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RESUMO
Este artigo apresenta uma síntese dos principais resultadosobtidos ao longo de um projeto de pesquisa realizado como oobjetivo de avaliar o desempenho de redes de distribuição fren-te às descargas atmosféricas, e a efetividade de alguns proce-dimentos de melhoria convencionalmente adotados pelas em-presas distribuidoras de energia elétrica. Embora o estudo sejaválido para redes rurais e urbanas apresentando diferentescaracterísticas, duas redes específicas com tensões nominaisde 13,8 kV e de 34,5 kV, atravessando áreas rurais e urbanas,são avaliadas neste artigo, e seus desempenhos teóricos atu-ais frente às descargas atmosféricas são comparados com osdesempenhos teóricos obtidos quando da aplicação de algunsdos possíveis métodos de melhoria propostos.
PALAVRAS-CHAVE
Descargas Atmosféricas, Redes de Distribuição, Melhoria deDesempenho.
I. INTRODUÇÃO
A qualidade e a confiabilidade no fornecimento deenergia elétrica pelas empresas concessionárias a seus con-
sumidores está associada ao fornecimento de energia deforma contínua, ininterrupta e sem perturbações momen-
tâneas significativas. Diversos fatores influenciam essesíndices de qualidade, tais como o desempenho dos siste-
mas frente às descargas atmosféricas, a configuração das
redes, as características de operação do sistema, etc.Dentro desse contexto, as descargas atmosféricas têm
sido reportadas como sendo a principal causa dos desliga-mentos não programados ocorridos em redes de distribui-
ção, correspondendo a uma faixa de 30% a 60% dos desli-gamentos. Embora a maioria destes desligamentos não pro-
duzam danos irreversíveis às redes de distribuição, falhasem equipamentos e componentes de redes, em especial os
transformadores de distribuição e isoladores de pino, têmsido observadas, particularmente em caso de redes de dis-
tribuição atravessando áreas rurais, expostas a uma maior
incidência de descargas diretas sobre os condutores fase.O desempenho de uma rede de distribuição às descar-
gas atmosféricas pode ser avaliado pelo índice de desliga-mentos / (100 km . ano), sendo este parâmetro definido
pelo desempenho da rede de distribuição devido ao efeitodas descargas atmosféricas incidindo diretamente sobre os
condutores fase ou sobre as estruturas da rede (descargas
diretas) ou por descargas incidindo nas proximidades dasestruturas (descargas indiretas). Os mecanismos de forma-
ção destas sobretensões são bastante diferentes, e devemser corretamente computados quando da avaliação do de-
sempenho de uma rede ou linha.No período de 1998 a 2002 as descargas atmosféricas
foram responsáveis por aproximadamente 43% do númerototal de desligamentos não programados verificados na
Companhia Força e Luz do Oeste (CFLO), enquanto em
este índice foi de 37% na Empresa de EletricidadeBragantina (EEB). Ambas as empresas pertencem ao Gru-
po REDE e estão localizadas em uma região cuja densida-de média de descargas à terra está na faixa de 4 a 8 descar-
gas / (km2.ano), de acordo com as informações do INPE[1]. Objetivando melhorar o desempenho de suas redes de
distribuição, as empresas CFLO e EEB vem desenvolven-do um projeto de pesquisa aplicada focando a avaliação do
desempenho atual de suas redes de distribuição de 13,8 kVe 34,5 kV frente às descargas atmosféricas, bem como a
avaliação da efetividade das medidas a serem adotadas para
reduzir o número de desligamentos devido às descargas.Este artigo descreve uma síntese dos principais resul-
tados obtidos para duas redes específicas: de 13,8 kV daCFLO denominada alimentador “COAMIG “ e de 34,5
kV da EEB de 34,5 kV - alimentador “Extrema - BuenoBrandão”.
II. CARATERÍSTICAS DAS REDES AVALIADAS
A. Alimentador “COAMIG”O alimentador COAMIG tem um comprimento total
de aproximadamente 83 km e está localizado na cidade deGuarapuava, estado do Paraná. A região atravessada pelo
alimentador apresenta um nível ceráunico médio de 40 diasde trovoadas por ano e uma densidade média de descargas à
terra compreendida na faixa entre 4 a 8 descargas / (km2.ano)[1]. No período de 1998 a 2001 o número médio registrado
de desligamentos não programados no alimentadorCOAMIG foi de 52,2 por ano (equivalente a aproximada-
mente 63,7 desligamentos / (100 km . ano). Este índice estácerca de 36% acima do índice médio de desligamentos por
descargas atmosféricas verificado na CFLO [2].
Estudo de Avaliação de Desempenhode Redes de Distribuição frente
a Descargas Atmosféricas Sandro Pohl da Silva, Companhia Força e Luz do Oeste;
Jonas Gonçalves, Empresa de Eletricidade Bragantina; Jorge Luiz de Franco, Franco Engenharia Ltda. eAlexandre Piantini, Instituto de Eletrotécnica e Energia - IEE USP
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B. Alimentador “Extrema - Bueno Brandão”Este alimentador apresenta um comprimento total de
aproximadamente 106,4 km e encontra-se localizado naregião de Bragança Paulista, estado de São Paulo. A re-
gião atravessada pelo alimentador apresenta um nívelceráunico médio entre 50 a 100 dias de trovoadas por ano
e uma densidade média de descargas atmosféricas à terrana faixa entre 4 a 8 descargas / (km2 . ano) [1]. O número
médio de desligamentos ocorridos no período entre 1997a 2002, tendo como causa as descargas atmosféricas, foi
de 32,7 desligamentos, correspondente a 30,73 desligamen-
tos / (100 km . ano) de rede, com um índice médio de37,2%, equivalente ao índice médio de desligamentos ob-
servado pela EEB em suas redes de distribuição.
III. METODOLOGIA
Os estudos de desempenho das redes foram realiza-
dos a partir de simulações computacionais, considerando
as configurações atuais das redes e algumas das possíveisalternativas de melhoria existentes, avaliadas individualmen-
te ou em conjunto com outras alternativas, e definidas apartir do aumento da isolação, instalação de cabos pára-
raios e instalação de pára-raios ao longo de trechos dosalimentadores. A avaliação de desempenhos das duas re-
des com referência a descargas atmosféricas diretas e indi-retas foi realizada de acordo com a metodologia descrita
em [2, 3].
Os estudos para avaliação dos efeitos das sobretensõesinduzidas sobre a rede foram realizados considerando o
Modelo de Rusck Estendido (MRE) [4, 5], levando-se emconta as características das diferentes regiões para as duas
redes analisadas. A validez do MRE foi confirmada a par-tir de diversas comparações entre valores de tensões
induzidas medidas e calculadas.A metodologia utilizada na análise das redes por des-
cargas diretas consistiu em se determinar, para cada confi-guração analisada, a corrente crítica, na qual a amplitude
da sobretensão resultante sobre a isolação excede, em um
dado instante de tempo, a sua tensão de descarga, resul-tando em uma descarga disruptiva de impulso através da
isolação. A partir do valor obtido para a corrente críticafoi definida a probabilidade P(I) da corrente crítica ser ex-
cedida [6] e, portanto, a probabilidade de ocorrência dadisrupção [2].
As tensões críticas de descarga para impulso (U50%
) paraas diferentes regiões das duas redes estudadas foram deter-
minadas a partir de ensaios realizados no Laboratório deAlta Tensão do IEE/USP, corrigidas para as condições at-
mosféricas médias das regiões atravessadas pelas redes. A
tensão de descarga assumida para as regiões consistiu novalor de crista da tensão de impulso atmosférico com forma
de impulso normalizada, apresentando uma probabilidadeestatística de conduzir a descarga de 99.85% [2, 3].
IV. RESULTADOS OBTIDOSE ANÁLISE DOS RESULTADOS
A probabilidade das descargas diretas e indiretas pro-duzirem desligamentos nas redes está associada a probabi-
lidade da descarga disruptiva de impulso da isolação serseguida pelo arco de potência, a qual depende do tipo de
isolação considerada, bem como das característicasdielétricas dos materiais e da distância da isolação ao pon-
to de conexão ao terra, no caso da utilização de isolaçãoadicional (por exemplo, cruzetas de madeira ou de materi-
al polimérico). Desta forma, uma parcela das descargas
disruptivas de impulso não provoca o desligamento dasredes, pois o arco de potência nem sempre é estabelecido
após a ocorrência de uma descarga disruptiva de impulso.Informações sobre a probabilidade de uma descarga
disruptiva ser seguida por um arco de potência podem serencontradas em [7, 8]. Esta probabilidade depende das ca-
racterísticas de isolação das estruturas: 85% para cadeiasde isoladores utilizadas em linhas de transmissão (isolação
a ar), independente do gradiente de campo elétrico estabe-lecido [7]; Os resultados apresentados em [8] validam a
utilização deste índice para redes de distribuição. Para es-
truturas ou cruzetas de madeira ou de outro material iso-lante, a probabilidade do arco de potência ser mantido é
fortemente dependente do gradiente de campo elétrico es-tabelecido na isolação [8]. Uma síntese dos estudos reali-
zados para isolação a ar e cruzetas de madeira é apresen-tada na Figura 1.
FIGURA 1. Probabilidade de uma descarga disruptiva deimpulso ser seguida por um arco de potência em função dogradiente de campo elétrico de freqüência industrial [7, 8]
A partir das informações apresentadas em [7, 8],
estimou-se para as redes analisadas neste estudo, umaprobabilidade de que aproximadamente 80 % das des-
cargas disruptivas de impulso evoluam para arcos depotência, provocando então desligamentos. Uma sínte-
se dos principais resultados obtidos nos estudos, consi-derando os desligamentos teóricos para as configura-
ções atuais das redes, e para algumas das possíveis al-
ternativas de melhorias propostas, são apresentadas nasTabelas 1 e 2, considerando uma densidade de descar-
gas à terra de 1 descarga / (km2.ano).
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
80,00
90,00
100,00
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Gradiente de campo elétrico (kVef/m)
Pro
bab
ilid
ade
da
oco
rrên
cia
do
ar
co d
e 60
Hz
apó
s a
des
carg
a
Cruzeta de madeira Isolação em ar
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TABELA 1.
Resultados dos estudos - Alimentador COAMIG
Configuração Número de desligamentos Melhoria emda rede Ng=1 descarga/(km2. ano) relação a
Descargas Descargas Total configuraçãodiretas indiretas atual
Configuração atual 6,30 8,42 14,7 ——-
Alternativa A 1 6,30 5,06 11,4 22,8 %
Alternativa B 2 6,28 3,66 9,9 32,4 %
Alternativa C 1,2 5,18 2,22 7,4 49,7%
1elevação dos valores de Udescarga
de 112 kV e 136 kV para 223 kV (pola-ridade positiva) em todo o trecho rural do alimentador (substituiçãodos isoladores de 13,8 kV por isoladores de pino classe 34,5 kV e dascruzetas de concreto por cruzetas de madeira);2 limitação das distâncias entre pára-raios (xat) ao longo do alimentadorao máximo de 300 m, sem alteração nos valores de U
descarga.
TABELA 2.
Resultados dos estudos - Alimentador EXT - BB
Configuração Número de desligamentos Melhoria emda rede Ng=1 descarga/(km2. ano) relação a
Descargas Descargas Total configuraçãodiretas indiretas atual
Configuração atual 8,81 5,74 14,6 ——-
Alternativa A 1 8,81 4,57 13,4 8,1 %
Alternativa B 2 8,81 2,26 11,1 24,0 %
Alternativa C 3 8,81 1,41 10,2 29,8 %
Alternativa D 4 8,81 0,55 9,4 35,7 %
Alternativa E 5 4,37 <0,55 < 9,4 > 35,7 %*
1 Instalação de pára-raios ao longo da rede, mantendo as condições deaterramento e a configuração da linha;
2 Aterramento do cabo pára-raios em todas as estruturas da região 2,com resistência de aterramento de 50 W. Trecho Extrema - Munhozinalterado;
3 Elevação da U50%
de toda a rede para 290 kV;4 Instalação de cabo pára-raios ao longo do trecho da região 1, consi-
derando a existência de pontos de ater-
ramento em todas as estruturas – RAT
= 50 W;5 Instalação de cabo pára-raios ao longo do trecho da região 1, associ-
ado ao aumento da U50%
de toda a linha para 290 kV e instalação depontos de aterramento em todas as estruturas, com valores de resis-tências de aterramento máximos de 20 W;
* Embora não se tenha avaliado o desempenho frente a descargas indi-retas para este arranjo, pode-se assegurar que o número de descar-gas disruptivas da linha será inferior àquele correspondente à alter-nativa D.
Verifica-se na Tabela 1 que as descargas indiretas têmefeito predominante no desempenho do alimentadorCOAMIG, provocando um maior número de descargasdisruptivas na rede comparado às descargas diretas. Quantoas alternativas propostas para melhoria do desempenho doalimentador, estas mostraram-se mais efetivas para a redu-ção do número de desligamentos por descargas indiretas.
A instalação de pára-raios (nas três fases) espaçadosde 300 m, associada ao aumento do nível de isolamento notrecho rural, através da instalação de isoladores tipo pinoclasse 34,5 kV, reduz o índice de desligamentos doalimentador em cerca de 50 %, com uma redução em tor-no de 74 % das disrupções decorrentes das descargas indi-retas. Apesar de pouco significativa em termos de melhoriasda rede para descargas diretas, esta alternativa parece ser a
mais apropriada para a melhoria de desempenho dessealimentador, sob os aspectos técnicos e econômicos.
A Tabela 2 mostra para o alimentador Extrema - BuenoBrandão uma predominância das descargas diretas no de-sempenho total da rede. No entanto, assim como noalimentador COAMIG, as alternativas de melhoria propos-tas se mostraram mais eficazes para as descargas indiretas.
Dentre as alternativas propostas, a alternativa C é apa-rentemente a mais viável sob os pontos de vista técnico eeconômico, e consiste na elevação da tensão crítica de des-carga da isolação da linha para 290 kV (polaridade positi-va), mediante a utilização de cruzetas de madeira ou de ou-tro material isolante, apresentando boas propriedades elétri-cas, associada a instalação de isoladores tipo pilar classe 46kV na fase central, mais próxima da mão francesa aterrada.De acordo com os resultados obtidos, essa alternativa me-lhora o desempenho devido a descargas indiretas em aproxi-madamente 75 %, o que corresponde a uma melhora emtorno de 30 % no desempenho global do alimentador frenteàs descargas atmosféricas. No entanto, duas consideraçõesdevem ser feitas em relação a essa alternativa de melhoria:(1) aumentar o nível de isolamento de uma rede de distribui-ção significa aumentar as amplitudes das sobretensões aolongo da rede, sem a ocorrência de descargas disruptivas.Desta forma, todos os equipamentos instalados ao longo darede devem ter seu nível de isolamento compatível com onível de suportabilidade da linha, ou então devem ser prote-gidos por pára-raios; (2) há uma necessidade de se avaliar aspropriedades isolantes de alguns tipos de madeira, bem comoobter mais informações sobre as características dos novosmateriais a base de polímero com o tempo, em especial ocomportamento em ambientes agressivos e de elevada ex-posição a raios ultravioleta.
As alternativas D e E mostraram-se tecnicamente maisefetivas do que a alternativa C. No entanto, na prática, ainstalação de cabos pára-raios é de difícil implementação,não sendo geralmente justificável economicamente pararedes de distribuição. Outro aspecto importante quandoda instalação de cabos pára-raios, refere-se aos pontos deaterramento. Em geral, a efetividade dos cabos pára-raiosna redução de desligamentos por descargas diretas em re-des de distribuição está associada à existência de pontosde aterramento em todas as estruturas e a baixos valorespara a impedância transitória do sistema de aterramento.
Os resultados obtidos nos estudos e apresentados nasTabelas 1 e 2, indicam que os métodos geralmente utiliza-dos para a melhoria do desempenho de redes de distribuiçãopor descargas indiretas nem sempre são efetivos para as des-cargas diretas. Por outro lado, os métodos aplicados paramelhorar o desempenho das redes por descargas diretas ge-ralmente reduzem significativamente os desligamentos as-sociados a descargas indiretas. No entanto, a implementa-ção de tais alternativas geralmente está associada a custosmais elevados. Tal fato evidencia a importância e a necessi-dade de se conhecer, com o maior nível de detalhamentopossível, as causas dos desligamentos das redes.
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A densidade de descargas à terra (Ng) estimada a par-tir de um nível ceráunico igual a 40 corresponde a aproxi-madamente 4 descargas / (km2 . ano), que está dentro dafaixa de 4 a 8 descargas / (km2 . ano), apresentada em [1].Assumindo a ocorrência de 4 descargas / (km2 . ano) nasregiões atravessadas pelas redes analisadas, tem-se um nú-mero de desligamentos obtidos para o alimentador COAMIGde 71,1 desligamentos / (100 km . ano), 13 % maior do queo número médio de desligamentos atribuídos às descargasatmosféricas no período de 1998 a 2001 (cerca de 63,0 des-ligamentos / (100 km . ano)). Para o alimentador Extrema –Bueno Brandão, os estudos teóricos apontam para um nú-mero de 54,7 desligamentos / (100 km . ano), cerca de 80%maior do que o número médio de 30,7 desligamentos / (100km . ano) informado pela EEB. Em uma primeira análise,esta diferença pode ser considerada bastante significativa.No entanto, deve ser ressaltado que as informações sobredesligamentos obtidas para a linha EXT-BB foram tomadascom base no registro de interrupções no alimentador defini-das como “outras causas” em dias de chuva.
Convém aqui ressaltar que os resultados referentes aosdesligamentos teóricos obtidos e apresentados neste estu-do, devem ser considerados em bases relativas e não absolu-tas, tendo em vista a natureza estatística da incidência dasdescargas atmosféricas e de seus parâmetros ao longo dosanos; além das imprecisões de alguns dados e das simplifica-ções, realizadas de forma cuidadosa e criteriosa, porém ne-cessárias para a definição das modelagens das redes.
V. CONCLUSÕES
Os principais resultados relativos a avaliação do de-sempenho de duas redes de distribuição frente a descargasatmosféricas foram apresentados e discutidos neste artigo.Diferentes métodos para a melhoria de desempenho dasredes foram apresentados, e os benefícios associados fo-ram obtidos em termos de redução no número de desliga-mentos das redes por descargas atmosféricas.
O número de desligamentos de uma rede de distribui-ção por descargas atmosféricas consiste na combinação dosdesligamentos por descargas diretas e indiretas. Desta for-ma, para uma avaliação correta de desempenho de umadeterminada rede, deve-se levar em consideração o efeitodas duas solicitações. Pelo fato dos mecanismos de desen-volvimento das sobretensões por descargas diretas e indi-retas serem bastante complexos e diferentes, é importantese conhecer, com o maior grau de detalhamento possível,as causas dos desligamentos das redes a serem analisadas,de forma a se obter as melhorias desejadas.
Procedimentos objetivando a melhoria do desem-penho de redes de distribuição por descargas indiretas po-dem não ser efetivos para as descargas diretas. Já os mé-todos aplicados para melhorar o desempenho devido asdescargas diretas geralmente são efetivos para as descar-gas indiretas. No entanto, a implementação de tais alterna-
tivas geralmente está associada a custos mais elevados.Devido a baixa isolação oferecida pelas redes de dis-
tribuição, praticamente todas as descargas atmosféricasincidindo diretamente sobre os condutores fase e uma boaparcela das descargas incidindo sobre as estruturas ou noscabos pára-raios, produzem descargas disruptivas de im-pulso na isolação. No caso de redes com cabos pára-raios,a efetividade deste está diretamente associada a respostatransitória do sistema de aterramento das estruturas.
A probabilidade das descargas diretas e indiretas pro-duzirem desligamentos nas redes está associada a probabili-dade da descarga disruptiva de impulso da isolação ser se-guida pelo arco de potência, o qual depende do tipo deisolação considerada, bem como das características dielétricasdos materiais e da distância da isolação ao ponto de cone-xão ao terra, no caso da utilização de isolação adicional (porexemplo, cruzetas de madeira ou de material polimérico).
Os resultados referentes aos desligamentos teóricosobtidos a partir de estudos devem ser considerados em basesrelativas e não absolutas, tendo em vista a natureza estatís-tica da incidência das descargas atmosféricas ao longo dosanos, além das incertezas nos dados de entrada considera-dos e das simplificações geralmente necessárias para a de-finição das modelagens das redes.
A análise relativa das informações obtidas e apresenta-das ao longo da pesquisa, possibilitará a CFLO e a EEB atomada de decisões quanto a melhoria de desempenho desuas redes frente às descargas atmosféricas em bases maisconsistentes, permitindo a otimização da relação entre be-nefício e custo para a obtenção das melhorias desejadas.
VI. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] I.R.C.A. Pinto and O. Pinto Jr., “Lightning distribution in Brazilfrom 1998 to 2001 based on LIS data”, International Conference onGrounding and Earthing & 3rd Brazilian Workshop on AtmosphericElectricity, Rio de Janeiro, Nov. 2002.
[2] J. L. De Franco & A. Piantini, “Estudo de Avaliação do Desempe-nho de Redes de Distribuição frente à Descargas Atmosféricas”,Relatório Técnico FE-001/03.
[3] S. P. da Silva, A. Piantini, J. L. De Franco, J. Gonçalves, “LightningPerformance Studies for a 13.8 kV Distribution Network”, Paperto be presented in VII International Symposium on LightningDischarges - SIPDA, Curitiba, 2003.
[4] A. Piantini & J. M. Janiszewski, “Induced voltages on distributionlines due to lightning discharges on nearby metallic structures”. IEEETransactions on Magnetics, vol. 34, no. 5, pp. 2799-2802, Sep. 1998.
[5] A. Piantini, “Contribuição ao Estudo de Tensões Induzidas em Li-nhas Aéreas de Distribuição”, São Paulo, 205 p., Dissertação deMestrado, Universidade de São Paulo, Escola Politécnica, Dept. ofEngenharia Elétrica - PEA/EPUSP, Out. 1991.
[6] M. A. O. Schroeder, “Modelo eletromagnético para descontamina-ção de ondas de corrente de descargas atmosféricas: aplicação àsmedições da estação do Morro do Cachimbo” Tese de Doutorado,Universidade Federal de Minas Gerais, Programa de Pós-Gradua-ção em Engenharia Elétrica, 2001.
[7] J. J. Hurley, M. Darveniza e G. J. Limbourn, “Design of overheadtransmission lines for better lightning performance”, CIGRE Paper33-04.
[8] M. Darveniza., G. J. Limbourn e S. A. Prentice, “Line design andelectrical properties of wood”, IEEE Transactions on PowerApparatus and Systems, Vol PAS 86, No 11, Nov. 1967.
103
RESUMO
As descargas atmosféricas são em geral responsáveis por par-cela significativa dos danos e interrupções de fornecimentode energia de sistemas de distribuição. Embora as amplitudesdos surtos causados por descargas diretas sejam normalmentesuperiores àquelas decorrentes de descargas próximas às li-nhas, estas últimas são responsáveis pela maior parte dos pro-blemas em linhas de média e baixa tensão, em virtude da suamaior freqüência de ocorrência. Este fato, aliado à escassezde dados de campo relativos a tensões induzidas em linhasprovidas com pára-raios, motivou o desenvolvimento e im-plementação de um sistema visando o estudo da eficácia dautilização de pára-raios para melhoria do desempenho de li-nhas de média tensão frente a descargas atmosféricas. Estetrabalho descreve a metodologia pioneira desenvolvida e osprincipais componentes do sistema, implantado no campusda Universidade de São Paulo e colocado em operação no fi-nal da temporada de verão de 2001/2002. São também apre-sentados resultados preliminares obtidos.
PALAVRAS-CHAVE
Descargas atmosféricas, proteção, linhas de distribuição, ten-sões induzidas.
I. INTRODUÇÃO
Devido a imposições governamentais e à utilizaçãocrescente de equipamentos sensíveis a interferências, bem
como ao comportamento cada vez mais exigente por partedos consumidores, as companhias de distribuição de ener-
gia elétrica vêm realizando importantes investimentos empesquisas visando o aumento da qualidade da energia
fornecida. Neste contexto, o estudo das tensões induzidas1
em redes de distribuição por descargas atmosféricas pode
ser considerado essencial para a redução do número de
interrupções do fornecimento de energia. Apesar das
sobretensões causadas por descargas indiretas (próximas àlinha) atingirem intensidades inferiores àquelas decorren-
tes de descargas diretas, a sua importância é em geral mai-or no caso de linhas de média e baixa tensão pelo fato de
ocorrerem com maior freqüência.O fenômeno das tensões induzidas por descargas at-
mosféricas indiretas vem sendo estudado teórica e experi-mentalmente há muito tempo por pesquisadores de diver-
sos países, mas sérias divergências são ainda verificadas
entre as teorias existentes, mesmo em casos mais simples,quando não se considera na linha a presença de condutor
neutro, cabo guarda e equipamentos mais complexos, comotransformadores e pára-raios [1, 2].
Em [3] foi desenvolvido um novo modelo para o cál-culo das tensões induzidas por descargas atmosféricas indi-
retas, denominado “Extended Rusck Model” (ERM). Talmodelo tem por base a teoria de Rusck [4], porém com
modificações tais que permitem considerar tanto os efeitosde descargas em estruturas metálicas como os efeitos do
comprimento do canal de descarga, do comprimento e con-
figuração da linha e do “leader” ascendente [5]. A compara-ção das tensões calculadas através do ERM com resultados
obtidos experimentalmente no Japão [6, 7] confirmou amelhora significativa do modelo original após a introdução
das referidas modificações. Como o ERM também possibi-lita o cálculo de tensões induzidas em linhas com a presença
de pára-raios, transformadores, cabo guarda e neutro multi-aterrado, muitas outras comparações foram feitas conside-
rando resultados obtidos em experimentos realizados atra-vés de modelo em escala reduzida [8 - 11]. A boa concor-
dância observada entre as tensões induzidas medidas e cal-
culadas e a experiência do Instituto de Eletrotécnica e Ener-gia, referência em estudos nessa área, foram fatores
motivadores para o desenvolvimento do passo seguinte dapesquisa, envolvendo experimentos em escala real.
Por outro lado, a Companhia Paulista de Força e Luz,que já apresenta bons índices de qualidade, tem por filoso-
fia a melhora contínua da qualidade dos seus serviços eprodutos e a permanente satisfação de seus clientes. As-
sim, decidiu-se dar continuidade à pesquisa, objetivando a
avaliação da eficácia da utilização de pára-raios na melhoriado desempenho de linhas de distribuição.
Sistema para Estudo de Tensões Induzidasem LD´s por Descargas Atmosféricas -
Resultados PreliminaresA. Piantini, IEE/USP, T. O. de Carvalho, IEE/USP, A. Silva Neto, IEE/USP, J. M. Janiszewski, EPUSP,
R. A. C. Altafim, EESC/USP, e A. L. T. Nogueira, CPFL
Este trabalho contou com o apoio da Companhia Paulista de Força e Luz.
A. Piantini (e-mail: [email protected]), T. O. de Carvalho (e-mail:[email protected]) e A. Silva Neto (e-mail: [email protected]) trabalhamno Instituto de Eletrotécnica e Energia da Universidade de São Paulo.
J. M. Janiszewski trabalha na Escola Politécnica da Universidade de SãoPaulo (e-mail: [email protected]).
R. A. C. Altafim trabalha na Escola de Engenharia de São Carlos daUniversidade de São Paulo (email: [email protected]).
A. L. T. Nogueira trabalha na Companhia Paulista de Força e Luz (e-mail: [email protected]
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Este artigo descreve o sistema desenvolvido para o
estudo das tensões induzidas por descargas atmosféricas
em linhas de distribuição. A metodologia desenvolvida paraa pesquisa é pioneira e permite uma avaliação direta do
efeito dos pára-raios em termos de redução das amplitudesdas tensões induzidas. Além da análise comparativa do
desempenho de linhas com e sem pára-raios, o projeto irápermitir a comparação das tensões induzidas medidas com
resultados de cálculos computacionais utilizando o ERM.
II. METODOLOGIA
O sistema foi projetado para medir tensões induzidas
em duas linhas monofásicas desenergizadas, bem como ascorrentes de descargas incidentes em uma torre metálica
de 62,5 m de altura situada nas proximidades das mesmas.Pára-raios foram instalados em uma das linhas, ao passo
que a outra não conta com nenhum equipamento ou dispo-sitivo de proteção. As linhas são instaladas nas mesmas
estruturas e espaçadas de 6 m (comprimento da cruzeta),de forma a diminuir o acoplamento mútuo.
As correntes das descargas são medidas através de
um resistor “shunt” instalado na base da torre. Quando umadescarga incide na torre, a corrente flui através do resistor
“shunt” em direção do sistema de aterramento. A torre éisolada do solo através de quatro isoladores instalados em
sua base, sendo o estaiamento feito através de material iso-lante. Além do “shunt”, o sistema de medição de correntes
é composto por um osciloscópio, uma bateria e um carre-gador de baterias. O osciloscópio foi colocado dentro de
uma caixa metálica, tendo sido realizados ensaios de modo
a assegurar a adequada blindagem para campos eletromag-néticos. Para evitar que eventuais sobretensões possam
danificar os sistemas de medição, os osciloscópios quemedem as correntes e as tensões induzidas são alimenta-
dos por baterias, isolando-os eletricamente da rede. Alémdisso, a entrada de alimentação dos carregadores de bate-
rias está protegida por dispositivos de proteção.Quando uma tempestade é iminente, a rede de alimen-
tação é desconectada da alimentação dos carregadores debaterias e, simultaneamente, as baterias são ligadas aos
osciloscópios. Na ocorrência de uma descarga na torre, os
osciloscópios instalados na base desta e nas linhas experi-mentais registram, respectivamente, a forma de onda da
corrente da descarga e as correspondentes formas de ondadas tensões induzidas nas duas linhas. Se a descarga ocor-
re nas proximidades das linhas, são registradas somenteformas de onda de tensões induzidas.
O computador que gerencia a aquisição de dados foiinstalado dentro de uma estação de medição situada a apro-
ximadamente 40 m da torre. Os osciloscópios são conectadosa um circuito multiplexador do computador através de “mini
modems” que são responsáveis pela conversão do sinal óti-
co em elétrico e vice-versa. Os sinais elétricos registrados
nos osciloscópios são transmitidos para o computador atra-
vés de fibras óticas. Após a aquisição, o computador arma-
zena as formas de onda em um banco de dados permanente.Quando o período de medição termina, os carregadores de
baterias são novamente alimentados pela rede e, ao mesmotempo, os osciloscópios são desligados das baterias.
III. LINHAS EXPERIMENTAIS
As duas linhas são monofásicas, estão desenergizadas,
têm aproximadamente 2,7 km de extensão e foram monta-
das nos mesmos postes, nas extremidades de cruzetas de6 m de comprimento. Com esta distância entre os condu-
tores o acoplamento mútuo não é significativo, conformeverificado através de simulações computacionais realiza-
das com o ERM e descritas neste item. Uma das linhasencontra-se desprovida de qualquer equipamento ou tipo
de proteção, ao passo que na outra foram instalados pára-raios em alguns pontos estratégicos. Desse modo, os da-
dos obtidos permitem uma análise comparativa do efeitodos pára-raios em termos de redução das amplitudes das
tensões induzidas.
A Figura 1 apresenta as dimensões reais das linhas eindica as posições dos pára-raios, as condições de termi-
nação das linhas e a localização dos pontos de medição detensão (1, 2, 3 e 4). Nos pontos 1 e 3 são medidas tensões
induzidas na linha sem proteção, enquanto que nos pontos2 e 4 são medidas as tensões induzidas na linha com pára-
raios. Os pontos 1 e 2 e os pontos 3 e 4 estão situados a30 m e 181,4 m, respectivamente, do pára-raios mais pró-
ximo. A distância entre a torre e a linha mais próxima (li-
nha sem proteção) é de aproximadamente 67 m.
FIGURA 1 – Configuração das linhas experimentais e localizaçãodos pontos de medição de tensões induzidas (1, 2, 3 e 4).(R: resistor; Zc: impedância característica da linha).
Em ambas extremidades da linha sem proteção foramcolocados resistores com valor igual ao da impedância ca-
racterística da linha (Zc = 470 W) para evitar a ocorrênciade reflexões. A linha com pára-raios foi casada na extremi-
dade mais afastada dos pontos de medição, para evitar ainfluência de surtos refletidos nas tensões medidas nos
105
pontos 2 e 4. Já na outra extremidade foi instalado um
pára-raios. A Figura 2 mostra o poste onde foi instalado o
sistema de medição de tensões induzidas relativo aos pon-tos 3 e 4 da Figura 1.
Com o objetivo de investigar o efeito do acoplamentomútuo nas tensões induzidas nas duas linhas consideran-
do-se a distância de 6 m entre as mesmas, várias simula-ções computacionais foram realizadas utilizando-se o ERM.
A influência da torre nas tensões induzidas foi levada emconsideração de acordo com o método descrito em [3],
tendo os pára-raios (ZnO sem centelhador, classe 10 kA,
tensão nominal 12 kV) sido representados através da cur-va característica obtida a partir dos resultados dos ensaios
apresentados na Figura 3.
FIGURA 2 – Sistema de medição de tensões induzidas (pontos3 e 4 indicados na Figura 1)
FIGURA 3 – Dados utilizados para obtenção dacurva característica V x I dos pára-raios.
Diferentes situações foram consideradas nas simulações,nas quais a corrente da descarga foi representada com for-
ma de onda triangular. As Figuras 4 a 7 apresentam algumasdas tensões calculadas em diferentes pontos, relativas a uma
corrente com tempo de frente igual a 2 ms e tempo até omeio valor, na cauda, igual a 40 ms. As três curvas apresen-
tadas em cada uma das figuras correspondem a:• curva (1) – tensões induzidas na linha sem proteção,
desconsiderando a presença da linha com pára-raios;
• curvas (2) e (3) – tensões induzidas nas linhas sem ecom pára-raios, respectivamente, quando as duas linhas
são instaladas nos mesmos postes, à distância de 6 m.
As grandezas indicadas nas figuras têm os seguintessignificados:Im – amplitude da corrente da descarga;Rat– resistência de aterramento;b – relação entre a velocidade da propagação da corrente
pelo canal da descarga e a velocidade da luz no vácuo;h – altura da linha em relação ao solo;hn – comprimento do canal da descarga;x – distância entre o ponto de medição e o ponto na li-
nha mais próximo da torre;xat – distância entre a extremidade em que ambas as linhas
estão casadas e o pára-raios mais próximo;xd – distância entre o ponto de cálculo da tensão e o pára-
raios mais próximo;dl – distância entre as duas linhas;d – distância entre a torre (local de queda da descarga) e
a linha mais próxima.
FIGURA 4 – Tensões induzidas nos pontos 1 e 2.
FIGURA 5 - Tensões induzidas nos pontos 1 e 2.
FIGURA 6 - Tensões induzidas nos pontos 3 e 4.
!!"#$%%&106
FIGURA 7 - Tensões induzidas nos pontos 3 e 4.
Através da análise dos resultados das simulações apre-
sentadas nas Figuras 4 a 7 e de outros casos não apresen-
tados neste trabalho, pode-se afirmar que as diferenças entre
as tensões induzidas na linha sem proteção isolada e com a
presença da linha com pára-raios (curvas 1 e 2, respectiva-
mente) não são em geral significativas para a distância con-
siderada, ao menos no que diz respeito às amplitudes. Con-
clui-se, portanto, que a análise dos efeitos dos pára-raios
pode ser feita por meio de comparações diretas entre as
tensões induzidas nas duas linhas.
Nos postes onde se situam os pontos de medição de
tensão (pontos 1 e 2 e pontos 3 e 4) existem dois divisores
de tensão, dois osciloscópios digitais, uma bateria, um car-
regador de baterias, dois contatores e dois pára-raios. O
sistema é ligado e desligado através de contatores instala-
dos na estação de medição, onde também se encontra o
computador responsável pelo controle da aquisição e
armazenamento dos dados. O braço de baixa tensão do
divisor foi instalado em uma estrutura metálica que abriga
também um osciloscópio e o “mini-modem” responsável
pela comunicação de dados com o computador dentro da
estação, através de fibra óptica.
A estação de medição é blindada, com comprimento
de 6 m, largura de 2,5 m e altura de 2,3 m, estando situada
à distância de aproximadamente 40 m da torre. O
microcomputador instalado na estação está acoplado a um
circuito multiplexador que, por sua vez, está conectado
aos cinco osciloscópios (um para medição da corrente e
quatro para medição das tensões induzidas) através de “mini
modems” e cabos de fibra ótica. O computador armazena
os dados relativos às tensões induzidas nas duas linhas e às
correntes das descargas incidentes na torre.
IV. SISTEMAS DE AQUISIÇÃO DE DADOS
O sistema implementado para aquisição de dados é
composto por cabos de fibras óticas, “mini modems”,
multiplexador (MUX), um microcomputador e um
“software” de aquisição de dados especialmente desenvol-
vido para esta pesquisa, denominado Teklink. Os “mini
modems” são responsáveis pela conversão dos sinais elétri-
cos/óticos e óticos/elétricos para a transmissão de dados di-
gitais via cabos de fibra ótica. O MUX foi projetado para
possibilitar a conexão dos “mini modems” ao
microcomputador, que permite controlar remotamente até
oito osciloscópios. O programa Teklink foi desenvolvido em
Borland Delphi e controla a aquisição de dados relativos às
formas de onda das tensões induzidas e de correntes de des-
cargas armazenadas nos osciloscópios. A Figura 8 apresen-
ta o diagrama de blocos do sistema de aquisição de dados.
FIGURA 8 – Diagrama de blocos do sistema de aquisição de
dados. (PP - Porta Paralela).
No instante em que se detecta uma nova forma de
onda armazenada em qualquer um dos osciloscópios, o
“software” realiza a leitura de dados de todos os
osciloscópios instalados no sistema. Cada forma de onda é
transmitida digitalmente por fibra ótica ao computador ins-
talado na estação de medição e inserida no sistema de ban-
co de dados. Após cada aquisição, o “software” habilita o
osciloscópio para novas medições e o ciclo de leitura é
repetido para os demais osciloscópios. As formas de onda
são identificadas na base de dados por data, horário de
ocorrência da descarga atmosférica e ponto de medição.
107
V. RESULTADOS PRELIMINARES
O sistema foi colocado em operação no final da tempo-
rada de verão de 2001-2002 e desde então tem armazenado
diversas formas de onda de tensões induzidas nas duas linhas.
Devido a problemas ligados a ajustes de “offset” e va-
lores de “trigger” não foi possível obter-se, em alguns ca-
sos, medições das tensões induzidas nos quatro osciloscópios,
ou seja, em algumas situações os registros de tensão foram
feitos em apenas um, dois ou três osciloscópios.
As Figuras 9 a 11 apresentam algumas formas de onda
de tensões induzidas medidas pelo sistema. A Figura 9 apre-
senta formas de onda de tensão observadas nos pontos 3 e 4,
induzidas simultaneamente pela mesma descarga atmosférica.
A amplitude da tensão induzida na linha com pára-raios foi
maior que a correspondente à tensão medida na linha
desprotegia devido às reflexões dos surtos na extremidade da
linha protegida próxima aos pontos de medição (extremidade
terminada com pára-raios). Deve-se ressaltar que, neste caso,
as amplitudes das tensões induzidas não foram suficientemen-
te altas para provocar a operação do pára-raios.
FIGURA 9 – Tensões induzidas nos pontos de medição 3 e 4 -
04/06/2002 (16h 16’ 12").
A Figura 10 apresenta formas de ondas medidas si-
multaneamente nos pontos 1, 2 e 3, para outra descarga
atmosférica. A Figura 11 apresenta formas de onda das
tensões induzidas nas duas linhas por uma descarga que
atingiu uma árvore a aproximadamente 61 m de distância
da linha mais próxima (linha com pára-raios). Elas foram
registradas nos pontos de medição 1 e 2 (localizados à dis-
tância de 30 m do pára-raios mais próximo) e ilustram o
efeito do pára-raios na redução da amplitude da tensão
induzida. A título de ilustração, a Figura 12 mostra o
eucalipto atingido pela descarga.
A Figura 13 apresenta um caso relativo à obtenção
simultânea das formas de onda das tensões induzidas nos
quatro pontos de medição. Pode-se observar o efeito dos
pára-raios na linha protegida, mas como as amplitudes das
tensões induzidas não foram elevadas, as reduções das suas
amplitudes não foram significativas em nenhum dos pon-
tos de medição (2 e 4).
FIGURA 10 – Tensões induzidas - 07/03/2003 (18h 30’ 14").a) nos pontos de medição 1 e 2b) no ponto de medição 3
(a)
(b)
FIGURA 11 – Tensões induzidas nos pontos de medição 1 e 2 -17/03/2002 (16h 47’ 44") - por uma descarga que atingiu umaárvore a 61 m das linhas (vide Figura 12).
FIGURA 12 - Eucalipto atingido em 17/03/2002 (4h 47’ 44") poruma descarga atmosférica. As tensões induzidas correspondentes,nas duas linhas, são apresentadas na Figura 11.
!!"#$%%&108
FIGURA 13 – Tensões induzidas - 21/01/2003 (15h 43’ 07"). a) nos pontos de medição 1 e 2 b) nos pontos de medição 3 e 4
VI. CONCLUSÕES
O artigo descreveu as principais características de umsistema desenvolvido para a análise do comportamento das
tensões induzidas por descargas atmosféricas e avaliaçãoda eficácia de pára-raios na redução dessas tensões. O sis-
tema foi colocado em operação no final da temporada deverão de 2001-2002, tendo sido apresentados alguns re-
sultados preliminares. A metodologia desenvolvida é ino-vadora e permitirá a avaliação direta da eficácia dos pára-
raios na redução dos problemas associados a tensõesinduzidas causadas por descargas atmosféricas próximas a
linhas de distribuição. Espera-se obter uma quantidade de
dados estatisticamente relevante ao longo das próximastemporadas de chuvas, o que possibilitará uma análise quan-
titativa dos benefícios da instalação de pára-raios quanto àmelhoria do desempenho de linhas de distribuição face a
descargas atmosféricas.
(a)
(a)
VII. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a C. P. Braz e C. Y. Kodaira,
do IEE/USP, J. C. Sartori e P. Veronese, da EESC/USP, eRonaldo A. Roncolatto, da CPFL, pela colaboração na
execução deste trabalho.
VIII. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] A. Piantini and J. M. Janiszewski, “Analysis of three differenttheories for computation of induced voltages on distribution linesdue to nearby lightning”, in Proc. of the Int. Conf. on ElectricityDistribution (CIRED Argentina’96), pp. Session 1 / 127-132,Buenos Aires, Dec. 1996.
[2] C. A. Nucci, F. Rachidi, M. Ianoz, C. Mazzetti, “Comparison oftwo coupling models for lightning-induced overvoltagecalculations”, IEEE Trans. on Power Delivery, Vol.10, No1, pp 330-338, Jan. 1995.
[3] A. Piantini and J. M. Janiszewski, “Induced voltages on distributionlines due to lightning discharges on nearby metallic structures”.IEEE Trans. on Magnetics, vol. 34, no. 5, pp. 2799-2802, Sep. 1998.
[4] S. Rusck, “Induced lightning over-voltages on power-transmissionlines with special reference to the over-voltage protection of low-voltage networks”. Trans. of the Royal Institute of Technology, n.120, pp. 1-118, 1958.
[5] A. Piantini and J. M. Janiszewski, “The Extended Rusck Modelfor calculating lightning induced voltages on overhead lines”.(submitted to the VII Int. Symposium on Lightning Protection - VIISIPDA -, São Paulo, Nov. 2003)
[6] S. Yokoyama, K. Miyake, H. Mitani and H. Takanishi,“Simultaneous measurement of lightning induced voltages withassociated stroke currents”. IEEE Trans. on Power Apparatus andSystems, v. 102, n. 8, pp. 2420-2427, Aug. 1983.
[7] S. Yokoyama, K. Miyake, H. Mitani and N. Yamazaki, “Advancedobservations of lightning induced voltage on power distributionlines”. IEEE Trans. on Power Delivery, vol. 1, n. 2, pp. 129-139,Apr. 1986.
[8] C. A. Nucci; A. Borghetti; A. Piantini and J. M. Janiszewski,“Lightning-induced voltages on distribution overhead lines:comparison between experimental results from a reduced-scalemodel and most recent approaches”, in Proc. of the 24th Int. Conf.on Lightning Protection (24th ICLP), pp. 314-320, Birmingham,Sep. 1998.
[9] A. Piantini and J. M. Janiszewski, “Use of surge arresters forprotection of overhead lines against nearby lightning”, in Proc. ofthe 10th Int. Symposium on High Voltage Engineering (10th ISH),vol. 5, pp. 213-216, Montréal, Aug. 1997.
[10] A. Piantini and J. M. Janiszewski, “Lightning induced voltages onoverhead lines: the effect of ground wires”, in Proc. of the 22nd Int.Conf. on Lightning Protection (22nd ICLP), pp. R 3b-08/1-5,Budapest, 1994.
[11] A. Piantini and J. M. Janiszewski, “An Experimental study oflightning induced voltages by means of a scale model”, in Proc. ofthe 21st Int. Conf. on Lightning Protection (21st ICLP), paper 4.08,pp. 195-199, Berlin, 1992.
109
RESUMO
Uma das formas de sobretensão na rede secundária diz respei-to aos surtos transferidos pelo transformador quando da ocor-rência de descargas atmosféricas diretas ou próximas à rede.Os modelos normalmente utilizados para avaliação dessessurtos são em geral inadequados ou excessivamente comple-xos, além de raramente considerar os efeitos da carga no se-cundário. Este trabalho apresenta um novo modelo para re-presentação de transformadores de distribuição para análisedos surtos transferidos à rede secundária, considerando-se osefeitos da carga. A validação do modelo foi confirmada atra-vés de comparações entre resultados de simulaçõescomputacionais e de ensaios realizados em laboratório. Umadas características do modelo é a sua simplicidade, sendo omesmo facilmente implementável em programas como oEMTP/ATP. O artigo apresenta também exemplos de aplica-ção do modelo desenvolvido, ilustrando as formas de onda decorrentes e tensões transferidas em diversos pontos de umarede secundária típica quando da ocorrência de descargas di-retas no primário.
PALAVRAS-CHAVE
Descargas atmosféricas, modelagem, rede secundária, surtostransferidos, transformadores.
I. INTRODUÇÃO
Os surtos de origem atmosférica são os principais cau-
sadores de perturbações nas redes de distribuição, influen-ciando significativamente os indicadores de qualidade da
energia fornecida. O conhecimento dos diversos mecanis-mos de indução das sobretensões se faz então necessário
para uma avaliação adequada das técnicas para minimizaçãodo problema. Alguns resultados de pesquisas a respeito
das características das tensões induzidas em linhas de dis-tribuição de baixa tensão são apresentados em [1 - 3].
Uma das formas de sobretensão na rede secundária
diz respeito aos surtos transferidos do primário, via trans-
Surtos Transferidos à Rede Secundária viaTransformadores de Distribuição Considerando
o Efeito da CargaA. Piantini, IEE/USP, A.G. Kanashiro, IEE/USP e J. C. Carneiro, CPFL
formador. A avaliação desses surtos requer a utilização demodelos confiáveis para a representação dos elementos
envolvidos no fenômeno. No que se refere aos transforma-dores de distribuição, contudo, os modelos normalmente
utilizados para essa finalidade são em geral inadequados,como o modelo PI-capacitivo, ou bastante complexos [4].
Importante se faz ressaltar que mesmo estes últimos têmem geral sua validade restrita à condição em vazio, impos-
sibilitando desse modo a determinação do efeito da carga
conectada ao secundário nas amplitudes e formas de ondados surtos transferidos [5 - 7].
A determinação das tensões transferidas depende doconhecimento das características das tensões induzidas no
primário e do comportamento do transformador em altasfreqüências. As tensões induzidas devido a descargas at-
mosféricas têm sido tema de várias pesquisas, sendo o fe-nômeno estudado com o objetivo de se avaliar o desempe-
nho de linhas aéreas e de se determinar os métodos de pro-teção mais adequados [8 - 13].
Com relação ao comportamento dos transformado-
res, deve-se ressaltar a inexistência de um modelo simplese que represente adequadamente o transformador em altas
freqüências tendo em vista o fenômeno de transferência desurtos e que também leve em consideração o efeito da car-
ga conectada ao secundário. Apenas para ilustrar a impor-tância do assunto, são mostradas em [14] comparações
entre os valores das tensões transferidas utilizando-se omodelo PI-capacitivo e o modelo de Vaessen [5], com o
transformador simulado na condição a vazio. Os resulta-dos mostram diferenças significativas entre as tensões
transferidas calculadas com os dois modelos.
Em [15, 16] foi apresentado um modelo simples econfiável para representação de transformadores trifásicos,
porém limitado à condição em aberto. Os estudos evoluí-ram, sendo apresentado em [17] um modelo que represen-
ta razoavelmente bem um transformador específico tam-bém na condição sob carga. Um aprimoramento do mode-
lo foi apresentado em [18]. Os bons resultados obtidosmotivaram a continuidade da pesquisa, passando-se a in-
vestigar a aplicabilidade do modelo proposto para outros
transformadores. Foram então considerados nove transfor-madores, de diferentes fabricantes e potências nominais,
Este trabalho foi apoiado pela Companhia Paulista de Força e Luz(CPFL).
A. Piantini trabalha no Instituto de Eletrotécnica e Energia da Universi-dade de São Paulo (e-mail: [email protected]).
A. G. Kanashiro trabalha no Instituto de Eletrotécnica e Energia daUniversidade de São Paulo (e-mail: [email protected]).
J. C. Carneiro trabalha na Companhia Paulista de Força e Luz (e-mail:[email protected]).
!!"#$%%&110
sendo obtidas as suas características em função da freqüên-
cia, resultando no desenvolvimento de um modelo genéri-
co para representação de transformadores de distribuiçãotrifásicos [19]. Este trabalho apresenta resultados obtidos
para uma rede de distribuição típica através da aplicaçãodo modelo proposto em [19].
II. MODELO DE TRANSFORMADOR
O desenvolvimento do modelo teve por base medições
das impedâncias de entrada, saída e de transferência do trans-
formador em função da freqüência, de acordo com ametodologia descrita em [18]. A validação, a generalidade e
a aplicabilidade do modelo foram apresentadas em [19] paravários transformadores trifásicos (conexão delta-estrela) tí-
picos, de diferentes fabricantes e com potências nominais nafaixa de 30 kVA a 225 kVA. A Figura 1 apresenta o modelo,
o qual representa razoavelmente bem todos os transforma-dores considerados tanto na condição em vazio quanto sob
carga. A Tabela 1 apresenta os parâmetros referentes a qua-tro dos transformadores ensaiados.
Vários ensaios foram realizados, aplicando-se impul-
sos de tensão com diferentes formas de onda aos terminais
(interligados) de alta tensão dos transformadores, sendomedidas, simultaneamente, as tensões transferidas ao se-
cundário. Inicialmente os ensaios foram realizados com otransformador em vazio, sendo em seguida conectadas, ao
secundário, cargas equilibradas, resistivas e capacitivas. Astensões transferidas foram medidas no terminal X
3 do
enrolamento secundário.As Figuras 2 e 3 mostram comparações entre tensões
transferidas medidas e calculadas para os transformadores
de 30 kVA e de 45 kVA, respectivamente, sob diferentescondições de carga, para um impulso com forma de onda
normalizada aplicada ao primário. Embora a análise apre-sentada neste item se refira à tensão de impulso normaliza-
da, outras situações são consideradas em [19, 20].
FIGURA 2. Tensões transferidas medidas e calculadas. Transf.de 30 kVA, em vazio. Tensão aplicada: onda normalizada, valorde crista 1,70 kV.
(a)
(b)FIGURA 3. Tensões transferidas medidas e calculadas. Transf. de45 kVA, com cargas resistivas (500 Ω e 100 Ω) no secundário. .Tensão aplicada: onda normalizada, valor de crista 1,87 kV.a) 510 Ω b) 10 Ω
Observa-se uma boa concordância entre as ondas
medidas e aquelas previstas pelo modelo, tanto em termosdos valores de crista como das formas de onda das ten-
sões. No caso do transformador de 30 kVA, o erro médio
FIGURA 1. Modelo para representação de transformadores dedistribuição trifásicos (conexão delta-estrela) tendo em vista aanálise de surtos transferidos ao secundário.
TABELA 1
Parâmetros do modelo (Transformadores identificadospelo fabricante e potência nominal).
Parâmetro 30kVA(A) 45kVA(B) 75kVA(C) 150kVA(D)
R1 (kW) - - - 110
R2 (kW) 14 7,0 0,8 100
R3 (kW) 0,8 3,0 0,115 100
R5 (kW) - - 0,832 11
R6 (kW) 1,1 0,4 - -
R7 (kW) 1,62 2,8 3 0,35
C1 (pF) 493 380 380 600
C2 (pF) 94,8 885 60 -
C3 (pF) 21,5 153 100 10000
C4 (pF) 50 370 1 1300
C5 (pF) - 250 820 500
C7 (pF) 759,5 800 1204 400
L2 (mH) 16 35 0,056 -
L3 (mH) 1,84 10 0,19 0,005
L5 (mH) - - 0,035 14
L7 (mH) 0,05 0,02 0,0105 0,015
111
encontrado nos valores de crista das tensões transferidas,
nas diversas comparações realizadas, foi de 10,8 %. Caso
seja desconsiderado o caso correspondente à carga de 10W, mais afetado por ruídos em função da baixa amplitude
do sinal medido (aproximadamente 1,3 V), esse valor di-minui para 6,6 %. Por sua vez, o modelo do transformador
de 45 kVA apresentou, nas comparações efetuadas, erromédio de 12,8 %. Esses erros podem ser considerados bas-
tante razoáveis, especialmente quando comparados aosvalores correspondentes ao circuito PI-capacitivo,
freqüentemente utilizado para estimativa das tensões
transferidas via transformador em função da sua simplici-dade. Neste circuito, indicado na Figura 4 (VT1 e VT2
correspondem às tensões no primário e no secundário, res-pectivamente), o transformador é representado através das
capacitâncias C1 (entre o primário e o terra), C2 (entre osecundário e o terra) e C12 (entre o primário e o secundá-
rio). A título de ilustração a Figura 5 apresenta, para otransformador de 30 kVA na condição em vazio, a tensão
transferida calculada quando o mesmo é representado pelomodelo PI-capacitivo.
FIGURA 4. Circuito PI-capacitivo. Transformador de 30 kVA:C1= 0,138nF, C2 = 0,423 nF, C12 = 0,305 nF.
FIGURA 5. Tensões transferidas medida e calculadas. Transf.de 30 kVA, em vazio. Tensão aplicada: onda normalizada, valorde crista 1,70 kV.
III. EXEMPLO DE APLICAÇÃO EMSITUAÇÕES PRÁTICAS
Para a avaliação do desempenho da rede de baixa ten-são face a descargas atmosféricas e o estabelecimento de
critérios para a sua proteção, faz-se necessário avaliar osníveis dos surtos transferidos do primário para o secundário
via transformador. Conforme mencionado anteriormente, tais
surtos podem ser provocados tanto por descargas diretas no
primário quanto por descargas que incidem nas proximida-
des da rede de distribuição. Neste item são apresentadosexemplos de utilização do modelo desenvolvido para repre-
sentação de transformadores, considerando-se uma confi-guração típica de rede secundária. Nas simulações são re-
presentados, além do transformador, os componentes maisrelevantes do sistema, como pára-raios, isoladores, resistên-
cias de aterramento, etc.. As simulações foram realizadasutilizando-se o programa ATP (“Alternative Transients
Program”). A influência de diversos parâmetros dos com-
ponentes da rede e da descarga é investigada para o caso dedescargas atmosféricas atingindo diretamente a linha primá-
ria. Adotou-se, nas simulações, uma corrente de descargacom forma de onda triangular, amplitude de 45 kA, tempo
de frente de 2,25 ms e tempo até a metade do valor de crista,na cauda, de 80 ms. Essa corrente foi tomada como repre-
sentativa das descargas com média probabilidade de ocor-rência uma vez que, de acordo com os dados registrados
pela CEMIG [21], o valor médio das amplitudes das corren-tes é de aproximadamente 47 kA.
A configuração básica utilizada nas simulações, apre-
sentada nas Figuras 6 e 7, conta com uma linha primária de10 km de comprimento, com o neutro aterrado a cada 300
m. A instalação do transformador de distribuição que su-pre o circuito secundário analisado foi definida no ponto
médio do circuito primário. Adotou-se para o circuito se-cundário a extensão de 300 m (150 m para cada lado do
transformador). As derivações dos consumidores secun-dários estão definidas a cada 30 m, sendo o neutro aterra-
do nas entradas dos consumidores. Conforme pode-se ob-servar na Figura 6, os blocos “E” e “D” situados, respecti-
vamente, à esquerda e à direita do transformador, são si-
métricos em relação a este. A Figura 7 mostra o bloco “D”em detalhe. O bloco “E” é exatamente igual, devendo-se
no entanto substituir os pontos D1, D2, ..., D167, por E1,E2, ..., E167, respectivamente. As simulações considera-
ram as seguintes resistências de aterramento:R
T: resistência de aterramento dos postes aterrados;
Rp: resistência de aterramento dos postes não francamenteaterrados;
RC: resistência de aterramento dos consumidores do cir-
cuito secundário em estudo;R
S: resistência de aterramento dos demais consumidores
do sistema.
Para a modelagem dos componentes da rede adotou-se o procedimento descrito em [17]. A forma de utilização
de dispositivos de proteção e as grandezas avaliadas nesteestudo consideram a utilização do esquema de aterramento
TN nas instalações de consumidores de BT. Assim, noscasos que simulam a utilização de dispositivos de proteção
de baixa tensão (“surge protective devices” - SPDs), estesforam conectados entre os condutores fase e neutro.
!!"#$%%&112
FIGURA 6. Configuração de rede utilizada nas simulações.Blocos “E” e “D” designam, respectivamente, lados“Esquerdo” e “Direito” do transformador.
FIGURA 7. Detalhe do bloco “D” indicado na Figura 14. O bloco“E” é idêntico, porém com os pontos E
i substituindo os pontos D
i.
Um dos parâmetros variados foi a localização do pontode incidência da descarga. Em função da simetria dos blo-cos “E” e “D” em relação ao transformador (ponto 0), assimulações sempre consideraram a incidência de descargasno trecho da linha primária situado do lado direito do trans-formador (bloco “D”), ou seja, em algum dos pontos D
i
indicados na Figura 7. Na Figura 8 são apresentadas astensões fase-neutro na saída do transformador (junto aosterminais de baixa tensão) e nas entradas dos consumido-res ligados aos pontos 0, D1, D3, D5, E1, E3 e E5 para ocaso de uma descarga incidindo a 300 m do transformador(ponto D10), rede secundária sem proteção (sem SPDs) etodas as resistências de aterramento iguais a 100 W.
Como pode-se verificar, a tensão junto aos terminaisde baixa tensão do transformador oscila com freqüência pró-xima a 1,2 MHz e atinge valores de crista da ordem de 20kV. Essa tensão pode ser decomposta em duas partes, sendoa primeira associada à transferência da alta para a baixa ten-são através do transformador, de acordo com o fenômenomostrado no item 2. O segundo componente se deve à cor-rente que circula através do neutro em função da atuação dopára-raios da alta tensão e das diversas disrupções atravésdos isoladores, tanto do primário como do secundário. Emgeral é este o componente mais significativo da tensão nosecundário quando da ocorrência de descargas diretas noprimário. Deve-se ressaltar que tal conclusão foi obtida apartir da utilização de um modelo comprovadamente ade-quado para representação do transformador. Embora o mo-delo apresentado neste trabalho seja uma evolução do ante-rior, o circuito proposto em [17] foi utilizado em [22, 23],tendo conduzido a conclusões semelhantes. Entretanto, autilização de um modelo inadequado para essa finalidade,como o circuito PI, por exemplo, poderia conduzir a uma
conclusão diferente pois, conforme ilustrado na Figura 5, omesmo prevê tensões com amplitudes bem superiores às efe-tivamente transferidas. Já na entrada do consumidor ligadoao ponto 0 o valor máximo da tensão é bem inferior, deaproximadamente 2 kV. Com relação aos demais consumi-dores, nota-se que aqueles mais distantes dos pára-raios ten-dem a apresentar tensões mais elevadas.
A Figura 9 apresenta as tensões fase-neutro nas en-tradas dos consumidores considerando agora a presençade SPDs junto aos terminais de baixa tensão do transfor-mador e nas extremidades do circuito secundário - pontosE5 e D5). Com a instalação da proteção, observa-se umanítida redução das tensões em todos os pontos, especial-mente nos terminais de BT do transformador, nos quais atensão fica limitada aos valores das tensões residuais dosSPDs. Já nas entradas dos consumidores, valores superio-res são observados em função das distâncias até os SPDs.
(a)
(b)
(c)FIGURA 8. Tensões fase-neutro nas entradas dos consumidores(Caso 1). Resistências de aterramento: 100 W. Rede secundária semproteção. Descarga de 45 kA a 300 m do transformador (ponto D10)
a) proximidades do transformadorb) consumidores do lado direito
c) consumidores do lado esquerdo
113
Nas Figuras 10 e 11 são apresentadas, para o caso de
SPDs instalados na saída do transformador e nas extremi-
dades do circuito secundário, as correntes através dos SPDsconsiderando a incidência de descargas diretas a 300 m e a
90 m do transformador, respectivamente.
(a)
(b)
(c)
FIGURA 9. Tensões fase-neutro nas entradas dos consumidores(Caso 2). Resistências de aterramento: 100 W. SPDs notransformador e nas extremidades da rede secundária.Descarga de 45 kA a 300 m do transformador (ponto D10).
a) proximidades do transformadorb) consumidores do lado direitoc) consumidores do lado esquerdo
As amplitudes das correntes nos SPDs tendem a ser
maiores no Caso 3, correspondente à menor distância en-tre o ponto de incidência da descarga e os SPDs. Observa-
se também que os SPDs situados nas extremidades da redesecundária (pontos E5 e D5) são mais solicitados que aquele
colocado junto ao transformador (ponto 0), tanto em ter-mos de amplitude como de duração da onda de corrente.
Na extremidade mais afastada do ponto de incidência da
descarga (ponto E5) as correntes tendem a ser mais eleva-
das e de maior duração em virtude das descargas disruptivasque ocorrem principalmente nos pontos mais próximos ao
local atingido. Essas disrupções proporcionam caminhosde baixa impedância para a corrente, o que faz com que a
intensidade desta seja menor nos SPDs mais próximos aolocal da descarga (ponto D5) que na extremidade oposta.
FIGURA 10. Correntes nos SPDs (Caso 2).Resistências de aterramento: 100 Ω.SPDs no transformador e nas extremidades da rede secundária.Descarga de 45 kA a 300 m do transformador (ponto D10).
FIGURA 11. Correntes nos SPDs (Caso 3).Resistências de aterramento: 100 Ω.SPDs no transformador e nas extremidades da rede secundária.Descarga de 45 kA a 90 m do transformador (ponto D3).
IV. CONCLUSÕES
Este trabalho apresentou um modelo para representa-ção de transformadores de distribuição trifásicos no que
concerne à transferência de surtos à rede secundária quan-do da ocorrência de descargas atmosféricas diretas no pri-
mário ou nas proximidades da rede. O modelo, validadoatravés de comparações entre tensões transferidas calcula-
das e medidas em transformadores de distribuição trifásicostípicos, representa adequadamente os transformadores con-
siderados, possibilitando a análise dos surtos transferidoslevando-se em consideração o efeito da carga conectada
ao secundário. Além disso, o modelo é simples e conduz a
resultados confiáveis, sendo de fácil aplicação em progra-mas para o estudo de transitórios, como o EMTP/ATP.
As simulações efetuadas consideraram situações prá-ticas e tiveram por objetivo apenas ilustrar a complexidade
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do problema, tendo em vista a grande quantidade de
parâmetros envolvidos e as faixas de variação de seus va-
lores. Entretanto, as informações apresentadas permitemuma visão das características básicas dos surtos transferi-
dos a uma rede secundária típica quando da ocorrência dedescargas atmosféricas diretas no primário.
A partir da avaliação dos resultados obtidos pode-seconcluir que:
• é importante que o transformador seja representado deforma apropriada quanto à transferência de surtos ao
secundário; o circuito PI, comumente utilizado, é ina-
dequado para essa finalidade;• as descargas disruptivas nos isoladores de média e de
baixa tensão têm efeito significativo nas tensões resul-tantes na rede e devem ser levadas em consideração;
• o componente de maior relevância nas tensõestransferidas em decorrência de descargas diretas no pri-
mário é aquele associado à circulação de corrente atra-vés do neutro;
• as tensões no secundário do transformador e nas entra-das dos consumidores podem atingir valores bastante
elevados, da ordem de dezenas de quilovolts no caso de
ausência de dispositivos de proteção;• a presença de pára-raios no primário do transformador
não é suficiente para garantir a sua proteção; a instala-ção de SPDs junto aos terminais de baixa tensão é alta-
mente recomendável;• a instalação de SPDs no secundário do transformador
não evita a ocorrência de tensões elevadas nas entradasdos consumidores.
V. AGRADECIMENTOS
Os autores gostariam de expressar seus agradecimen-tos aos engenheiros Paulo F. Obase, Acácio Silva Neto e
Thaís Ohara, do IEE/USP, e Nelson M. Matsuo, que parti-ciparam de diferentes etapas deste trabalho.
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