4-Descargas atmosfericas

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José Osvaldo 1
1
José Osvaldo 2
2
Descargas atmosféricasDescargas atmosféricasDescargas atmosféricas
A descarga atmosférica, popularmente conhecida
como raio, faísca ou corisco, é um fenômeno
natural que ocorre em todas as regiões da terra.
Na região tropical do planeta, onde está
localizado o Brasil , as descargas ocorrem
geralmente junto com as chuvas..
José Osvaldo 3
3
A descarga é identificada por duas
características:
A A descargadescarga é é identificada por duasidentificada por duas
característicascaracterísticas::
O trovão, que é o som provocado pela
expansão do ar aquecido pela descarga;
O relâmpago, que é a intensa luminosidade
que aparece no caminho da descarga.
José Osvaldo 4
4
O carregamento das nuvensOO carregamento das nuvens carregamento das nuvens
10 km
2 km
José Osvaldo 5
5
A descarga atmosféricaAA descarga atmosférica descarga atmosférica
José Osvaldo 6
6
FILME 1FILME 1FILME 1
José Osvaldo 7
7
FILME 2FILME 2FILME 2
José Osvaldo 8
8
As descargas podem se iniciar na nuvem ou no solo.As As descargasdescargas podem podem se se iniciar na nuvem ou iniciar na nuvem ou no solo.no solo.
Descarga descendente Descarga ascendente
José Osvaldo 9
9
Pesquisas sobre Descargas AtmosféricasPesquisas sobre Descargas AtmosféricasPesquisas sobre Descargas Atmosféricas
Torres Fixas
Estações de 
rastreamento
Descargas
forçadas
José Osvaldo 10
10
Pesquisas sobre Descargas AtmosféricasPesquisas sobre Descargas AtmosféricasPesquisas sobre Descargas Atmosféricas
Caso 1 Caso 2
Fio condutor
(400 m)
Fio de nylon
(100 m)
Fio condutor
(500 m)
José Osvaldo 11
11
Pesquisas sobre Descargas AtmosféricasPesquisas sobre Descargas AtmosféricasPesquisas sobre Descargas Atmosféricas
53 m
28 m
46 m
Container 
de medição
Loops 1 e 2
Loops 3 e 4
Base de
lançamento
Rede 
telefônica
José Osvaldo 12
12
Pesquisas sobre Descargas AtmosféricasPesquisas sobre Descargas AtmosféricasPesquisas sobre Descargas Atmosféricas
José Osvaldo 13
13
Pesquisas sobre Descargas AtmosféricasPesquisas sobre Descargas AtmosféricasPesquisas sobre Descargas Atmosféricas
José Osvaldo 14
14
Pesquisas sobre Descargas AtmosféricasPesquisas sobre Descargas AtmosféricasPesquisas sobre Descargas Atmosféricas
José Osvaldo 15
15
Pesquisas sobre Descargas AtmosféricasPesquisas sobre Descargas AtmosféricasPesquisas sobre Descargas Atmosféricas
José Osvaldo 16
16
Pesquisas sobre Descargas AtmosféricasPesquisas sobre Descargas AtmosféricasPesquisas sobre Descargas Atmosféricas
José Osvaldo 17
17
Pesquisas sobre Descargas AtmosféricasPesquisas sobre Descargas AtmosféricasPesquisas sobre Descargas Atmosféricas
José Osvaldo 18
18
Pesquisas sobre Descargas AtmosféricasPesquisas sobre Descargas AtmosféricasPesquisas sobre Descargas Atmosféricas
José Osvaldo 19
19
Pesquisas sobre Descargas AtmosféricasPesquisas sobre Descargas AtmosféricasPesquisas sobre Descargas Atmosféricas
José Osvaldo 20
20
Pesquisa UFMG/CPqD/UNICAMPPesquisa UFMG/CPqD/UNICAMPPesquisa UFMG/CPqD/UNICAMP
Loop 2
Poste de madeiraCordoalha de cobre
Malha de
aterramento
Loop 3
Loop 4
Malha de aterramento
53 m53 m
Base de lançamento
Loop 1
José Osvaldo 21
21
Pesquisa UFMG/CPqD/UNICAMPPesquisa UFMG/CPqD/UNICAMPPesquisa UFMG/CPqD/UNICAMP
Malha de
aterramento
Isolador
Cabo de cobre
Poste de PVC
Casador de
impedância
Divisor de tensão
conversor E/O
Estai de Nylon
José Osvaldo 22
22
Pesquisa UFMG/CPqD/UNICAMPPesquisa UFMG/CPqD/UNICAMPPesquisa UFMG/CPqD/UNICAMP
José Osvaldo 23
23
IPICO
0,5.IPICO
tPICO tCAUDA
Forma de onda típica de uma corrente de
descarga atmosférica
Forma deForma de onda típica onda típica de de uma corrente uma corrente de de
descarga atmosféricadescarga atmosférica
José Osvaldo 24
24
Descarga completaDescarga completaDescarga completa
200 kA
2 µs 100 µs
7 kA
1 kA
5 ms
0,5 kA
55 ms 200 ms
50 kA
José Osvaldo 25
25
Parâmetros típicos da descarga atmosféricaParâmetros típicos da descarga atmosféricaParâmetros típicos da descarga atmosférica
IPICO
(kA)
tPICO
(µs)
% abaixo
dos valores
3,5
34
102
1,0
7,0
30,0
1,0
50,0
99,0
José Osvaldo 26
26
Descargas MúltiplasDescargas MúltiplasDescargas Múltiplas
70% + de 1 componente
16% + de 2 componentes
10% + de 3 componentes
04% - 4 ou mais componentes
José Osvaldo 27
27
FILME 3FILME 3FILME 3
José Osvaldo 28
28
Medições em Minas Gerais (CEMIG)
Nov 1985 a jan 1994
MediçõesMedições em em Minas Gerais Minas Gerais (CEMIG) (CEMIG)
Nov 1985 aNov 1985 a jan jan 1994 1994
Número total de descargas 63
Número médio de descargas por ano 7
Descargas descendentes 27 (43%)
Descargas negativas 46 (73%)
Descargas positivas 17 (27%)
Número médio de componentes 6,1
Valor médio da primeira componente 41,3 kA
Valor médio das subsequentes 16,0 kA
Densidade de descargas 5,5 des/km2/ano
José Osvaldo 29
29
O número de descargasOO número número de de descargasdescargas
Em toda a terra:
360.000 descargas por hora (100 descargas por
segundo).
Em Minas Gerais:
 8 descargas/km2/ano.
Em Belo Horizonte:
 5000 descargas por ano.
José Osvaldo 30
30
Nível ceráunico:
número de dias de trovoada por ano
Nível ceráunicoNível ceráunico::
númeronúmero de de dias dias de de trovoada por ano trovoada por ano
Local Nível ceráunico 
Alemanha 15 -35
Brasil 4 -140
Austrália 5 -107
África do Sul 5 -100
Itália 11 - 60
França 20 - 30
José Osvaldo 31
31
Densidade de descargas (descargas/ km2/ano)DensidadeDensidade de de descargas descargas ( (descargasdescargas/ km/ km22//anoano))
Local Densidade de descargas
Minas Gerais 1 - 9
México 1 - 9
Austrália 0,2 - 4
África do Sul 1 - 12
Itália 1 - 4
Alemanha 1 - 5,5
 NG= 0,04 x TD 1,25 NG ≈ 0,1 x TD 
José Osvaldo 32
32
A maioria das descargas ocorre dentro das nuvensA A maioria das descargas ocorre dentro das nuvensmaioria das descargas ocorre dentro das nuvens
José Osvaldo 33
33
Linhas de energia elétricaLinhasLinhas de de energia elétrica energia elétrica
José Osvaldo 34
34
Descargas nas proximidades linhas de energia
elétrica e de telecomunicação
Descargas nas proximidades linhasDescargas nas proximidades linhas de de energia energia
elétrica elétrica e de e de telecomunicaçãotelecomunicação
José Osvaldo 35
35
Descargas no campo:
incêndios e fertili zação do solo.
DescargasDescargas no no campo campo::
incêndiosincêndios e e fertili zação fertili zação do solo. do solo.
José Osvaldo 36
36
Acidentes com pessoasAcidentesAcidentes com com pessoas pessoas
José Osvaldo 37
37
Acidentes com pessoasAcidentesAcidentes com com pessoas pessoas
Tensões de passo
José Osvaldo 38
38
O pára-raiosO O párapára--raiosraios
Tipo Franklin;
Tipo Gaiola de Faraday.
José Osvaldo 39
39
 Aterramento
SPDASPDASPDA
 Pára-raios
 Cabo
José Osvaldo 40
40
Volume de proteção de um pára-raiosVolume deVolume de proteção proteção de um de um pára pára--raiosraios
Ângulo de
proteção
José Osvaldo 41
41
A proteção dos eletrodomésticosAA proteção proteção dos dos eletrodomésticos eletrodomésticos
Protetor de
rede elétrica
José Osvaldo 42
42
A proteção dos eletrodomésticosAA proteção proteção dos dos eletrodomésticos eletrodomésticos
Protetor de
rede telefônica
José Osvaldo 43
43
A proteção dos eletrodomésticosAA proteção proteção dos dos eletrodomésticos eletrodomésticos
Protetor de
rede elétrica
Protetor de
rede telefônica
José Osvaldo 44
44
Tensões induzidas por
descargas atmosféricas
Tensões induzidas porTensões induzidas por
descargas atmosféricasdescargas atmosféricas
José Osvaldo 45
45
ProblemaProblemaProblema
Sistema
José Osvaldo 46
46
PassosPassosPassos
Modelagem da descarga atmosféricaModelagem da descarga atmosférica;;
CálculoCálculo dos dos campos eletromagnéticos originados pela campos eletromagnéticos originados pela
descargadescarga;;
Cálculo da propagaçãoCálculo da propagação dosdos campos campos,, desde desde o o ponto ponto de de
incidência da descarga atéincidência da descarga até o o sistema sistema sob sob estudo estudo;;
Cálculo da interaçãoCálculo da interação dos dos campos eletromagnéticos campos eletromagnéticos com o com o
sistemasistema..
José Osvaldo 47
47
Efeito da resistividade do solo:
Sommerfeld [1926].
Efeito da resistividadeEfeito da resistividade do solo: do solo:
SommerfeldSommerfeld [1926]. [1926].
I
Ey
Ex Ex
Ey
Resistividade finita
José Osvaldo 48
48
A tensão induzida por uma descarga
atmosférica em uma linha aérea.
AA tensão induzida por uma descarga tensão induzida por uma descarga
atmosféricaatmosférica em em uma linha aérea uma linha aérea..
Calculado por Sune RusckCalculado por Sune Rusck em em sua sua
tesetese,, defendida defendida em 1957 em 1957..
José Osvaldo 49
49
Modelo do canal: RusckModeloModelo do canal: do canal: Rusck Rusck
I
qo
v
José Osvaldo 50
50
Modelo do canal: Linha de transmissãoModeloModelo do canal: do canal: LinhaLinha de de transmissãotransmissão
I
Z
I
qo
v
José Osvaldo 51
51
Teoria de RusckTeoriaTeoria de de Rusck Rusck
* A* A tensão induzida durante tensão induzida durante o o processo processo de de
carregamentocarregamento e e durante durante o o período que período que antecede a antecede a
descargadescarga é é uma tensão praticamente eletrostática uma tensão praticamente eletrostática;;
* As* As tensões induzidas durante tensões induzidas durante o o processo processo de de
formaçãoformação do canal do canal ionizado são ionizado são de de valores valores
desprezíveisdesprezíveis;;
* A* A etapa etapa primordial, primordial, na definição na definição dos dos valores valores e e
forma deforma de onda das tensões induzidas onda das tensões induzidas, é a, é a etapa etapa
finalfinal da descarga da descarga,, ou seja ou seja, a, a corrente corrente de de retorno retorno..
José Osvaldo 52
52
Teoria de RusckTeoriaTeoria de de Rusck Rusck
Rusck supõeRusck supõe um canal um canal ionizado retilíneo ionizado retilíneo,, carregado carregado
uniformementeuniformemente,, sobre sobre um solo um solo condutor perfeitocondutor perfeito;;
NoNo instante instante em em que este que este canal canal toca toca o solo, o solo, uma corrente uma corrente, , emem
forma deforma de degrau degrau iniciainicia-se no solo,-se no solo, propagando propagando-se com-se com uma uma
determinada velocidadedeterminada velocidade em em direção direção à à nuvem nuvem..
Este modelo especifica uma Este modelo especifica uma distribuiçãodistribuição de de cargas cargas ee também também
especifica uma especifica uma densidadedensidade de de corrente corrente no canal.no canal. Isto Isto
permitepermite o o cálculo cálculo dos dos campos eletromagnéticos gerados campos eletromagnéticos gerados
por este sistemapor este sistema, a, a partir das partir das equaçõesequações de Maxwell de Maxwell ..
José Osvaldo 53
53
Teoria de RusckTeoriaTeoria de de Rusck Rusck
■■ Apesar da soluçãoApesar da solução,, apresentada por Rusck apresentada por Rusck,, ser ser
para uma correntepara uma corrente de de retorno retorno em forma de em forma de degrau degrau,,
podepode-se-se calcular calcular a a tensão induzida por uma tensão induzida por uma
correntecorrente com forma de com forma de onda qualquer onda qualquer..
José Osvaldo 54
54
Teoria de RusckTeoriaTeoria de de Rusck Rusck
EmEm sua tese sua tese,, Rusck obtem uma expressão analítica para Rusck obtem uma expressão analítica para o o
cálculo da tensão induzidacálculo da tensão induzida em em umauma linhalinha infinitainfinita..
h
y
Io , v
x
José Osvaldo 55
55
Teoria de RusckTeoriaTeoria de de Rusck Rusck
AA tensão induzida tensão induzida em em uma linha uma linha de de mais mais de um de um fio fio
só depende da geometriasó depende da geometria do do sistema sistema..
h1 h2
V1
V2
=
h1
h2
José Osvaldo 56
56
SoluçãoSoluçãoSolução
x
U(x,t) = U1+ U2
U1 = F(x,t)
U2 = F(-x,t)
Para t > r / Vo
U1 U2
José Osvaldo 57
57
F(x,t)F(x,t)F(x,t)
( )
( )
( )
F x t I h
v
v
v t x
y
v
v
v t x
x
v
v
v t x
v
v
v t
v
v
x y
( , ) = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅
−
+





 −
⋅
⋅ +
+





 −





 + −














+
































30
1
1
0
0
0
2
0
2
0
2
0
2
0
0
2
0
0
2
2 2
José Osvaldo 58
58
Para x = 0, o valor máximo de U(x,t) será:ParaPara x = 0, o valor x = 0, o valor máximo máximo de U(x,t) de U(x,t) será será::
U
I h
y
v
v v
v
max =
⋅ ⋅
⋅ + ⋅ ⋅
−




















30
1
1
2
1
1
1
2
0
0
0
2
José Osvaldo 59
59
v/vo varia de 0,1 a 0,5 então:v/v/vvoo varia varia de 0,1 a 0,5 de 0,1 a 0,5 então então::
( )U I h
ymax
, ,=
⋅ ⋅
⋅ −
30
1 07 1 380
Na prática:
U
I h
ymax
=
⋅ ⋅30 0
José Osvaldo 60
60
Rusck x NucciRusckRusck x x Nucci Nucci
x = 0 m
R = ZR = Z
50 m
x = 500 m
Ponto de medição
x = 250 m
José Osvaldo 61
61
Rusck x Nucci
Forma de onda da corrente de descarga
RusckRusck x x Nucci Nucci
Forma de Forma de onda da corrente onda da corrente dede descarga descarga
Nucci Rusck
José Osvaldo 62
62
Rusck x NucciRusckRusck x x Nucci Nucci
José Osvaldo 63
63
Comparação com valores medidos na África do Sul.ComparaçãoComparação com com valores medidos na África valores medidos na África do do Sul Sul..
10 km
10 m
250 m150 m
2,0 uF
2,5 km 2,8 km
Divisor
Caso 1 Caso 2
José Osvaldo 64
64
Casos estudadosCasos estudadosCasos estudados
Caso 1 Caso 2
Valor de pico 14 kA 27 kA
da corrente
Forma de onda degrau degrau
Velocidade da 80 m/µs 40 m/µs
corrente
José Osvaldo 65
65
Caso 1 - Linha com perdasCasoCaso 1 - 1 - Linha Linha com com perdas perdas
José Osvaldo 66
66
Caso 2 - linha com perdasCasoCaso 2 - 2 - linha linha com com perdas perdas
José Osvaldo 67
67
LEATNINGLEATLEATNINGNING
EmEm contrato assinado entre contrato assinado entre o o CPqD CPqD-TELEBRÁS e a-TELEBRÁS e a
UFMGUFMG foi desenvolvido foi desenvolvido um um programa para programa para
microcomputadormicrocomputador (LEAT (LEATNINGNING)) que calcula que calcula as as tensões tensões
induzidas por descargas atmosféricasinduzidas por descargas atmosféricas em em redes redes
eletricaseletricas e e telefônicas telefônicas. A. A rede pode ser composta rede pode ser composta de de
cabos aéreoscabos aéreos e e subterrâneos subterrâneos..
Este programa foi parte da dissertaçãoEste programa foi parte da dissertação de de mestrado mestrado do do
ProfProf. Ivan. Ivan José da José da Silva Lopes. Silva Lopes.
José Osvaldo 68
68
Exemplos - LEATNINGExemplosExemplos - LEAT - LEATNINGNING
x = 0 mZ Z
R = ZR = Z
y
h
x = - 750 m x = 750 m
José Osvaldo 69
69
Efeito do valor de pico da corrente.
("x" em us e "y" em kV)
EfeitoEfeito do valor de do valor de pico da corrente pico da corrente..
("x" em us e "y" em kV)("x" em us e "y" em kV)
José Osvaldo 70
70
Efeito da distância da descarga à linha
("x" em us e "y" em kV)
Efeito da distância da descargaEfeito da distância da descarga à à linha linha
("x" em us e "y" em kV)("x" em us e "y" em kV)
José Osvaldo 71
71
Efeito da velocidade da corrente.
("x" em us e "y" em kV)
Efeito da velocidade da correnteEfeito da velocidade da corrente..
("x" em us e "y" em kV)("x" em us e "y" em kV)
José Osvaldo 72
72
Tensão induzida ao longo da linha.
("x" em us e "y" em kV)
Tensão induzida ao longo da linhaTensão induzida ao longo da linha..
("x" em us e "y" em kV)("x" em us e "y" em kV)
José Osvaldo 73
73
Efeito do aterramentoEfeito Efeito do do aterramentoaterramento
R1
ZS
R2 R4 R5
1,5 km
300 m
R6R3
IP, TP, v
y = 20 m
X = 900 m
IP = 40 kA;
TP = 5 µs;
v = 30 m/µs.
José Osvaldo 74
74
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 2 4 6 8 10 12 14 16
te
ns
ão
 (
kV
)
tempo (us)
Caso 1
Caso 2
Caso 1: R1 = R6 = 511 Ω e R2 = R3 = R4 = R5 → ∞.
Caso 2: R1 = R2 = R3 = R4 = R5 = R6 =400 Ω.
José Osvaldo 75
75
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 2 4 6 8 10 12 14 16
te
ns
ão
 (
kV
)
tempo (us)
Ponto 4
Ponto 6
Caso 2: R1 = R2 = R3 = R4 = R5 = R6 = 400 Ω.
José Osvaldo 76
76
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 2 4 6 8 10 12 14 16
te
ns
ão
 (
kV
)
tempo (us)
Caso 1
Caso 2
Caso 3
Caso 1: R1 = R6 = 511 Ω e R2 = R3 = R4 = R5 → ∞.
Caso 2: R1 = R2 = R3 = R4 = R5 = R6 = 400 Ω.
Caso 3: R1 = R2 = R3 = R5 = R6 = 400 Ω e R4 = 45 Ω