REBECA CATUNDA PEREIRA - DEE - UFC

UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ
CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
SISTEMA DE MONITORAMENTO DE DESCARGAS
ATMOFÉRICAS IMPLANTADO NO CENTRO DE CONTROLE
DA COELCE COMO FERRAMENTA DE APOIO ÀS AREAS DE
ENGENHARIA, MANUTENÇÃO E OPERAÇÃO
REBECA CATUNDA PEREIRA
Fortaleza
Junho de 2010
ii
REBECA CATUNDA PEREIRA
SISTEMA DE MONITORAMENTO DE DESCARGAS
ATMOFÉRICAS IMPLANTADO NO CENTRO DE CONTROLE
DA COELCE COMO FERRAMENTA DE APOIO ÀS AREAS DE
ENGENHARIA, MANUTENÇÃO E OPERAÇÃO
Monografia apresentada para a obtenção dos
créditos da disciplina Trabalho de Conclusão
de Curso do Centro de Tecnologia da
Universidade Federal do Ceará, como parte das
exigências para a graduação no curso de
Engenharia Elétrica.
Área de concentração:
Qualidade de Energia.
Orientador: Prof. Raimundo Furtado Sampaio.
Fortaleza
Junho de 2010
iii
iv
"Seja a mudança que você deseja ver no mundo."
(Mahatma Gandhi)
v
A Deus,
Aos meus pais, Pereira e Liduina,
Aos meus familiares,
A todos os amigos.
vi
AGRADECIMENTOS
A Deus, por tudo que tem feito na minha vida.
Ao meu orientador, professor Raimundo Furtado Sampaio, pelo seu incentivo,
apoio e dedicação no desenvolvimento desta monografia, com constantes sugestões e idéias.
Aos professores do curso de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do
Ceará, que muito contribuíram com seus ensinamentos para o meu crescimento acadêmico e
profissional.
Aos meus pais, Pereira e Liduina, pelo exemplo, suporte e dedicação em todos os
momentos da minha vida e sem os quais não alcançaria essa conquista.
Ao meu namorado, Renato, pelo carinho, compreensão e apoio durante os
períodos de dedicação aos meus estudos.
À minha família, amigos e a todos que direta ou indiretamente ajudaram na
colaboração deste trabalho.
.
vii
Pereira, R. C. “Sistema de monitoramento de descargas atmosféricas implantado no centro de
controle da Coelce como ferramenta de apoio às áreas de engenharia, manutenção e
operação.”, Universidade Federal do Ceará – UFC, 2010.
O fornecimento de energia elétrica deve ser feito de maneira econômica, segura e
confiável. As concessionárias de energia elétrica têm por objetivo garantir o fornecimento de
energia com o mínimo de interrupções, satisfazendo o cliente e atendendo os requisitos de
qualidade. Este trabalho apresenta o estágio atual do sistema de monitoramento de descargas
atmosféricas para o estado do Ceará, que conta com uma rede de detecção de raios com o
objetivo de auxiliar o gerenciamento, manutenção e a operação das linhas de transmissão e
distribuição de energia da Companhia Energética do Ceará (Coelce), contribuindo para a
melhoria dos índices de continuidade de energia elétrica e um aumento na satisfação dos
clientes. Dentro desse contexto, o objetivo dessa monografia é realizar um estudo de
desempenho da rede de distribuição da Coelce frente às descargas atmosféricas, utilizando o
Sistema de Monitoramento de Descargas Atmosféricas que foi implantado no Centro de
Controle do Sistema (CCS) da COELCE como ferramenta de apoio às áreas de manutenção e
operação do Sistema Elétrico. O trabalho conta com uma rede de detecção de raios que mostra
a relação existente entre a incidência de descargas e as interrupções no fornecimento de
energia. A partir do monitoramento em tempo real, ações poderão ser tomadas, a fim de
minimizar o impacto de descargas atmosféricas sobre as linhas de transmissão. O sistema de
detecção de descargas atmosféricas permite enviar um alerta via e-mail para os profissionais
de operação e manutenção sobre probabilidade de incidência de raios, otimizando o
deslocamento das equipes e diminuindo os custos com transporte e pessoal. O
desenvolvimento e implantação do sistema de detecção de descargas atmosféricas no CCS da
Coelce estão proporcionando alguns benefícios como: elaboração de mapas de descargas
atmosféricas em tempo real, geração de um banco de dados com informações do local e do
momento da queda, orientando as áreas de engenharia e manutenção quanto aos locais de
instalação de equipamentos de proteção contra descargas atmosféricas e elaboração de mapas
de densidades de raios por município, representando um grande avanço tecnológico para o
estado do Ceará.
Palavras-Chave: Descargas Atmosféricas, Qualidade de Energia, Sistema de Monitoramento
de Descargas Atmosféricas.
viii
Pereira, R. C. “Lightning monitoring network deployed in the Coelce's control center as a tool
to support engineering, maintenance and operation”. Universidade Federal do Ceará – UFC,
2010.
The electric utilities are designed to ensure energy supply with minimal interruptions,
satisfying the customer and meeting the requirements. This paper presents the current status
of the monitoring system of lightning to the state of Ceará that has a lightning detection
network in order to assist the management, maintenance and operation of transmission lines
and energy distribution of the Society of Energy Ceará (Coelce), contributing to the
improvement in the continuity of electric power and an increase in customer satisfaction.
Within this context, the objective of this work is to conduct a performance study of the
distribution network of Coelce face of lightning, using Monitoring System Lightning that was
deployed in the Control Center System (CCS) COELCE as a support tool the areas of
maintenance and operation of the Electric System. It has a lightning detection network that
shows the relationship between the incidence of discharges and disruptions in energy supply.
Thus, by monitoring in real time, actions may be taken in order to minimize the impact of a
lightning strike on a transmission line, or even alert maintenance teams on specific regions,
thus reducing transportation costs and staff. And one of the benefits of this Monitoring
System Lightning is an alert via e-mail for professional operation and maintenance about
probability incidence ray, optimizing the displacement teams and reducing transportation
costs and staff. The development and deployment of the system for detecting lightning in CCS
Coelce are providing some benefits such as: preparation of maps of lightning strikes in real
time, generating a database containing information of the place and time of the fall, targeting
areas engineering and maintenance as to the locations of protective equipment against
lightning and mapping of ray density by municipality, representing a major technological
breakthrough for the state of Ceara.
ix
SUMÁRIO
LISTA DE ILUSTRAÇÕES.......................................................................................................x
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS..............................................................................xii
1.
2.
INTRODUÇÃO..............................................................................................................1
1.1
OBJETIVOS.......................................................................................................5
1.2
ESTRUTURA DO TRABALHO........................................................................5
PROTEÇÃO DO SISTEMA ELÉTRICO CONTRA DESCARGAS
ATMOSFÉRICAS......................................................................................................................7
2.1
ORIGEM E CLASSIFICAÇÃO DAS SOBRETENSÕES.................................7
2.2
MÉTODOS DE CONTROLE DAS SOBRETENSÕES...................................13
2.2.1 CABO PÁRA-RAIOS...........................................................................14
2.2.2 PÁRA-RAIOS.......................................................................................16
2.2.3 RESISTORES DE PRÉ-INSERÇÃO....................................................24
2.2.4 MODIFICAÇÕES NA CONFIGURAÇÃO DO SISTEMA.................25
3.
2.3
PRINCÍPIOS BÁSICOS DA COORDENAÇÃO DE ISOLAMENTO............26
2.4
MÉTODOS DE COORDENAÇÃO DE ISOLAMENTOS..............................28
SISTEMA DE MONITORAMENTO DAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS.........29
3.1
SISTEMA DE MONITORAMENTO DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
NO BRASIL..................................................................................................................29
3.2
SISTEMA DE MONITORAMENTO DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
NO ESTADO DO CEARÁ...........................................................................................31
3.3
SISTEMA DE APLICAÇÃO DE RAIOS........................................................35
3.4
ESTRUTURA DA ÁREA DE OPERAÇÃO DO SISTEMA DA COELCE....43
3.5
RESULTADOS DO SISTEMA DE MONITORAMENTO NA COELCE......45
3.6
MUDANÇA DE PROCEDIMENTO COM A IMPLANTAÇÃO DO
SISTEMA DE MONITORAMENTO..........................................................................48
4.
CONCLUSÃO..............................................................................................................50
x
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1.1. Maiores contribuições de causas no DEC da COELCE em 2009....................
03
Figura 1.2. Maiores contribuições de causas no FEC da COELCE em 2009....................
03
Figura 1.3. Evolução do índice DEC no Ceará........................................................................ 04
Figura 1.4. Evolução do índice FEC no Ceará......................................................................... 04
Figura 2.1. Sobretensão temporária obtida por simulação....................................................... 07
Figura 2.2. Sobretensão de manobra com acentuado amortecimento...................................... 08
Figura 2.3. Sobretensão atmosférica obtida por simulação...................................................... 09
Figura 2.4. Descargas atmosféricas......................................................................................... 10
Figura 2.5. Faixas de freqüência das descargas atmosféricas.................................................. 11
Figura 2.6. Utilização de cabos pára-raios............................................................................... 15
Figura 2.7. Seção típica do cabo OPGW.................................................................................. 16
Figura 2.8. Efeito nas sobretensões em função da utilização ou não de pára-raios................. 17
Figura 2.9. Bloco de ZnO......................................................................................................
18
Figura 2.10. Material do invólucro dos pára-raios................................................................... 19
Figura 2.11. Pára-raios tipo estação......................................................................................... 20
Figura 2.12. Pára-raios tipo distribuição.................................................................................. 20
Figura 2.13. Pára-raios tipo secundário.................................................................................... 21
Figura 2.14. Pára-raios tipo Franklin........................................................................................ 22
Figura 2.15. Blindagem da estrutura de um edifício com pára-raios tipo Franklin................. 23
Figura 2.16. Blindagem da estrutura de uma subestação com pára-raios tipo Franklin........... 23
Figura 2.17. Representação elétrica do funcionamento de disjuntor com resistor de préinserção.................................................................................................................................. 24
Figura 2.18. Variação da sobretensão em função do instante de fechamento dos contatos
do disjuntor............................................................................................................................... 25
Figura 3.1. Localização dos sensores da rede RINDAT........................................................ 30
Figura 3.2. Mapa isoceráunico do estado do Ceará.................................................................. 31
Figura 3.3. Localização dos sensores da rede STARNET..................................................... 33
Figura 3.4. Sensor localizado no Campus do Itaperi da UECE............................................... 34
Figura 3.5. Portal principal do projeto de P&D da COELCE.................................................. 36
Figura 3.6. Mapa de ocorrências de raios em tempo real no estado do Ceará......................... 37
Figura 3.7. Mapa da probabilidade de tempestades no estado do Ceará.................................. 38
Figura 3.8. Mapa disponível na opção alerta cidades: previsão de tempestades...................... 39
Figura 3.9. Mapa disponível na opção alerta cidades: ocorrência de raios..........................
40
Figura 3.10. Relatório diário de raios....................................................................................... 41
xi
Figura 3.11. Mapa disponível no menu acumulação diária.................................................... 41
Figura 3.12. Mapa disponível no menu acumulação mensal.................................................. 42
Figura 3.13. Mapa da área técnica por departamento............................................................... 44
Figura 3.14. Centro de Controle do Sistema da COELCE – CCS........................................... 45
Figura 3.15. Densidade de raios por município........................................................................ 46
Figura 3.16. Transmissão automática de e-mail com dados de raios....................................... 48
Figura 3.17. Exemplo de alerta associado a uma ocorrência de falha.................................... 49
xii
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
SEP
DEC
FEC
DIC
FIC
DMIC
ANEEL
PID
P&D&I
STARNET
P&D
COELCE
UECE
USP
ABRADEE
ISQP
CCS
VLF
LF
ELF
VHF
NS
NN
IN
NBI
OPGW
ZnO
MOV
TN
CEMIG
GT/PH
SLT
SIMEPAR
FURNAS
INPE
RINDAT
LPATS
MDF
GPS
IHM
NASA
RDI
NOA
UConn
ATD
CCR
LT
Sistema Elétrico de Potência
Duração Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora
Freqüência Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora
Duração de Interrupção por Unidade Consumidora
Freqüência de Interrupção por Unidade Consumidora
Duração Máxima de Interrupção por Unidade Consumidora
Agência Nacional de Energia Elétrica
Pedido de Indenização por Danos
Projetos de Pesquisa, Desenvolvimento e Inovação
Sferics Timing And Ranging NETwork
Pesquisa e Desenvolvimento
Companhia Energética do Estado do Ceará
Universidade Estadual do Ceará
Universidade de São Paulo
Associação Brasileira de Distribuidores de Energia Elétrica
Índice de Satisfação com a Qualidade Percebida
Centro de Controle do Sistema
Very Low Frequency
Low Frequency
Extremely Low Frequency
Very High Frequency
Nuvem-terra
Nuvem-nuvem
Intra-nuvem
Nível Básico de Isolação
Optical Ground Wire
Óxido de Zinco
Varistor de Óxido de Metálico
Centro de Tecnologia e Normalização
Companhia Energética de Minas Gerais
Departamento de Planejamento Hidroenergético
Sistema de Localização de Tempestades
Sistema Meteorológico do Paraná
Furnas Centrais Elétricas
Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
Rede Integrada Nacional de Detecção de Descargas Atmosféricas
Lightning Positioning and Tracking System
Magnetic Direction Finder
Global Positioning System
Interface Homem Máquina
National Aeronautics and Space Administration
Resolution Display Inc
Observatório Nacional de Atenas
University of Connecticut
Arrival Time Difference
Centro de Controle Regional
Linha de Transmissão
xiii
SE
FUNCEME
Subestação
Fundação Cearense de Meteorologia e Recursos Hídricos
1
1. INTRODUÇÃO
O fornecimento de energia elétrica deve ser feito de maneira econômica, segura
e confiável. As concessionárias de energia elétrica têm por objetivo garantir o fornecimento
de energia com o mínimo de interrupções, satisfazendo o cliente e atendendo os requisitos
de qualidade.
A qualidade de energia não considera apenas a variação de tensão e freqüência
em torno do valor nominal, mas também o número e os tipos de distúrbios que podem
afetar a qualidade dos serviços. No sistema elétrico, podem ocorrer vários tipos de eventos
que afetam a qualidade do serviço, dentre os quais estão distúrbios como quedas de tensão
temporárias, interrupções de energia, variação de freqüência e os curto-circuitos.
No sistema de distribuição uma das principais causas desses eventos
indesejados são as descargas atmosféricas diretas ou indiretas. As descargas atmosféricas
podem provocar faltas permanentes ou transitórias. Os sistemas elétricos de potência (SEP)
normalmente são protegidos contra as sobretensões provenientes das descargas
atmosféricas através de pára-raios e cabos pára-raios. No entanto, mesmo existindo
sistemas de proteção contra descargas atmosféricas, no momento da ocorrência destes
fenômenos,
normalmente
equipamentos
de
proteção
como
relés,
religadores,
secionalizadores e chaves fusíveis são sensíveis a esta condição anormal e atuam
desenergizando o circuito afetado e eliminando a falta. Por esta razão, as descargas
atmosféricas são responsáveis por uma parcela significativa das desenergizações do sistema
elétrico, principalmente no período chuvoso.
A falta de energia causada por descargas elétricas é uma ocorrência não
programada, indesejável e inevitável. Tradicionalmente sua ocorrência tem proporcionado
a diminuição dos índices de qualidade de serviço das concessionárias, DEC (Duração
Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora), FEC (Freqüência Equivalente de
Interrupção por Unidade Consumidora), DIC (Duração de Interrupção por Unidade
Consumidora), FIC (Freqüência de Interrupção por Unidade Consumidora) e DMIC
(Duração Máxima de Interrupção por Unidade Consumidora), atingindo de forma bastante
negativa a imagem da concessionária e causando a insatisfação dos consumidores. Estima-
2
se que cerca de 70% dos desligamentos das linhas de transmissão e de 30% a 60% dos
desligamentos das redes de distribuição são causados por descargas atmosféricas. [1]
A Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), responsável pela regulação
e fiscalização dos serviços de energia elétrica, estabelece em suas resoluções requisitos e
padrões técnicos e regulatórios que devem ser atendidos pelas empresas de energia elétrica.
Agregado a essas resoluções, a ANNEL elabora os Procedimentos de Distribuição que
normatizam e padronizam as atividades técnicas relacionadas ao funcionamento e
desempenho dos sistemas de distribuição de energia elétrica. O acesso à informação e a
maior divulgação dos direitos do consumidor têm ocasionado um aumento no número de
Pedido de Indenização por Danos (PID) às concessionárias. [2]
O surgimento de legislações cada vez mais rigorosas, órgãos fiscalizadores,
concorrência entre as empresas do setor elétrico e clientes cada vez mais exigentes,
obrigam as empresas a investir na pesquisa e modernização da empresa. Na busca pela
melhoria da qualidade dos serviços, da satisfação dos consumidores e conseqüentemente da
imagem da empresa, ao longo dos anos as concessionárias de energia têm investido na
modernização dos sistemas elétricos e em projetos de Pesquisa, Desenvolvimento e
Inovação (P&D&I).
Dentre os temas em destaque se encontra a busca de solução pelo impacto das
descargas atmosféricas. Em 2006, foi implementado no Brasil uma rede experimental de
detecção de descargas atmosférica a longa distância, "Sferics Timing And Ranging
NETwork (STARNET), que foi desenvolvida através de um projeto de P&D da Companhia
Energética do Estado do Ceará (COELCE) em parceria com a Universidade Estadual do
Ceará (UECE) e a Universidade de São Paulo (USP). Esse Sistema de monitoramento de
descargas, objeto deste trabalho, tem por objetivo auxiliar a área de engenharia, operação e
manutenção da Coelce, identificando o local de queda de raio na rede elétrica, prevendo
tempestades e consequentemente minimizando o tempo de atendimento. [3]
A Coelce vem observando, ao logo do tempo, a destruição de isoladores,
equipamentos e outros dispositivos de seu sistema de transmissão e distribuição com a
conseqüente interrupção de energia sem a causa definida com precisão. Pela análise dos
dispositivos avariados, concluí-se que a principal causa é a ação de descargas atmosféricas,
conforme apresentado nas Figuras 1 e 2. [4]
3
DEC
NOVAS
DEFEITO EM INSTALAÇÕES
4%
ISOLADOR
5%
PROGRAMADA
MANUTENÇÃO
7%
VANDALISMO
4%
DEFEITO NÃO
IDENTIFICADO
20%
'''
DEFEITO EM
CONEXÃO
8%
TERCEIROS
ACIDENTAL
9%
DESCARGAS
ATMOSFÉRICAS
25%
CONDUTOR
PARTIDO
9%
VEGETAÇÃO
9%
Figura 1.1 - Maiores contribuições de causas no DEC da COELCE em 2009.
FEC
DEFEITO EM
CONEXÃO
6%
DEFEITO EM
ISOLADOR
7%
DESCARGAS
ATMOSFÉRICAS
23%
VANDALISMO
7%
VEGETAÇÃO
7%
POSTE
ABALROADO
8%
CONDUTOR
PARTIDO
9%
TERCEIROS
ACIDENTAL
11%
DEFEITO NÃO
IDENTIFICADO
22%
Figura 1.2 - Maiores contribuições de causas no FEC da COELCE em 2009.
Conforme ilustrado nos gráficos das Figuras 1 e 2, as descargas atmosféricas se
destacam em primeiro lugar entre as 10 maiores contribuições de aumento nos Indicadores
de DEC e FEC da Coelce no ano de 2009.
4
A implantação do sistema de monitoramento, permite a identificação das áreas
de maior incidência de descarga atmosférica, otimiza a instalação de equipamentos de
proteção contra descargas (pára-raios ou cabos pára-raios), orienta os responsáveis pela
manutenção quanto à instalação ou não de cabo pára-raios e gera um banco de dados, com
informações do local e instante da ocorrência de descargas atmosféricas. Esses registros
permitem mostrar a relação existente entre dados de incidência de descargas gerados pelo
Sistema de Monitoramento com os dados de interrupções no fornecimento de energia. Um
dos principais benefícios que este sistema proporciona é a melhoria no tempo de
atendimento, diminuição de custos e auxílio à tomada de decisão.
Nas figuras 3 e 4 a seguir são apresentados dados evolutivos dos índices DEC e
FEC do ano de 2002 até o ano de 2009, para o estado do Ceará. [4]
DEC
20,66
16,36
2002
2003
14,60
2004
12,45
2005
11,42
2006
9,40
8,18
7,67
2007
2008
2009
Figura 1.3 - Evolução do índice DEC no Ceará.
FEC
17,20
15,53
11,95
2002
2003
2004
10,44
2005
9,11
7,87
6,78
5,91
2006
2007
2008
2009
Figura 1.4 - Evolução do índice FEC no Ceará.
A melhoria na qualidade dos serviços representa um dos desafios mais
importantes para a Coelce. Em 2009, a companhia teve o melhor desempenho de toda sua
história. Pela primeira vez na história da empresa, a Companhia Energética do Estado do
5
Ceará conquista a vitória em duas categorias do Prêmio Abradee, da Associação Brasileira
de Distribuidores de Energia Elétrica, como a melhor distribuidora de energia do país e
melhor na avaliação do cliente. Além disso, a concessionária foi premiada pelo quarto ano
consecutivo, com o título de melhor distribuidora de energia da Região Nordeste.
Em 2009, a concessionária cearense alcançou um dos quatro melhores Índices
de Satisfação com a Qualidade Percebida (ISQP) entre todas as distribuidoras de energia
brasileiras, comprovando que suas ações de melhoria contínua obtiveram êxito. [5]
1.1 Objetivo
Esta monografia tem por objetivo apresentar os benefícios proporcionados pelo
Sistema de Monitoramento de Descargas Atmosféricas implantado no Centro de Controle
do Sistema (CCS) da Coelce como ferramenta de apoio às áreas de engenharia, operação e
manutenção do Sistema Elétrico.
1.2 Estrutura do Trabalho
Para o desenvolvimento deste trabalho, foi realizada uma pesquisa bibliográfica
na própria Coelce e na literatura especializada, no sentido de se obter subsídios adicionais
que contribuíssem para o desenvolvimento da monografia. Como resultado desta revisão
bibliográfica, adotou-se uma estrutura de trabalho em quatro capítulos, cujos conteúdos são
descritos a seguir.
Capítulo 2 tem por objetivo fornecer conceitos básicos sobre descargas
atmosféricas e a proteção do sistema elétrico contra esse fenômeno desde a origem e a
classificação das sobretensões até os métodos de controle da mesma. Para entender como é
feito a proteção do sistema elétrico, também foi necessária uma abordagem sobre os
princípios básicos da coordenação de isolamento e os principais métodos utilizados para a
coordenação de isolamento.
Capítulo 3 apresenta o sistema de monitoramento de descargas atmosféricas no
Brasil e no Ceará. Na seqüência são abordados os métodos de detecção e localização de
descargas atmosféricas através do sistema de aplicações de raios, Zeus, utilizado pela
6
Coelce. E os resultados e benefícios que esse sistema de monitoramento está trazendo para
as áreas de engenharia, manutenção e operação.
Por fim tem-se a conclusão, em que se encontra uma revisão do sistema de
monitoramento de descargas atmosféricas, destacando seu histórico e importância, os
objetivos alcançados e os benefícios conseguidos com este sistema de monitoramento.
7
2. PROTEÇÃO DO SISTEMA ELÉTRICO CONTRA DESCARGAS
ATMOSFÉRICAS
2.1 Origem e Classificação das Sobretensões
O sistema elétrico, apesar de operar em regime permanente na maior parte do
tempo, está sujeito a fenômenos transitórios, envolvendo variações de tensão e corrente,
denominadas sobretensões e sobrecorrentes. Estudos de sobretensões devido a fenômenos
transitórios causados por descargas atmosféricas, faltas no sistema e chaveamentos são
necessários para a especificação de equipamentos de um sistema elétrico. [6]
As sobretensões podem ser classificadas como de origem interna ou externa. As
sobretensões de origem interna são causadas por eventos internos ao sistema elétrico de
potência, como por exemplo, manobras de disjuntores ou curtos-circuitos. As sobretensões
de origem externa por sua vez são causadas por eventos gerados fora do sistema elétrico,
sendo sua principal fonte as descargas atmosféricas. De acordo com o tempo de duração e o
grau de amortecimento, as sobretensões podem ser subdivididas em: temporárias, de
manobra e atmosféricas.
As sobretensões temporárias são caracterizadas por sua longa duração e picos
de amplitude reduzida, conforme apresentado na Figura 2.1., provenientes de manobras do
tipo energização de linhas em vazio, rejeição de carga e ocorrências de defeito com
deslocamento do neutro. E apesar de resultarem de manobra ou falta no sistema, a parte
transitória não é investigada, apenas a componente fundamental da tensão é significativa.
Figura 2.1 - Sobretensão temporária obtida por simulação. [6]
8
As sobretensões de manobra são caracterizadas por uma frente de onda da
ordem de dezenas de microssegundos a centenas de microssegundos e resultam de alguma
alteração na condição operativa do sistema, causadas por faltas no sistema ou
chaveamentos. Os principais eventos que provocam esse tipo de sobretensão são
energização de transformadores, rejeição de carga, energização e religamento de linhas de
transmissão e eliminação de faltas. Na Figura 2.2 é apresentado uma simulação de
sobretensão característica de manobra.
Figura 2.2 - Sobretensão de manobra com acentuado amortecimento. [6]
As sobretensões atmosféricas são caracterizadas por uma frente de onda da
ordem de microssegundos a dezenas de microssegundos e são originadas por descargas
atmosféricas que podem ocorrer sobre uma linha de transmissão ou nas suas proximidades,
causando surtos de tensão, ou uma incidência em uma subestação, atingindo diretamente os
equipamentos. As sobretensões de origem atmosféricas são bastante elevadas, podendo
provocar falhas nos isolamentos de equipamentos ou do sistema elétrico, atuação das
proteções e consequentemente perda da continuidade de serviço.
No gráfico da Figura 2.3 é apresentada a curva característica de uma
sobretensão atmosférica obtida no terminal de um transformador de uma subestação. [6]
9
Figura 2.3 - Sobretensão atmosférica obtida por simulação. [6]
Conforme apresentado na Figura 2.3, as sobretensões de origem atmosférica
caracterizam-se por possuir tensão resultante unidirecional com pico máximo bem definido
e amplitude limitada pelos pára-raios. [6]
As redes aéreas são expostas às descargas atmosféricas diretas e indiretas. As
descargas diretas são aquelas que incidem diretamente sobre o sistema elétrico, abrangendo
condutores, estruturas ou equipamentos, enquanto as descargas indiretas ocorrem
normalmente nas proximidades das linhas.
As sobretensões causadas por descargas atmosféricas podem ser originadas por
[2]:
Descargas entre nuvens ou intranuvem;
Descargas atmosféricas diretas na rede secundária;
Tensões induzidas por descargas indiretas;
Tensões transferidas devido a descargas diretas na rede primária;
Tensões transferidas do primário pelo transformador;
Descargas diretas em edificações.
A Figura 2.4 ilustra os raios no momento de uma descarga atmosférica.
10
Figura 2.4 – Descargas atmosféricas. [10]
Uma descarga atmosférica pode ser definida como o rompimento da isolação do
ar entre duas superfícies carregadas eletricamente com polaridades opostas. As correntes
ascendentes de ar tendem a transportar as partículas positivas e as pequenas gotas de água
para a parte superior da nuvem, enquanto as partículas negativas são levadas para a base da
nuvem pelas grandes gotas de água. Desta forma, um grande centro de carga negativa é
desenvolvido na região inferior da nuvem, enquanto um centro de cargas positivas é
induzido na terra, resultando em uma diferença de potencial entre a nuvem e a terra. [7]
As
descargas
atmosféricas
irradiam
energia
em
todo
o
espectro
eletromagnético, durante a quebra da rigidez dielétrica do ar e ionização, o que possibilita
a sua observação nas faixas de freqüência de VLF (Very Low Frequency), LF (Low
Frequency), ELF (Extremely Low Frequency) e VHF (Very High Frequency). Nas faixas
de freqüência VLF produzem ruídos chamados sferics, que se propagam à longa distância e
podem ser monitorados. As descargas do tipo nuvem-terra (NS) são observadas na faixa de
freqüência de VLF, LF e ELF, e as do tipo nuvem-nuvem (NN) ou intra-nuvem (IN) são
observadas na faixa de VHF. Com essa divisão de freqüência, a cobertura de
monitoramento de descargas atmosféricas, o tipo de relâmpago, a acurácia de localização e
a eficiência de detecção são limitadas. Um relâmpago NS irradia energia eletromagnética
que pode se propagar ao longo da superfície terrestre (onda de chão) ou a partir de
múltiplas reflexões entre a superfície terrestre e a parte mais baixa da ionosfera (ondas de
céu). Já os IN, por apresentarem uma menor energia que os NS, são mais bem observados a
11
partir de propagações de linha de visada. Neste sentido, as propagações por ondas de céu,
de chão e direta se restringem à distâncias de 5-7.000, 400-600 e 100 km respectivamente.
A Figura 2.5 mostra as faixas de freqüências das descargas atmosféricas. [3]
Figura 2.5 – Faixas de freqüência das descargas atmosféricas.
A freqüência da ocorrência de descargas atmosféricas é determinada através do
nível ceráunico de uma região e a partir dele pode-se obter o número de raios por
quilômetro quadrado ao ano. A conversão do nível ceráunico para densidade de raios para
terra é realizada através de um fator de proporcionalidade que varia de 0,1 a 0,25 e indica o
número de dias no ano com ocorrências de trovoadas. [7]
N = k.I
Onde:
N = densidade de raios (raios/km2)
k = fator de proporcionalidade
I = nível ceráunico
(2.1)
12
Quando um sistema de potência é atingido por uma descarga atmosférica, uma
elevada sobretensão é desenvolvida através da isolação das linhas e dos equipamentos.
Ocorre descarga, quando a tensão exceder a suportabilidade de isolação do sistema,
caracterizada pelo Nível Básico de Isolação (NBI) dos equipamentos e isoladores do
sistema elétrico. Suportabilidade é a propriedade de um isolamento de se opor as descargas
disruptivas. Essa característica que os equipamentos apresentam é definida de acordo com o
nível de isolamento e depende tanto do tipo de solicitação aplicada ao equipamento quanto
das características inerentes ao próprio isolamento. Na proteção do sistema de potência é
necessário conhecer como se dá a propagação dos surtos e o efeito desses surtos de tensão e
de corrente. [6]
Para a determinação dos surtos de tensão e corrente resultantes em várias partes
do sistema, é necessária uma análise de ondas trafegantes. Essas ondas surgem quando uma
descarga atinge um condutor fase de uma linha de transmissão. Então se inicia uma
propagação de ondas de tensão e de corrente que trafegam em ambas as direções a partir do
ponto de impacto aproximadamente à velocidade da luz.
A propagação da onda continua até encontrar uma descontinuidade, que pode
ser disjuntores abertos, transformadores, outras linhas ou o rompimento da isolação da
linha. Quando ocorre uma descontinuidade, as ondas podem ser refletidas ou transmitidas.
A análise de ondas trafegantes em sistemas lineares simples pode ser feita manualmente,
enquanto para sistemas mais complexos, característica dos sistemas elétricos, requerem o
uso de computadores. [7]
A implantação de um sistema de proteção contra descargas atmosféricas nos
vários elementos do sistema de potência visa à blindagem e a atenuação das ondas
trafegantes no sistema quando o mesmo é atingindo por uma descarga. Para implantar um
sistema de proteção contra descargas atmosféricas nas linhas de transmissão e subestações
faz-se necessário o estudo de incidência de raios com descargas atmosféricas diretas no
condutor, nas torres, mastros ou cabos pára-raios e o estudo de incidências de raios nas
proximidades da linha. [7]
O estudo das descargas diretas considera falha de blindagem e analisa a
incidência de descarga diretamente no condutor, nas torres, mastros ou cabos pára-raios. A
ocorrência da falha de blindagem no depende do isolamento do sistema, do valor da tensão
13
de fase no instante da descarga, da impedância de surtos dos condutores e da intensidade da
corrente de raio. O estudo das incidências de raios nas torres, mastros ou cabos pára-raios,
recebe um tratamento estatístico por possuir uma grande quantidade de parâmetros de
origem aleatória como corrente de raio, isolamento do sistema, aterramento de torres entre
outros. A ocorrência de desligamentos em conseqüência desse fenômeno pode ser
minimizada através de um projeto de aterramento das estruturas e um ajuste dos elementos
de projeto da cabeça da torre, e ao contrário da queda direta, esses efeitos dificilmente vão
ser eliminados. E finalmente, o estudo de descargas próximas à linha pode induzir uma
tensão que não excede a 500 kV. Em linhas blindadas através de cabos pára-raios e de
tensão nominal maior do que 69 kV, a possibilidade de ocorrer desligamento por incidência
de raios nas proximidades da linha pode ser considerada desprezível. Por outro lado, as
linhas menores, podem falhar devido a surtos de tensão induzida. [7]
Nas linhas de transmissão, as descargas atmosféricas que forem interceptadas
pelos cabos pára-raios, através do sistema de aterramento das torres, serão drenadas para
terra. Já na subestação, é necessário estudar o posicionamento adequado para os mastros e
cabos pára-raios, para que todas as descargas que possam provocar a falha nas isolações
dos equipamentos sejam interceptadas pelo sistema de blindagem e desviadas para a malha
de terra. [7]
2.2 Métodos de Controle das Sobretensões
Os sistemas elétricos estão sujeitas a sobretensões sempre que ocorrem
chaveamentos nas instalações elétricas ou quando ocorre descarga atmosférica diretamente
ou nas proximidades das redes elétricas. Essas sobretensões, quando ultrapassam os limites
suportáveis pelos equipamentos, podem danificá-los.
Para proteger os sistemas elétricos de potência e seus componentes contra
danos provocados por sobretensões, são empregados diversos tipos de dispositivos com
aplicações específicas, como centelhadores, varistores, diodos especiais, pára-raios e cabos
pára-raios, visando o controle das sobretensões e consequentemente evitar que a falha de
isolamento prejudique a operação do sistema e cause danos aos equipamentos. Todos têm
14
em comum o fato de desviarem da instalação o excesso de tensão que poderia provocar o
dano na instalação.
Valores menos prejudiciais de sobretensões são obtidos com a aplicação de
métodos de controle. Embora esses métodos não proporcionem a eliminação total das
sobretensões, eles contribuem para que suas magnitudes fiquem limitadas a valores
compatíveis com os níveis de isolamento dos equipamentos e projetos mais econômicos das
linhas de transmissão. [8]
Alguns aspectos como eficácia, custos e simplicidade de implementação são
levados em conta na determinação do tipo de mecanismo a ser adotado. Os métodos e
dispositivos mais utilizados são as blindagens contra descargas atmosféricas nas linhas de
transmissão e subestações através de cabos pára-raios e pára-raios, os resistores de préinserção e as modificações na configuração do sistema.
2.2.1
Cabo Pára-raios
Com o objetivo de evitar a incidência direta de descargas nos cabos condutores
de uma linha de transmissão ou nos barramentos de uma subestação são utilizadas
blindagens como cabos pára-raios e hastes de proteção. A ação protetora desses cabos está
no fato de proporcionarem uma blindagem aos fios condutores, recebendo os raios e
conduzindo suas correntes diretamente para a terra. Através da utilização do modelo
eletrogeométrico é possível o posicionamento eficiente dos cabos pára-raios, para que a
intensidade das correntes de descargas atmosféricas não ultrapasse o valor do limite que os
equipamentos suportam. [9]
A aplicação correta do cabo pára-raios depende do posicionamento do cabo em
relação aos condutores fase da rede. Essa proteção é mais eficiente quando o ângulo de
proteção formado com o plano vertical do cabo pára-raios não excede 45°. Normalmente
esses cabos são de aço e instalados no topo das estruturas da rede de distribuição, com seis
aterramentos independentes do neutro do sistema. Um outro aspecto importante para a
aplicação do cabo pára-raios é o valor da resistência de aterramento e o espaçamento entre
os aterramentos. Se a resistência de aterramento for muito alta, o potencial no topo do poste
pode se elevar a um valor suficiente e causar descarga entre o cabo pára-raios e os
15
condutores-fase. Por outro lado, a efetividade dos cabos pára-raios é diretamente
proporcional ao número de aterramentos e inversamente proporcional ao valor individual
das resistências de aterramento. Na Figura 2.6 é apresentado a utilização de cabos páraraios em redes de 13,8kV. [9]
Figura 2.6 - Utilização de cabos pára-raios. [9]
O correto dimensionamento dos cabos pára-raios depende basicamente das
correntes de curto-circuito que passam pelos cabos, independentemente de seu tipo, quando
da ocorrência de faltas para a terra ao longo da linha de transmissão. A maior corrente
circulante ocorre para faltas fase-terra nas proximidades das subestações, sendo que a sua
amplitude se reduz sensivelmente quando o ponto de falta é localizado na parte central da
linha de transmissão. [10]
Os cabos pára-raios, além de proteger os cabos condutores contra a incidência
direta de descargas atmosféricas e diminuir a quantidade de desligamentos provocados por
sobretensões atmosféricas, também podem ser utilizados para a transmissão de sinais ou,
mais recentemente, para a transmissão de dados, através da instalação de cabos do tipo
OPGW (Optical Ground Wire). Os cabos OPGW foram projetados especialmente para
instalação em linhas aéreas de transmissão de energia elétrica e são basicamente
constituídos por um núcleo dielétrico onde estão inseridas fibras ópticas, um tubo de
alumínio que protege o pacote de fibras e a armação do cabo formada por fios condutores.
Tais cabos são caracterizados por desempenharem simultaneamente duas funções: pára-
16
raios para linhas de transmissão de alta potência e meio de transmissão de dados através das
fibras ópticas. Os fios metálicos que constituem a armação podem ser do tipo aço
aluminizado, liga de alumínio ou aço galvanizado. A estrutura física de um cabo OPGW
típico é mostrada na Figura 2.7. [10]
Figura 2.7 – Seção típica do cabo OPGW.
2.2.2
Pára-raios
Os pára-raios são dispositivos de proteção contra surtos de tensão causados por
descargas atmosféricas e por manobras em equipamentos. A evolução cronológica da
tecnologia dos pára-raios é apresentada a seguir:
1892 – Primeira linha de distribuição no Estado de Massachusetts. Utilização de gaps entre
linha e terra.
1908 – Pesquisas no desenvolvimento de Resistor não linear: baixa resistência para
descargas atmosféricas e alta resistência para curto circuito.
1930 – Resistor não linear de carboneto de silício.
1953 – Princípio do movimento do arco elétrico possibilitando alongar-se o arco elétrico
centelhador para limitar a corrente subseqüente.
1970 – Resistor não linear de óxido de zinco que apresenta características excepcionais de
não linearidade tensão x corrente, não necessitando de centelhador.
17
80 a 90% de óxido de zinco (ZnO) com aditivos de óxidos de bismuto,
antimônio, cobalto, cromo, manganês, níquel e alumínio.
Grãos de ZnO com baixa resistividade circundado por material
intergranular de elevada resistividade.
Pára-raios ideal, por ser mais simples (sem centelhador) e compacto
possui maior confiabilidade e menor custo. [11]
O pára-raios estão instalados próximos aos principais equipamentos de uma
subestação, garantindo a confiabilidade, economia e continuidade de operação. A sua
atuação tem por base a absorção de uma parte da corrente associada à onda de tensão,
impedindo que as sobretensões alcancem valores superiores àqueles nos quais os
equipamentos foram projetados, evitando danos aos mesmos e ao sistema elétrico. Apesar
do seu importante papel no sistema elétrico, os pára-raios são equipamentos de baixo custo
e de pequenas dimensões. A Figura 2.8 ilustra o efeito das sobretensões em uma linha a
vazio com e sem pára-raios de ZnO. [6]
Figura 2.8 - Efeito nas sobretensões em função da utilização ou não de pára-raios. [6]
Os pára-raios normatizados atualmente são de Óxido de Zinco e sem qualquer
centelhador. Basicamente são constituídos de uma coluna de varistores envolvida por uma
18
coluna de porcelana ou material polimérico, havendo ainda outros componentes estruturais.
Os principais componentes dos pára-raios ZnO são:
a) Varistor de Óxido de Metálico (MOV)
Os blocos de óxido de zinco dos pára-raios atuais possuem elevada capacidade
térmica e são capazes de dissipar grande quantidade de energia de surto, resultando em
elevados níveis de suportabilidade de corrente de surto. Na Figura 2.9 são apresentados
blocos de ZnO. [11]
Figura 2.9 - Bloco de ZnO. [11]
b) Invólucro
O invólucro é a parte isolante externa do pára-raios que proporciona a
necessária distância de escoamento e abriga os componentes internos. Um invólucro pode
consistir de várias partes que propiciem resistência mecânica e proteção contra intempéries.
Os blocos de ZnO dos pára-raios são encapsulados em invólucros de porcelana
ou de material polimérico com características não higroscópicas e extremidades
hermeticamente fechadas, garantindo perfeita estanqueidade ao equipamento.
Na Figura 2.10 é apresentado pára-raios de porcelana e polimérico com e sem
anel equalizador.
19
Anel equalizador
(a) Pára-raios de Porcelana
(b) Pára-raios Polimérico
Figura 2.10 - Material do invólucro dos pára-raios.
c) Anel Equalizador
O anel equalizador do pára-raios é de material condutor, geralmente de forma
circular, cuja finalidade é modificar a distribuição do campo elétrico ao longo do pára-raios
tornando-a a mais uniforme possível. O anel equalizador é normalmente utilizado em páraraios de alta e extra-alta tensão.
d) Desligador Automático
O Desligador automático é um dispositivo para desligar, de modo visível, um
pára-raios defeituoso do sistema no qual está ligado, para evitar falta permanente no próprio
sistema.
Os pára-raios são classificados usualmente pela sua corrente de descarga
nominal em:
Pára-raios Tipo Estação (20 kA e 10 kA):
Os pára-raios classe ou tipo estação podem ser aplicados normalmente nas
linhas de transmissão e nos vários vãos de média e alta tensão das subestações de energia
elétrica. Na figura 2.11 são apresentados alguns exemplos de pára-raios tipo estação. [11]
20
Figura 2.11 - Pára-raios tipo estação. [11]
Pára-raios tipo distribuição (5 kA):
Os pára-raios tipo distribuição são aplicados normalmente nas redes de
distribuição das concessionárias de energia e nas instalações consumidoras alimentadas de
média tensão. Na Figura 2.12 é apresentado um pára-raios tio distribuição. [11]
Base de Fixação
Desligador automático
Figura 2.12 - Pára-raios tipo distribuição.
Os pára-raios tipo distribuição normalmente são instalados com desligador
automático, o qual pode ser projetado como parte integrante ou como componente
acoplável ao pára-raios.
Pára-raios tipo secundário (1,5 kA)
Os pára-raios tipo secundários são aplicados nas instalações de baixa tensão. Na
Figura 2.13 é apresentado pára-raios secundário com e sem desligador automático.
21
Figura 2.13 - Pára-raios tipo secundário.
Principais características nominais dos pára-raios:
a) Tensão nominal do pára-raios
Máxima tensão eficaz, de freqüência industrial, aplicável entre os terminais do
pára-raios na qual ele é projetado para operar corretamente sob as condições de
sobretensões temporárias estabelecidas nos ensaios de ciclo de operação. [9]
b) Tensão de operação contínua
Tensão eficaz máxima permissível de freqüência industrial, que pode ser
aplicada continuamente aos terminais do pára-raios.
c) Corrente de descarga nominal
Valor de crista do impulso de corrente, com forma 8/20 µs, que é usado para
classificar o pára-raios.
d) Tensão residual do pára-raios
Valor de crista da tensão que surge entre os terminais do pára-raios, durante a
passagem da corrente de descarga.
e) Capacidade máxima de absorção de energia do pára-raios
Valor em kJ (kWs) da maior quantidade de energia em condições
preestabelecidas, a que pode ser submetido o pára-raios, sem que as suas características
sofram alterações significativas, após o retorno às condições normais de operação. [9]
Pára-raios tipo Franklin
Os pára-raios tipo Franklin são equipamentos instalados para blindagem de
edifícios e subestações contra descargas atmosféricas. Nas Figura 2.14 é apresentado um
pára-raios tipo Franklin. [12]
22
Figura 2.14 - Pára-raio tipo Franklin.
As principais partes de um pára-raios tipo Franklin são captor, condutor de
descida e eléctrodo de terra. [12]
Captor: Principal parte do pára-raios constituído por três pontas ou mais
pontas de óxido inoxidável ou cobre que intercepta as descargas atmosféricas incidentes.
Condutor de descida: Parte do pára-raios que faz a ligação entre os captores
e elétrodo de terra, conduzindo a corrente de descarga.
Eléctrodo de terra: Parte do pára-raios que é constituído por um corpo
condutor em contacto com o solo assegurando uma ligação elétrica com a terra e fazendo o
aterramento.
Nas Figuras 2.15 e 2.16 são apresentadas os pára-raios tipo Franklin protegendo
um edifício e uma subestação, respectivamente.
23
Figura 2.15 - Blindagem da estrutura de um edifício com pára-raios tipo Franklin.
Pára-raios tipo Franklin
Figura 2.16 - Blindagem da estrutura de uma subestação com pára-raios tipo Franklin.
2.2.3
Resistores de Pré-inserção
Outro método de controle das sobretensões é a utilização de disjuntores com
resistores de pré-inserção em manobras de fechamento de disjuntor, que permitem a
24
redução na amplitude das sobretensões de manobras decorrentes de energização e
religamento de linhas de transmissão. Na Figura 2.17 é apresentado o funcionamento de
disjuntor com resistor de pré-inserção.
Figura 2.17 – Representação elétrica do funcionamento de disjuntor com resistor de pré-inserção. [8]
Quando uma tensão é aplicada à linha através de um resistor em série, este
funciona como um divisor de tensão, restringindo a tensão efetiva que chega à linha.
Depois, o resistor é curto-circuitado, aparecendo um outro transitório correspondente à
queda de tensão instantânea do resistor que é passada à linha. A amplitude da sobretensão é
função da resistência do resistor de fechamento e do tempo de permanência. [8]
2.2.4
Modificações na Configuração do Sistema
Seccionamento de linhas de transmissão, instalação de reatores em derivação e
aplicação de reatores de compensação são maneiras de se reduzir as sobretensões de
manobra, através da modificação na configuração do sistema. O efeito Ferranti faz com que
a tensão aumente ao longo da linha de transmissão e na ausência de compensação reativa, a
tensão de regime no final da linha de transmissão é sempre maior do que no início. Então a
utilização dos reatores de compensação diminui as sobretensões de manobra. Essa redução
decorrente de manobras de religamento é feita quando instalamos dispositivos como:
chaves de aterramento e transformadores de potencial indutivo.
Aliado a essas modificações no sistema, pode-se diminuir as sobretensões
atmosféricas reduzindo a resistência de pé de torre. E no caso das sobretensões de manobra,
pode-se impor certas condições no chaveamento dos disjuntores, não permitindo que eles
25
operem a menos que determinadas condições no sistema sejam satisfeitas, por exemplo,
quando há o fechamento sincronizado dos disjuntores, os contatos podem ser fechados no
instante em que cada fase estiver passando por zero. Na Figura 2.18 é apresentado o gráfico
da variação da sobretensão em função do instante de fechamento dos contatos do disjuntor.
[7]
Figura 2.18 - Variação da sobretensão em função do instante de fechamento dos contatos do disjuntor. [7]
2.3 Princípios básicos da coordenação de isolamento
Os isolamentos abrangem os espaçamentos no ar, os isolamentos sólidos e os
imersos em líquidos isolantes e de acordo com a sua finalidade são classificados como
sendo para uso externo ou interno, conforme se utilizem em instalações sujeitas a agentes
tais como poluição, umidade, insetos, podendo estar submetida às intempéries.
Existe um outro tipo de classificação em isolamentos auto-regenerativos e não
regenerativos. Os isolamentos auto-regenerativos são capazes de recuperar a sua rigidez
dielétrica, após a ocorrência de uma descarga e são, em regra geral, isolamentos externos
usados para isolar estruturas energizadas. Já os não regenerativos há danificação parcial ou
total do isolamento e os isolamentos desta espécie são, em regra geral, isolamentos
internos. Sua finalidade é separar diferentes elementos condutores sem que haja falhas
quando submetido a condições operativas. [6]
Os isolamentos auto-regenerativos são divididos em dois grupos, dependendo
do tipo de sua utilização. O primeiro é o dos isolamentos de equipamentos, tais como: parte
26
externa de bucha de transformadores de força, reatores e transformadores de medição e
parte externa das buchas dos dispositivos de manobra e de medição. O segundo se refere à
instalação, tais como: os isolamentos em ar, os postes isoladores, as cadeias de isoladores e
as colunas isoladoras das bobinas de bloqueio.
Quando se estuda coordenação de isolamento de uma subestação, a tensão
máxima que aparece nos terminais dos equipamentos é função da natureza da solicitação,
do dispositivo de proteção utilizado, das características dos equipamentos e dos
comprimentos dos barramentos da subestação. Todos esses elementos são importantes para
a realização desse estudo, mas as características dos dispositivos de proteção e as suas
localizações merecem uma consideração especial. [6]
Os dispositivos de proteção, para efeito de coordenação de isolamento de
subestações, são os pára-raios e os centelhadores, que conectados em paralelo com os
equipamentos permitem desviar para terra todos os surtos que excedem os níveis
especificados de proteção. Em um sistema elétrico em operação, esses dispositivos devem
apresentar os seguintes requisitos:
a característica de proteção do dispositivo deve ser sempre superior à
curva de suportabilidade dos equipamentos que ele está protegendo;
após descarregar um surto ser capazes de deixar de conduzir;
não operar para sobretensões dinâmicas;
ser capazes de descarregar surtos de alta energia sem se danificar ou
alterar seu nível de proteção e sem permitir que os equipamentos
próximos se danifiquem.
A escolha do dispositivo apropriado depende da importância do equipamento a
ser protegido e as conseqüências de uma interrupção na operação. [7]
A localização dos pára-raios também é de fundamental importância. Quando
um pára-raios não se encontra conectado diretamente nos terminais do equipamento a ser
protegido, ocorre o efeito distância, ou seja, devido à separação entre o equipamento e os
pára-raios, a tensão pode sofrer uma acentuada amplificação com relação ao nível de
proteção dos pára-raios, por isso a localização do pára-raios deve ser realizada de forma
que todos os equipamentos da subestação sejam solicitados por tensões inferiores à tensão
27
suportável nominal a impulso atmosférico, reduzida de um percentual correspondente à
margem de segurança. [6]
Para a determinação dos níveis de isolamento dos equipamentos das
subestações devem ser realizados estudos para a determinação dos espaçamentos elétricos
mínimos e das distâncias de segurança no interior de uma subestação. Com base em ensaios
em laboratório de diversas configurações de eletrodo, são obtidas informações sobre o
espaçamento requerido para suportar um determinado impulso, que devem ser utilizadas
para o estabelecimento das distâncias elétricas mínimas, com o objetivo de evitar que
ocorram descargas no isolamento, em tensões superiores àquelas que os equipamentos
foram especificados.
Além da distância elétrica mínima, uma distância de segurança é necessária
para que o operador realize um trabalho num equipamento desconectado da subestação,
mas próximo a partes energizadas da subestação. Essa medida de segurança deve ser tratada
dependendo da natureza do trabalho a ser realizado e da altura dos operadores, incluindo o
acesso ao equipamento e eventuais ferramentas de trabalho.
Selecionando as distâncias de escoamento das superfícies isolantes expostas ao
meio ambiente, como as porcelanas das buchas e isoladores, pode-se fazer a
complementação dos estudos de coordenação de isolamento.
Os parâmetros de umidade e densidade do ar influenciam bastante no
comportamento das buchas e isoladores. Para estes isolantes, o ponto importante é a tensão
normal, que é sensível ao efeito das condições ambientais.
Em condições ambientais limpas, a corrente de fuga pela superfície da
porcelana é da ordem de miliampères, tendendo a aumentar devido à contaminação por
resíduos químicos, poeira e depósito de sal. Quando a superfície contaminada é umedecida
por chuva fina ou orvalho, criam-se camadas de maior condutividade e facilita a ocorrência
de descargas através do isolamento.
As normas de coordenação de isolamento, inclusive a NBR-6939, têm por
objetivo fixar os níveis de coordenação de isolamento dos equipamentos e estabelecer
diretrizes para elaboração de especificações e métodos de ensaios de equipamentos. [6]
28
2.4 Métodos de Coordenação de Isolamentos
A coordenação de isolamento pode ser feita utilizando dois métodos: Método
Convencional e Método Estatístico.
O método convencional é o método de coordenação de isolamento mais
simples, cujo desconhecimento acerca do risco de falha envolvido torna-o apropriado
apenas para isolamentos não auto-regenerativos. Ele é baseado na seleção dos níveis de
isolamento considerando-se as maiores sobretensões esperadas e uma margem de
segurança. O nível de isolamento é definido adicionando-se uma margem de segurança ao
nível de proteção do dispositivo de proteção determinado para solicitação máxima.
O método estatístico é baseado na seleção dos níveis de isolamento através de
um determinado risco de falha selecionado, levando em consideração a natureza estatística
das sobretensões e da suportabilidade do dielétrico. Para a aplicação desse método as
grandezas devem ter suas distribuições estatísticas determinadas, identificando-se a
natureza, magnitudes e probabilidade de ocorrências das sobretensões, as características de
suportabilidade do isolamento e as características climáticas da região da instalação. A sua
utilização é limitada aos isolamentos auto-regenerativos e para tensões acima de 300 kV.
[6]
29
3.
SISTEMA
DE
MONITORAMENTO
DE
DESCARGAS
ATMOSFÉRICAS
3.1 Sistema de Monitoramento de Descargas Atmosféricas no Brasil
As descargas atmosféricas diretas ou indiretas é a principal causa dos
desligamentos em redes de distribuição, acarretando danos nos equipamentos e isoladores
do sistema elétrico. Informações sobre descargas atmosféricas eram restritas a mapas
isoceráunicos elaborados a partir do número de trovoadas por ano. Contudo essa ferrameta
não é confiável, pois estudos na região sudeste do país têm mostrado que estes mapas
podem apresentar erros que ultrapassam 500%. Com o objetivo de obter informações
confiáveis sobre a ocorrência de descargas elétricas e avaliar seu impacto sobre o sistema
elétrico, as empresas decidiram investir na implantação de sistemas de detecção e
monitoramento de descargas atmosféricas. [13]
Em 1988, foi implantado pelo Centro de Tecnologia e Normalização (TN), da
Companhia Energética de Minas Gerais (CEMIG), o Sistema de Localização de
Tempestades (SLT), primeiro sistema de detecção de descargas atmosféricas da América do
Sul.[2]
Em 2004, a CEMIG em conjunto com a SIMEPAR (Sistema Meteorológico do
Paraná), FURNAS (Furnas Centrais Elétricas) e INPE (Instituto Nacional de Pesquisas
Espaciais) constituiu a Rede Integrada Nacional de Detecção de Descargas Atmosféricas
(RINDAT). A RINDAT é uma rede de sensores e centrais que permitem detectar em tempo
real as descargas atmosféricas nuvem-solo, que representa a maior parte das descargas que
atingem o solo, em parte do território brasileiro. A interligação dos sistemas permitiu um
melhor índice de detecção, maior precisão na localização e uma ampliação da área de
cobertura do sistema, abrangendo as regiões sul, sudeste e centro-oeste do Brasil, conforme
apresentado na Figura 3.1. [14]
30
Figura 3.1 – Localização dos Sensores da Rede RINDAT.
A RINDAT possui cinco centrais localizadas em: Belém, Belo Horizonte,
Curitiba, Rio de Janeiro e São José dos Campos. Em 2005, a RINDAT cobria cerca de um
terço do país e em área de monitoramento, ocupava a terceira posição no mundo, sendo
superada somente pelas redes existentes nos Estados Unidos e Canadá. O Sistema de
Detecção e Localização de Descargas Atmosféricas gera pesquisa científica e produtos
destinados a aplicações na previsão de tempo, na análise e manutenção de sistemas elétricos
de transmissão, de distribuição e na emissão de laudos de análise de eventos severos para
seguradoras e empresas de engenharia. [15]
O sistema atua através do Sistema de Posicionamento Global (GPS), que
possibilita informações de temporização de raios com resoluções de até 300
nanossegundos, utilizando tecnologias denominadas "Sistema de Localização e Rastreio de
Raios" ("Lightning Positioning and Tracking System" - LPATS) e "Localização da Direção
Magnética" ("Magnetic Direction Finder" - MDF). A precisão das informações de
31
localização de raios do sistema é, em média, de 500 metros dentro do perímetro definido
pela posição das estações remotas de recepção. Entre os produtos de visualização gerados
pelo sistema se destacam:
Localização geográfica e temporal de descargas atmosféricas nuvem-terra;
Localização de temporais;
Determinação de características de descargas como: valor estimado do pico
da
corrente
de
retorno,
polaridade
e
número
de
componentes
(multiplicidade) se a descarga for de natureza múltipla.
Os sinais das descargas atmosféricas são registrados e transmitidos para as
centrais de processamento, onde são processados e distribuídos para visualização (IHM interface homem máquina) e armazenamento de dados. Nas IHMs são visualizados a
localização e as características das descargas em tempo real ou armazenados para análises
históricas. [15]
3.2 Sistema de Monitoramento de Descargas Atmosféricas no Estado do Ceará
Para a verificação do Índice Cerâunico do estado do Ceará, a Coelce utilizava
mapas isocerâunicos da NBR 5419/2005 - Proteção de Estruturas contra Descargas
Atmosféricas, elaborados a partir do levantamento do número de trovoadas por ano,
conforme ilustrado na Figura 3.2.
Figura 3.2 - Mapa Isoceráunico do Estado do Ceará .
32
Ao longo dos anos os profissionais de operação e manutenção observaram o
aumento da quantidade de desligamentos do sistema elétrico no período de trovoadas. A
partir deste sentimento a Coelce verificou que poderia reduzir os desligamentos neste
período com a implantação de um padrão de linha de transmissão com cabos pára-raios.
Analisando os mapas isoceráunicos da NBR 5419/2005 considerou que os dados
apresentados na norma provavelmente não condiziam com o aumento das incidências de
descargas atmosféricas no Ceará e precisaria de mais informações para tomar a decisão de
implantar um novo padrão de linha de transmissão com cabo pára-raios.
A partir da necessidade de conhecer os níveis isoceráunicos do estado do Ceará,
a Coelce decidiu desenvolver e implantar um sistema de detecção de descargas
atmosféricas através de um projeto de Pesquisa e Desenvolvimento (P&D). A UECE e a
USP são parceiras da Coelce no desenvolvimento e implantação do sistema de detecção de
relâmpagos, utilizando sensores com tecnologia de VLF (Very Low Frequency) integrado a
grande rede mundial de monitoramento de descargas atmosféricas, STARNET (Sferics
Timing and Ranging Network). Este sistema é capaz de detalhar a densidade de raios sobre
o estado do Ceará e sobre todo o Brasil. [3]
A STARNET é uma rede de detecção de descargas atmosférica a longa
distância e nasceu em 1997 a partir do programa de desenvolvimento inovativo de
pequenas empresas da NASA, concebida pela Resolution Display Inc (RDI). A RDI
desenvolveu um sistema que consistia de cinco antenas de rádio receptoras na faixa de
frequência de VLF (7-15 kHz) que estavam situadas ao longo da costa leste dos EUA e em
Porto Rico. [16]
Em 2003, a National Science Foundation financiou a compra e a operação de 4
receptores de rádio sobre o continente Africano. Estes receptores foram integrados com a
rede de descargas atmosféricas - ZEUS do Observatório Nacional de Atenas (NOA). Esta
configuração possibilitou um contínuo monitoramento das tempestades sobre os
continentes Europeu e Africano até 2005.
Com o objetivo de melhorar a eficiência de detecção de raios sobre o continente
Africano, oceano Atlântico e nordeste Brasileiro, no primeiro semestre de 2006 foi
implantado a STARNET no Brasil, a partir do projeto de P&D da Coelce com a UECE e a
USP, que contava com 4 antenas instaladas na África, 2 no Brasil (Fortaleza e Cachoeira
33
Paulista) e 1 no Caribe. Estrategicamente em Setembro de 2007 a antena da Nigéria foi
deslocada para Campo Grande (MS) através de uma cooperação entre a UConn e USP,
enquanto que em 2008 a USP/UECE e SIMEPAR adquiriram e instalaram mais duas
antenas em São Martinho da Serra (RS) e Curitiba (PR), como mostra a Figura 3.3. [16]
Figura 3.3 - Localização dos sensores da rede STARNET. [16]
A rede de detecção de descargas atmosféricas, Zeus, tem como característica
detectar raios à longa distância a um custo reduzido, necessitando de um número reduzido
de antenas para cobrir toda a extensão do Brasil. Na Figura 3.4 é apresentada uma antena de
VLF.
34
Figura 3.4 - Sensor localizado no Campus do Itaperi da UECE.
A posição de uma antena de VLF é de suma importância, pois possibilita um
melhor desempenho da detecção (eficiência de detecção) e localização (acurácia da
posição). Estudos teóricos foram baseados em simulações de monte-carlo que calculam o
erro de localização e a eficiência de detecção de descargas atmosféricas em função do
número e posição dos sensores para a determinação dos melhores locais para a instalação
das antenas de VLF. A partir de várias simulações verificou-se que uma antena deveria ser
instalada no Campus do Itaperi da Universidade Estadual do Ceará em Fortaleza (Ceará) e a
outra em Cachoeira Paulista (São Paulo) dentro do Centro de Previsão do Tempo e Clima.
Após a instalação dessas duas estações de VLF, essa tecnologia possibilitou medidas do
campo elétrico de ondas de céu, o que permitiu medidas até 5-7.000 km de distância. [4]
O sistema ZEUS de detecção de descargas atmosféricas a longa distância
consiste de um conjunto de antenas que mede o campo elétrico vertical emitido pelos ruídos
das descargas atmosféricas, conhecido como sferics. Os sinais emitidos pelos sferics se
propagam a mais de cinco mil quilômetros de distância a partir de múltiplas reflexões entre
o guia de onda formado pela superfície terrestre e a ionosfera. Como não se sabe a que
horas ocorreu o evento, mas sabe-se o tempo exato em que a mesma chega a cada uma das
antenas, aplica-se o método da diferença do tempo de chegada, ATD, para inferir a posição
de um sferics. As ATDs são calculadas a partir da correlação temporal das formas de ondas
de duas antenas, o que é repetido para todas as outras antenas. Portanto se o sistema possui
35
quatro antenas, a combinação de 2 antenas 2 a 2, é possível inferir 6 ATDs, que são
representadas por hipérboles sobre o globo terrestre e representam regiões com a mesma
diferença do tempo de chegada. A intersecção destas ATDs indica a posição de um sferics.
A precisão da localização é calculada a partir da diferença do tempo teórico com o tempo
medido. Esta diferença é transformada em uma elipse que define a região com a
probabilidade de ocorrência da descarga atmosférica. [16]
O sistema de detecção de raios STARNET prevê uma acurácia de 5 a 10 km e
uma eficiência de detecção superior a 70% sobre o território brasileiro. Comparações
preliminares com outro sistema de monitoramento, RINDAT, indicaram que a acurácia é
inferior a 10 km, atendendo a previsão teórica. Com a instalação das novas antenas em
2008 e 2009, este sistema apresentou uma melhor acurácia bem como a eficiência de
detecção estimada pelo modelo teórico. Estas aquisições e expansões visam melhorar a
eficiência de detecção raios e ao mesmo tempo aumentar a área de cobertura nacional. [3]
3.3 Sistema de Aplicação de Raios
Na
Figura
3.5
é
apresentado
o
portal
do
projeto
de
P&D,
http://www.zeus.iag.usp.br/coelce, deselvolvido pela USP e UECE onde podem ser
visualizadas informações sobre a localização de raios em tempo real, permitindo o acesso
às informações históricas e produtos de probabilidade de ocorrência de raios e identificando
as cidades e municípios que estão sendo afetadas por estas descargas. [17]
36
Figura 3.5 - Portal Principal do Projeto de P&D da Coelce. [17]
Para o desenvolvimento destes aplicativos e produtos, o primeiro passo foi o
geo-referenciamento dos municípios do estado do Ceará e linhas de transmissão e
subestação da COELCE que possibilitam identificar os municípios e linhas de transmissão
atingidas pelas descargas atmosféricas. [4]
Na página principal do site do projeto de P&D, ilustrada na Figura 3.5,
encontram-se disponíveis as últimas atualizações das informações da ocorrência de raios e
previsão de tempestades. Nesta página, os operadores de sistema da Coelce têm acesso a
diversas informações a partir de um menu disposto à margem esquerda, dentre as quais
estão: Raios em Tempo Real; Previsão de Tempestades; Alerta Cidades; Arquivos:
Relatório Diário, Acumulações Diárias, Mensais e Anuais; Dados Reprocessados: Alerta
Cidades e Relatório Diário. À margem direita encontra-se a listagem de alertas: Ocorrência
de Raios e ou Probabilidade de Tempestades. Estes menus têm como objetivo auxiliar os
usuários e o centro de operações da Coelce na identificação de descargas atmosféricas bem
como a aproximação de tempestades sobre a área de concessão da Coelce. [3]
Na ocorrência de descargas atmosféricas ou mesmo a previsão de ocorrência de
tempestades, o portal apresenta a indicação do município afetado bem como a freqüência de
37
raios ou a probabilidade de tempestades. Esta página é atualizada automaticamente a cada
10 minutos. [4]
a) Raios em Tempo Real
Ao selecionar o link Raios em Tempo Real, o usuário terá acesso a um mapa no
qual estão disponibilizadas as linhas de transmissão e subestações, como mostrado na
Figura 3.6. Na ocorrência de descargas, a página indicará uma listagem com os municípios
atingidos, bem como o número de descargas atmosféricas ocorridas naquele período. O
usuário também poderá selecionar outros períodos e fazer evolução temporal da ocorrência
de descargas atmosféricas através das ferramentas de busca. [17]
Figura 3.6 - Ocorrências de Raios em Tempo Real no Estado do Ceará. [17]
38
b) Previsão de Tempestades: Satélite
Esse aplicativo calcula a probabilidade de ocorrência de descargas atmosféricas,
combinando a incidência de raios com as imagens de satélite no canal do infravermelho e
vapor d’água. O objetivo é saber a área de abrangência das tempestades sobre a área de
concessão da COELCE, uma vez que estas informações foram geo-referenciadas sobre
aquela região. Esta informação é atualizada a cada 30 minutos, pois é dependente da
transmissão dos dados do satélite GOES. Na presente configuração foi disponibilizada as
probabilidades baixa, média e alta. Quando da ocorrência de uma destas probabilidades
sobre a área de concessão, alertas são disponibilizados com a indicação do município
afetado. A Figura 3.7 mostra a probabilidade de tempestade no Estado do Ceará no dia 26
de maio de 2010. [17]
Figura 3.7 - Probabilidade de Tempestades no Estado do Ceará. [17]
39
c) Alerta Cidades
Os municípios afetados são indicados através de alarmes e indicações no mapa
a partir de diferentes cores ou luz intermitente. Neste link, os usuários têm a opção de obter
uma maior resolução espacial da distribuição de raios e previsão de tempestades sobre a
área de concessão da COELCE.
•
Previsão de Tempestades: Mapa indicando a distribuição da probabilidade de
tempestades e municípios afetados como mostra na Figura 3.8.
•
Ocorrência de Raios: Mapa indicando a distribuição de raios e municípios afetados
como mostra na Figura 3.9. [17]
Figura 3.8 - Mapa disponível na opção Alerta Cidades: Previsão de Tempestades. [17]
40
Figura 3.9 - Mapa disponível na opção Alerta Cidades: Ocorrência de Raios. [17]
d) Arquivos: Histórico
O relatório diário de ocorrência de raios e os mapas de acumulações diárias,
mensais e anuais estão disponíveis na opção arquivo.
No link Relatório Diário estão disponibilizados relatórios sobre a ocorrência de
descargas atmosféricas, como por exemplo a hora da ocorrência (dia, mês, ano, hora,
minuto, segundo e mili-segundo), a posição (latitude e longitude) e a identificação do
município. Os usuários podem acessar todo o banco de dados a partir da seleção das datas
iniciais e finais. A Figura 3.10 disponibiliza o Relatório Diário de Raios ocorridos no dia 26
de Maio de 2010. [17]
Ao final de cada dia, mês e ano, os dados de descargas atmosféricas são
compilados e um mapa de densidade de raios sobre uma área de 10x10km2 por dia, mês e
ano é elaborado e disponibilizado no portal. Os usuários podem também acessar os mapas
diários, mensais e anuais anteriores após a seleção das datas iniciais e finais como mostram
as Figuras 3.11 e 3.12.
41
Figura 3.10 - Relatório Diário de Raios. [17]
Figura 3.11 - Mapa disponível no menu Acumulação Diária. [17]
42
Figura 3.12 - Mapa disponível no menu Acumulação Mensal. [17]
e) Dados Reprocessados
Com o objetivo de evitar falhas na transferência dos dados, de aumentar a
eficiência de detecção de raios e apresentar o melhor produto possível, os dados
armazenados nos computadores de cada antena de VLF são transferidos mensalmente para
o servidor da USP para um reprocessamento. Como novas localizações são efetuadas,
mapas da ocorrência de raios e relatórios diários são novamente elaborados e devem
representar a melhor eficiência possível. [17]
43
3.4 Estrutura da Área de Operação do Sistema da Coelce
A operação do sistema elétrico é um conjunto de processos que tem como
finalidade garantir o fornecimento de energia elétrica aos clientes, com o mínimo de
interrupções, atendendo aos requerimentos de qualidade e confiabilidade definidos nos
critérios internos e nas legislações do setor elétrico brasileiro. Para atender a esses
objetivos, a empresa deve dispor de uma estrutura para operar em condições de enfrentar
situações corriqueiras, manobrar o sistema em casos de manutenção, além de ser ágil na
detecção e correção de falhas [18].
Operacionalmente, a Coelce possui o Centro de Controle do Sistema (CCS) e 5
Centros de Controle Regionais (CCR). O CCS da Coelce está localizado em Fortaleza,
onde uma equipe de operadores de sistema e engenheiros são responsáveis pela
coordenação, supervisão, controle e comando de toda a rede de alta tensão do Ceará (linhas
de transmissão e subestações automatizadas e LTs e SEs não automatizadas da capital e
região metropolitana) e do sistema de média e baixa tensão da capital e região
metropolitana.
Os operadores de sistema do CCS operam o sistema elétrico da Coelce em
todos os seus níveis de tensão de distribuição do estado do Ceará: alta tensão 69 kV, média
tensão 13,8 kV e baixa tensão 380/220 V. A operação diária do sistema Coelce está sob a
responsabilidade de vários operadores que se revezam 24 horas por dia em turnos de 6
horas. Dentre suas atividades estão [19]:
Orientar trabalhadores nas atividades de campo acerca das ações a
serem realizadas;
Tomar decisões referentes a ocorrências intempestivas que causam
desligamentos na rede;
Acompanhar a execução de manobras no sistema elétrico;
Fechar incidências.
Os Centros de Controle Regionais estão localizados nas principais cidades do
Ceará, atendendo a regiões específicas. Cada CCR é responsável pela supervisão, controle e
comando do sistema de distribuição de baixa, média e alta tensão de uma região do interior
do Estado, conforme ilustrado no mapa da Figura 3.13.
44
Figura 3.13 - Mapa da área técnica por departamento.
3.5 Resultados do Sistema de Monitoramento na COELCE
As descargas atmosféricas do estado do Ceará são monitoradas no Centro de
Controle de Sistema (CCS) da Coelce, dentre outras atividades, os operadores do CCS
acompanham o sistema de monitoramento para quando houver alerta de ocorrências de
raios ou previsão de tempestades para uma região, eles possam orientar as equipes de
manutenção a ir para a subestação mais próxima e caso ocorra alguma falta no sistema
elétrico provocado por descargas atmosféricas, as viaturas possam chegar mais rápido,
solucionar o problema e assim diminuir os índices de continuidade. Na Figura 3.14 é
apresentado o Centro de Controle do Sistema da COELCE. [20]
45
Figura 3.14 - Centro de Controle do Sistema da Coelce – CCS
O Sistema de Monitoramento de Descargas Atmosféricas para o Ceará foi
desenvolvido com a finalidade de identificar o local de queda de raio na rede elétrica,
prever tempestades e consequentemente minimizar o tempo de atendimento. O sistema
identifica as áreas de maior incidência, otimizando a instalação de equipamentos de
proteção contra descargas.
Após dois anos de monitoramento de descargas atmosféricas pelo sistema
ZEUS foi possível elaborar mapas que indicam a variabilidade sazonal da incidência de
raios sobre o estado do Ceará. Os mapas indicaram que entre os meses de novembro de
2007 a abril de 2008 havia coincidência entre as incidências de raios e as interrupções de
energia não programada da COELCE, sendo o mês de março o que apresentou maior
incidência, chegando a ter mais de sete dias com raios em um área de 10x10 km2 ou uma
densidade de 1 raio por 100 km2 por dia. A partir destes mapas, foi elaborado o relatório
com a densidade de raios por município, indicando que a região noroeste do Ceará seguida
pela região central apresentava as maiores incidências de descargas atmosféricas. A eficácia
46
deste sistema de detecção foi verificada comparando os dados gerados nos mapas com os
relatórios de interrupção não programada. [4]
Ao longo de 2008, os municípios mais atingidos, em números brutos, foram
Santa Quitéria, Sobral, Irauçuba, Granja e Boa Viagem. Em se tratando de incidência de
raios por km², proporção que aumenta os riscos para a população em virtude das descargas
atmosféricas, os mais atingidos foram Moraújo, Irauçuba, Forquilha, Groaíras e Cariré. [21]
Em 2009, o Ceará registrou somente no mês de janeiro mais de 5.000 quedas de
raios. E no decorrer do ano, a Coelce registrou, aproximadamente, 100.870 descargas
atmosféricas no Ceará. A Figura 3.15 mostra a densidade de raios por município no período
de janeiro a junho do ano de 2009. Já em 2010, de janeiro até março, foram registrados
12.359 raios, sendo as áreas mais atingidas as Regiões Norte e Sul do Estado. As cidades
com maiores ocorrências são Granja (320) e Bela Cruz (253). Já na Capital, o Sistema
detectou 15 descargas elétricas. [20]
Figura 3.15 – Densidade de raios por município.
47
A tecnologia utilizada pelo Sistema de Monitoramento de Descargas
Atmosféricas para o Ceará é inovadora no país e capaz de monitorar todo o território
brasileiro, seus sensores captam um raio de até 6.000 km. [20]
O Sistema de Monitoramento de Descargas Atmosféricas da Coelce tem
melhorado a qualidade de serviço prestado. Com informações históricas, a concessionária
gera um banco de dados relativos a descargas atmosféricas que ajuda na tomada de
decisões, objetivando a melhoria do tempo de atendimento aos seus clientes. A geração de
um banco de dados, com informações do local e do momento da queda, orienta os
responsáveis pela manutenção do sistema de transmissão e distribuição de energia quanto a
instalação ou não de cabos pára-raios. Adicionalmente, o conhecimento, em tempo real, do
local de ação de descargas atmosféricas permite a redução no tempo desde a falha até sua
correção, minimizando as perdas pela ausência ou fornecimento deficiente, decorrente do
dano na linha de distribuição. [4]
A partir do monitoramento em tempo real das descargas atmosféricas, a Coelce
vem observando se estes fenômenos adversos estão se propagando sobre as regiões de
concessão ou mesmo sobre as linhas de transmissão. Dessa maneira, ações poderão ser
tomadas, a fim de minimizar o impacto de uma descarga atmosférica sobre uma linha de
transmissão, ou mesmo o alerta de equipes de manutenção sobre determinadas regiões,
diminuindo assim os custos com transporte e pessoal. [4]
3.6 Mudança de Procedimento com a implantação do Sistema de Monitoramento
Essa rede de detecção está auxiliando o gerenciamento, manutenção e operação
das linhas de transmissão e distribuição de energia. Alertando via e-mail sobre a
probabilidade de incidência de raios, otimizando o deslocamento de equipes e
conseqüentemente reduzindo o DEC pela programação de equipe de alerta. A Figura 3.16
apresenta a transmissão automática de um alerta via e-mail com dados de raios.
48
Figura 3.16 - Transmissão automática de e-mail com dados de raios.
Na Figura 3.17 mostra um e-mail enviado por um gestor da área de manutenção
da Coelce comprovando através dos dados gerados pelo sistema de monitoramento de
descargas atmosféricas, que o desligamento de uma linha de transmissão coincide com a
ocorrência de descargas atmosféricas na região, sendo esta a provável causa do
desligamento.
49
Figura 3.17 - Exemplo de Alerta associado a uma ocorrência de falha.
Todas as informações obtidas pelo sistema de monitoramento deverão também
melhorar as previsões do tempo e auxiliar os Institutos meteorológicos como a Fundação
Cearense de Meteorologia e Recursos Hídricos (FUNCEME), outras instituições como
Universidades, Centros de Pesquisas, Bombeiros, Defesa Civil e a população, identificando
áreas que podem ser afetadas por tempestades, chuvas e ventos intensos. [4]
Além disso os dados históricos do sistema de monitoramento irão contribuir
para área de engenharia da Coelce justificar a implantação do novo padrão de linhas de
transmissão com cabos pára-raios em regiões com alto índice de desligamento do sistema
elétrico devido a descargas atmosféricas.
4. CONCLUSÃO
Nesse trabalho são apresentados os benefícios proporcionados pelo Sistema de
Monitoramento de Descargas Atmosféricas implantado no Centro de Controle do Sistema
(CCS) da Coelce como ferramenta de apoio às áreas de engenharia, operação e manutenção
do Sistema Elétrico.
50
No sistema de distribuição, uma das principais causas de eventos que afetam a
qualidade do serviço são as descargas atmosféricas. Os sistemas elétricos de potência (SEP)
normalmente são protegidos contra as sobretensões, mesmo assim as descargas
atmosféricas são responsáveis por uma parcela significativa das desenergizações do sistema
elétrico, acarretando danos nos equipamentos e isoladores.
O desenvolvimento e implantação do sistema de detecção de descargas
atmosféricas no CCS da Coelce representam um grande avanço tecnológico para o estado
do Ceará. Este sistema proporciona para a concessionária e para os órgãos do governo
dentre outros, os seguintes benefícios:
•
Mapas isoceráunicos com previsão de descargas atmosféricas e uma base histórica de
dados que pode ser utilizadas como base de apoio tanto para as áreas de engenharia,
manutenção e operação do sistema elétrico da empresa como para as instituições de
ensino e órgãos do governos no avanço das pesquisas e acompanhamento das mudanças
climáticas.
•
A evolução de um mapa isoceráunico desatualizado, existente na norma da ABNT, para
o estágio atual com a implantação de um sistema de monitoramento de descargas
atmosféricas gerando uma base de dados histórica e mapas isoceraunicos em tempo
real;
•
Mapas de densidade de raios e base de dados históricas que possibilitarão estudos e uma
melhor avaliação custo-benefício dos projetos de linha de transmissão com cabos páraraios, até o momento inexistente no sistema Coelce, sob a alegativa de que não é viável
economicamente;
•
Alerta para os profissionais de operação e manutenção do sistema elétrico, via e-mail,
sobre a probabilidade de incidência de raios, otimizando o deslocamento de equipes e
conseqüentemente reduzindo o DEC pela programação de equipe e alerta.
•
Permitiu a construção de mapas de densidade de descargas mostrando o número de
descargas atmosféricas por município, indicando que no ano de 2009, as regiões que
mais afetadas por descargas atmosféricas foram as regiões norte e sul.
•
A geração de um banco de dados, com informações do local e do momento da queda,
orienta as áreas de engenharia e manutenção do sistema de transmissão e distribuição de
51
energia quanto aos locais em que necessitam de instalação de equipamentos de proteção
contra descargas atmosféricas.
A partir da pesquisa realizada para elaboração deste trabalho concluí-se que os
profissionais das áreas de engenharia, manutenção e operação da Coelce estão muito
satisfeitos com o Sistema de Monitoramento de Descargas Atmosféricas implantado e
demonstram satisfação em dispor de uma ferramenta de apoio à tomada de decisão para a
melhoria da qualidade de serviço e redução do tempo de atendimento aos clientes.
Concluí-se também que este sistema representa um marco tecnológico para a
Coelce e para o estado do Ceará, tendo em vista os dados disponibilizados pelo sistema de
monitoramento serem disponibilizados ao público em geral, podendo ser utilizado pelas
instituições de ensino, órgãos normativos e órgãos do governo nos estudos e pesquisas,
representando uma forma de apoio ao avanço tecnológico não só do Ceará, mas também do
Brasil.
52
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Atmosféricas no Sistema Elétrico”, Integração, Universidade São Judas Tadeu, 2008.
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Esmeraldo, P. C. V; Vaisman, R; Frontin, S. O. “Transitórios Elétricos e Coordenação de
Isolamento - Aplicação em Sistemas de Potência de Alta Tensão”, Editora Universitária,
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[8] Nunes, R. R; “Coordenação de Isolamento para Transitórios de Manobra Considerando
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53
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Sobretensões em Sistema Aéreos de Distribuição - Coleção Distribuição de Energia
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[10] Pereira, M. P. “Cálculo de Correntes de Curto-circuito em Cabos Pára-raios de Linhas
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[11] Sampaio, R. S; Leão, R. P. S; Barroso, G. C. Apostila do Curso: Fundamentos em
Sistemas Elétricos de Potência - Módulo III - Equipamentos Elétricos - Pára-Raios.
[12] Disponível na URL http://www.prof2000.pt/users/lpa, acessada no dia 10/05/10.
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[14] Ávila, A. F. “Estudo do Desempenho de Redes de Distribuição Rural Utilizando
Dados do Sistema de Localização de Tempestades e da Operação do Sistema – Uma
Abordagem de Engenharia”, Universidade Federal de Minas Gerais, 2005, 58p.
[15] RINDAT – Rede Integrada Nacional de Detecção de Descargas Atmosféricas
disponível na URL http://www.rindat.com.br, acessada no dia 10/05/10.
[16] STARNET – Sferics Timing and Raging Network disponível na URL
http://www.zeus.iag.usp.br/, acessada no dia 20/05/10.
[17] Projeto de P&D – Monitoramento de Tempestades disponível na URL
http://www.zeus.iag.usp.br/coelce, acessada no dia 20/05/10.
[18] Peron, G; Neiva, J. A; Ramos, L. F. R. M; Pinto, V. G. “Manutenção e Operação de
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54
[19] Marco Operativo. COELCE.
[20] Portal de Investimentos e Informações do Nordeste disponível na URL
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[21]
Portal
Coelce
–
Notícias
disponível
na
URL
http://www.coelce.com.br/
sobrecoelce/noticias/coelce-realiza-monitoramento-de-raios-em-todo-o-ceara.aspx,
acessada no dia 20/05/10.