CAP2FE~1

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Capítulo 2 – Fenômenos envolvidos, definições e conceitos
2.1 – Introdução
Para se entender melhor todos os fenômenos envolvidos em um determinado sistema elétrico de transmissão, este capítulo apresenta alguns conceitos e tipos de falhas que podem ocorrer em uma linha de transmissão, quando na mesma incide uma frente de onda impulsiva natural das descargas atmosféricas. Nas próximas seções, a terminologia, as expressões, e os fenômenos comumente utilizados nos estudos de melhoria de desempenho de linhas de transmissão, são apresentados. 
2.2 – Principais definições e conceitos
2.2.1 - Sobretensões atmosféricas: As sobretensões provocadas por descargas atmosféricas que aparecem em uma linha de transmissão estão relacionadas diretamente com o ponto de incidência das descargas. A Tabela 2.1 mostra que o número de descargas que atingem uma linha é diretamente proporcional à densidade de descargas atmosféricas do local e aumenta sensivelmente em trechos de linhas situadas em topo de morros.
Tabela 2.1 - Incidência de descargas atmosféricas :Ref. [18]
Dependendo do local de incidência da descarga, pode-se ter os seguintes tipos de sobretensão na linha: sobretensão induzida, sobretensão por falha de blindagem e sobretensão por “backflashover”.
2.2.1.1 - Sobretensão Induzida: essa sobretensão aparece quando a descarga atinge o solo nas proximidades da linha e raramente excede 300 kV sendo, portanto, este mecanismo de descarga desprezível para linhas de tensão superior a 69 kV, cujo nível de isolamento é geralmente superior [18].
 
2.2.1.2 - Sobretensão por Falha de Blindagem: esse fenômeno é observado quando os cabos pára-raios não oferecem blindagem adequada aos condutores. Normalmente, as falhas de blindagem ocorrem no meio de vãos de grande extensão entre torres, quando o afastamento entre o plano e o solo em relação aos condutores deixa esses últimos menos protegidos em relação às descargas atmosféricas laterais. A Tabela 2.2 mostra, a título de ilustração, que todas as descargas atmosféricas que provocarem uma falha de blindagem em uma LT de 69 kV causarão desligamentos, uma vez que a probabilidade de ocorrência de descargas descendentes negativas menores que 5 kA é praticamente nula [18].
Tabela 2.2 - Sobretensões causadas por descargas diretas no cabo condutor (falha de blindagem): Ref. [18]
2.2.1.3 - Sobretensão por “Backflashover”: nesses casos, os raios atingem a torre ou o sistema de blindagem – cabos pára-raios ou mastros localizados no topo das linhas – e ao fluírem pelas estruturas para a terra elevam os seus potenciais [18]. Dependendo dos valores da resistência de aterramento e da magnitude dos raios, a diferença de potencial que se estabelece entre a estrutura e os condutores, pode ultrapassar a suportabilidade das cadeias de isoladores, rompendo a isolação e provocando um curto-circuito na linha, com seu conseqüente desligamento. As sobretensões por backflashover são a principal causa dos desligamentos das LTs do sistema brasileiro [18]. 
A Tabela 2.3 mostra a influência das intensidades de corrente de descargas, bem como das resistências de aterramento dos pés dos suportes, nas sobretensões causadas por backflashover em LTs de 138 kV. Observa-se que, para resistências de 25 Ω e correntes acima de 50 kA (35% de probabilidade de ocorrência), haverá sempre a disrupção na cadeia de isoladores.
Tabela 2.3 – Sobretensões causadas por descargas no suporte ou cabo pára-raios ( backflashover em LTs de 138 kV, metálica e 1 c.p.r.): Ref. [18]
	Corrente
( kA )
	Sobretensão na cadeia de isoladores
( kV )
	Tensão
Suportável
das cadeias ( kV )
	R pé torre
	5 Ω
	15 Ω
	25 Ω
	40 Ω
	75 Ω
	100 Ω
	
	5 kA
	44
	77
	108
	150
	231
	278
	1.074
	10 kA
	89
	154
	216
	300
	462
	555
	
	20 kA
	177
	308
	432
	600
	923
	1.110
	
	40 kA
	355
	616
	864
	1.200
	1.846
	2.220
	
	60 kA
	532
	925
	1.297
	1.800
	2.769
	3.330
	
2.2.2 - Formas de ondas anormais: o espectro de tensões e correntes de um sistema de potência durante condições transitórias e durante certas condições operativas anormais em regime permanente é de considerável importância em muitos estudos de linhas de transmissão.
2.2.3 - Sobretensão temporária: é uma sobretensão fase-terra ou entre fases, em um dado ponto do sistema, oscilatória, de duração relativamente longa e fracamente amortecida ou não amortecida. São determinantes no projeto tanto da isolação interna quanto da isolação externa dos equipamentos. Podem ser causadas por:
Manobras, rejeição de cargas;
Faltas, curto circuito monofásico;
Fenômenos não-lineares, ferro-ressonância;
Efeito Ferranti. (acarreta na tensão sustentada na extremidade aberta da linha de transmissão ser superior à tensão no lado da geração. Ocorre devido ao fluxo de corrente capacitiva através da indutância série da linha).
Em geral, possuem amplitudes inferiores a 1,5 p.u., freqüência de oscilação menor, igual ou maior que a fundamental, e tempo de duração superior a dezenas de milisegundos [4].
2.2.4 - Freqüência de ocorrência de descargas: a densidade de raios para a terra (número de raios à terra por quilômetro quadrado por ano) pode ser obtida a partir do nível ceráunico de cada região, o qual indica o número de dias no ano com ocorrência de trovoadas. O nível ceráunico não reflete necessariamente o número de descargas para a terra, já que uma única descarga ou uma série delas durante algumas horas serão ambas contadas como um único dia de trovoadas. A conversão do nível ceráunico para densidade de descargas para a terra é feita através de um fator de proporcionalidade que varia de 0,10 à 0,25 [4].
 
sendo:
N = densidade raios (raios/km2);
k = fator de proporcionalidade;
l = nível ceráunico de uma dada região.
2.2.5 - Ângulo de incidência das descargas: a incidência de descargas atmosféricas se realiza invariavelmente com alguma inclinação em relação à vertical. Este ângulo de inclinação do raio com relação ao ponto de incidência, o solo, também apresentam uma natureza estatística. A suposição de incidências na vertical pode introduzir alguns erros no estudo do desempenho de linhas, principalmente no que se refere às falhas de blindagem e na definição do esquema de blindagem das subestações, uma vez que a área de exposição dos condutores fica reduzida, fazendo com que a possibilidade de que um cabo condutor seja atingido fique menor. Desta forma, é razoável que se admita uma determinada distribuição de ângulos de incidência. A forma geral da distribuição sugerida por Armstrong e Whitehead [4] é a seguinte:
 
 , onde:
 = é o ângulo de incidência do raio, medido em relação à vertical;
km e m = constantes a serem ajustadas.
São recomendados para os coeficientes km e m, os valores de 4/π e 2, respectivamente baseados em estudos de blindagem de linhas de transmissão para descargas atmosféricas.
A probabilidade, P(
), de ocorrência de um ângulo de inclinação do raio maior do que 
, pode ser expressa pela fórmula: 
2.2.6 – Backflashover: quando os raios atingem a torre ou o sistema de blindagem, cabos pára-raios ou mastros localizados no topo das linhas, e ao fluírem pelas estruturas para a terra elevam os seus potenciais. Dependendo do valor da resistência de aterramento e da magnitude dos raios, a diferença de potencial que se estabelece entre a estrutura e os condutores, pode ultrapassar a suportabilidade das cadeias de isoladores, rompendo a isolação e provocando um curto circuito na linha, com seu conseqüente desligamento. Descarga de retorno.[12]
2.2.7 - Backflashover rate: taxa de falhas anual em um circuito ou comprimento de torre-linha básico, causadas por backflashover na linha de transmissão.
2.2.8 – Flashover: uma descarga disruptiva através do ar ou através da isolação sólida ou líquida, entre partes de diferentes potenciais ou polaridade, produzido pela aplicação de tensão suficientementeionizada para manter um arco elétrico, também chamado de “descarga de contorno do isolamento” [11].
2.2.9 - Ground flash density (GFD) - densidade de raios à terra: um número médio de descargas (raios) à terra por unidade de área, por unidade de tempo em uma determinada região. Normalmente a GFD é em torno de 12% do nível ceráunico.
No programa Flash® estamos utilizando esta relação nas simulações das situações da linha.
Uma relação muito utilizada é: 
 
onde N é o número de raios para terra por kilômetro quadrado por ano, e T é o índice ceráunico em dias de trovoadas por ano e por área, ou também: 
 
onde: 
Nm é o número de raios à terra por milha quadrada por ano.
Para todos os cálculos de descargas, o número de raios a terra ou em uma linha de transmissão serão proporcionais ao nível ceráunico de uma determinada região[6] .
2.2.10 - Primeira corrente de descarga: uma descarga atmosférica para a terra iniciada quando a descarga de um descendente ou líder retorna da terra.
2.2.11 - Descarga atmosférica – fenômeno completo: a descarga de um raio completa, freqüentemente composta de líderes de uma nuvem seguida por uma ou mais descargas de retorno.
2.2.12 - Descargas atmosféricas subseqüentes: uma descarga (raio) que já pode seguir um caminho, já estabelecido pela primeira descarga anterior. 
2.2.13 - Onda / impulso atmosférico padrão: uma onda de surto unidirecional que tem 30-90% do tempo de elevação equivalente de 1,2µs e um tempo de meio valor de 50µs.
Pela norma seria uma onda de valor de pico atingido em 1,2µs e tempo de queda à metade deste valor em 50µs.
2.2.14 - Altura da Estrutura: o primeiro fator de uma linha que afeta o seu desempenho frente à descargas atmosféricas é a altura da torre, especificamente se a torre é mais alta do que o terreno circunvizinho. Incrementar a altura das torres tem dois importantes efeitos: mais descargas são coletadas por uma estrutura mais alta e as características de blindagem dos condutores aéreos mudam com o incremento da altura da estrutura.
A taxa de captação de descargas, Ns, é mostrada na equação abaixo:
 onde:
h = altura da torre em metros (m);
b = é a distância de separação do sistema OHGW (m);
Ng = é o GFD (raios/km2/ano);
Ns = é o número de raios/100 km /ano. 
A partir da equação acima, verifica-se que se a torre for incrementada em 20% na sua altura, a taxa de descargas na linha poderá acrescer em até 12%. Se o valor medido de Ng não é disponível, ele pode ser estimado por:
 
 
onde:
Td = número de dias de trovoadas/ano (nível ceráunico).
Th = número de horas de trovoadas/ano.
2.2.15 - Resistividade do Solo: o segundo fator de uma linha de transmissão que afeta a sua performance é a resistividade do solo. A resistividade possui uma relação linear direta com a impedância do pé de torre. Tensões substanciais são geradas nos elementos aterrados da estrutura quando o sistema de proteção aéreo ou a estrutura são atingidos por descargas atmosféricas.
Altas impedâncias de pé de torre causam incrementos de tensões e maiores desligamentos de linhas devido a descargas ficará exposto tal sistema. Altas impedâncias de pé de torre ocorrem em terrenos rochosos, que se possível, deveria ser evitado. Quando terrenos rochosos não podem ser evitados, métodos de aterramentos especiais têm que ser usados para baixar as impedâncias de pés de torres a valores aceitáveis. 
2.2.16 - Ângulo de Blindagem: uma importante tarefa dos projetistas de linhas de transmissão é a localização dos cabos pára-raios. Bem planejado geometricamente, poderá reduzir a probabilidade de desligamentos nos condutores fase a um nível bastante aceitável. A própria instalação do sistema de proteção aéreo ao redor dos condutores fase é usualmente definida por ângulo de blindagem, conforme a figura abaixo. O ângulo é negativo se estes cabos aéreos são dispostos horizontalmente pelo lado de fora dos condutores fase.[12]
Antes de 1951, um ângulo de blindagem de 30º era normalmente empregado para linhas de transmissão. Isto produziu um desempenho frente a descargas aceitável em linhas existentes de tensões até 230 kV. No meio da década dos anos cinqüenta, foram introduzidas linhas de 345 kV e foram construídas linhas altas de circuito duplo. O desempenho contra raios destas linhas era consideravelmente pior do que esperado. Depois de extenso trabalho teórico, testes de campo, e investigações de laboratório, chegou-se a conclusão geral que o ângulo de proteção de 30º ângulo habitual deveria ser diminuído de acordo com a altura das estruturas das linhas de transmissão quando fosse aumentada.
2.2.17 - Impedância de surto da torre: é calculada de acordo com o tipo da estrutura e suas dimensões geométricas [16]: 
, onde:
r = raio da base da torre em metros;
ZT = impedância de surto da estrutura em ohms;
h = altura da torre em metros.
2.3 – Aspectos gerais 
Em estudos de melhoria de desempenho de sistemas de transmissão, as definições anteriores são utilizadas no entendimento de todo o fenômeno acarretado pela queda de uma descarga atmosférica nas proximidades desta, no seu cabo pára-raios, na estrutura da torre componente do sistema, ou diretamente em suas fases. 
Este estudo de caso está centrado na alternativa acadêmica de se verificar e comparar a alternativa clássica proposta pelo concessionário de energia (instalação de pára-raios de óxido de zinco (ZnO) em todas as torres componentes deste sistema) e mostrar que se pode implementar algumas melhorias básicas em dois pontos importantes do sistema, aterramento e ângulo de blindagem, chegando-se a uma melhora significativa do desempenho desta linha de transmissão, em comparação com a realidade atual.
Basicamente, existem duas possibilidades de desligamentos de uma LT quando a mesma é submetida a surtos de origem atmosférica:
- desligamentos por falhas de blindagem;
- desligamentos por sobretensões – backflashovers.
É possível mostrar através de simulações computacionais, que este estudo de caso visa otimizar dois parâmetros deste sistema: 
- a alternativa de melhor desempenho do ângulo de blindagem do sistema (com a inclusão e lançamento de mais um cabo pára-raios);
- a alternativa de melhoria do sistema de aterramento.
Há que se considerar ainda, outra boa alternativa em adição às anteriores, que é o aumento dos isoladores na cadeia atual de 9 peças em mais uma ou duas peças (+ 146 mm/isolador), o que contribuirá certamente para melhoria do desempenho desta LT. O limitante aqui é em determinadas regiões a altura final cabo-solo, o que impedirá tal ação, por motivos de segurança. Esta opção também será abordada nos capítulos posteriores.
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