A1 foram calculadas baseando na curva característica
V-I utilizada no modelo IEEE, adotando 15 colunas paralelas para cada varistor a uma altura de 20
metros. Resultando na curvas das figuras 3.3.1.39, e 3.3.1.40.
Figura 3.3.1.39 – Varistor A0 Figura 3.3.1.40– Varistor A1
72
L1 11.25 µH
R1 48,75 Ω
L0 0.15 µH
R0 75 Ω
C 133.33 µF
Tabela 6 – Valores calculados para o modelo de pára-raios
Corrente (kA) Parâmetros de A0 (kV) Parâmetros de A1 (kV)
0.01 19.32 -
0.1 21.25 16.97
1 23.18 18.76
2 24.012 19.73
4 24.84 20.42
6 25.11 20.7
8 25.80 21.11
10 26.22 21.39
12 26.63 21.52
14 27.18 21.8
16 27.6 21.94
18 28.29 22.08
20 28.98 22.21
Tabela 7 – Parâmetros calculados da curva V-I dos varistores do pára-raios
Figura 3.3.1.41. Característica de corrente e tensão na carga pára-raio de ZnO
73
Na figura 3.3.1.44, é possível observar nitidamente a atenuação da tensão disponível na
carga no momento da descarga atmosférica utilizando um pára-raios de ZnO.
o Em aberto e em curto com descarga e pára-raios
Figura 3.3.1.42. VxI em aberto com pára-raio de ZnO Figura 3.3.1.43.VxI curto com pára-raio de ZnO
• Comparativo entre o modelo com e sem proteção
Figura 3.3.1.44. Comparativo de Curva de tensão na carga pára-raio de ZnO
74
CONCLUSÃO
Causadoras de potenciais acidentes em sistema elétricos, as descargas atmosféricas,
juntamente com seus dispositivos de segurança são exaustivamente estudadas, para que uma melhor
coordenação de isolamento seja realizada.
Através do modelo analisado com parâmetros distribuídos, subdividido em 8 partes, foi
possível verificar a importância de estudos dos mais diversos dispositivos de proteção, e verificar o
comportamento da linha de transmissão perante a uma descarga.
Foi possível verificar que a utilização do pára-raios de óxido de zinco (proposto pelo IEEE)
atenua em até 4 kV em comparado ao circuito original sem proteção. Isso indica que houve um
acréscimo de apenas 12,3% no valor da tensão nominal da rede, em relação a 41,3% no modelo sem
proteção. Ou seja, a maior parte do acréscimo de tensão foi absorvido pelo pára-raios, evitando
danos na carga.
Pode-se perceber então que a utilização do pára-raios é efetiva, no que diz respeito á
diminuição dos efeitos causados pelas descargas atmosféricas.
Após o estudo do material relacionado na bibliografia não obteve-se informações suficientes
para a realização do modelo do pára-raios de SiC, o que impossibilitou a comparação entre o pára-
raios de ZnO.
Para trabalhos futuros, obter informações de outros tipos de materiais utilizados em modelos
de pára-raios, para realização de comparação entre a melhor opção a ser utilizada em sistemas de
linhas de distribuição.
75
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Caixeta, Geraldo Peres - Simulação Computacional de Descargas Atmosféricas em
Estruturas de Proteção Visando Análises de Compatibilidade Eletromagnética. Tese doutorado. Ano
de Obtenção: 2000.
[2] IEEE Guide for surge protection of equipment connected to AC power and communication
circuits – 2005 – IEEE
[3] Brittes, J.L.P e Ribeiro, J.E. – Desempenho de linhas de Transmissão que utilizam pára-raios
de ZnO - Artigo
[4] Visacro Filho, Silverio – Descargas Atmosféricas, uma abordagem de engenharia – São
Paulo: Artiliber, 2005.
[5] Leite, Duílio Moreira – Proteção Contra Descargas Atmosféricas 5ªedição – São Paulo:
Officina de Mydia, 2001.
[6] Kindermann, Geraldo – Descargas Atmosféricas 2ª edição – Porto Alegre: Sagra Luzzatto,
1997.
[7] Meister, André – Modelagem de Varistores de Oxido de Zinco para estudos de coordenação
de isolamento. Tese de mestrado UNICAMP, 2005.
[8] Cotrim, Ademaro A.M.B. – Instalações Elétricas 4ª edição; revisão e adaptação técnica em
conformidade com a NBR5410 – São Paulo: Prentice Hall, 2003.
[9] Leite, Marcos Moreira – Técnicas de Aterramento Elétricos – São Paulo: Officina Mydia,
2000.
[10] Macedo Jr., Ademar e Silva, Roberto Jose. Sistemas de Proteção Contra Descargas
Atmosféricas e Aterramento, TCC 2004.
76
Sites consultados:
[11] http://www.dme-pc.com.br/dicaselet.htm – consultado em 23/05/07.
[12] http://www.scielo.br – consultado em 01/06/07
[13] http://www.ele.ita.br/cnrn/artigos – consultado em 04/06/07
[14]http://www.ipst.org/techpapers/1999/IPST99_Papers_pdf.htm - consultado em 02/11/07
