Sobretensões de Origem Atmosférica em Linhas de Média Tensão

LAT-EFEI: Laboratório de Alta Tensão - Universidade Federal de Itajubá, MG, Brazil, 2009



Resumo:

As linhas de distribuição em média tensão devem ser projetadas para fornecer energia elétrica dentro de padrões de qualidade, confiabilidade e continuidade. No entanto, estão expostas a condições adversas e imprevisíveis que podem levar a situações de falha, sendo as descargas atmosféricas uma das principais causas, o que resulta em grandes prejuízos às empresas e à sociedade. Logo, o estudo das causas e efeitos das descargas atmosféricas pode ser considerado um item essencial.
A análise do desempenho dos sistemas de média tensão frente às descargas atmosféricas é muito dependente da sua modelagem. Quanto mais o modelo se aproxima da realidade mais ele se torna demasiadamente dispendioso e complexo, o que, geralmente, resulta na adoção de algumas simplificações e aproximações. Através da utilização de modelos mais precisos, simulações através de processos estocásticos, simulações de transitórios eletromagnéticos, utilização de dados reais das redes e análises estatísticas, o presente trabalho visa a estudar a ampla gama de efeitos das descargas atmosféricas, seus impactos e fatores preponderantes para análise em diferentes sistemas reais. Assim busca-se um equilíbrio entre a aproximação dos modelos e os erros dos resultados.
Com este estudo, é possível estabelecer os principais pontos de intervenção para a melhoria do desempenho dos sistemas de distribuição em média tensão frente às descargas atmosféricas.

Abstract:

The medium voltage distribution lines must be projected to supply electric energy within the quality, reliability and continuity standards. However, they are exposed to adverse and unexpected conditions that can lead to failures, being the lightning discharges one of the main causes, consequently, resulting in major losses for the companies and society. Therefore, the lightning discharges causes and effects studies should be considered essential.
The medium voltage systems performance analysis front lightning discharges is very dependent on its modeling. As the model approaches the reality, more it becomes extremely complex and time expensive, as a result, it generally leads to the adoption of some sort of simplifications and approximations. The present work aims at the study of large variety of effects of the lightning discharges, its impacts and preponderant factors analysis in different real systems, as far as searching for a balance between the models approximation and the resultant errors. With the use of models that are more precise, stochastic process simulations, electromagnetic transient’s simulations, real information from the networks and statistical analysis.
With this study, it is possible to establish the main intervention points for the improvement of the medium voltage distribution systems performance front lightning discharges.

Introduction:

Os sistemas elétricos de potência (SEP) englobam a geração, transmissão e distribuição de energia elétrica, sendo projetados para fornecê-la dentro de padrões de qualidade, confiabilidade e continuidade. No entanto, estão expostos a condições adversas e imprevisíveis que podem levar o sistema a situações de falha ou má operação.
A coordenação de isolamento é um conjunto de técnicas e estudos que buscam o projeto dos SEP para condições de isolamento adequadas às sobretensões esperadas, levando-se em conta a característica de possíveis equipamentos protetores.
Contudo, seria extremamente dispendioso economicamente projetar sistemas que suportem todas as sobretensões possíveis. Desta forma, a escolha do isolamento deve ser realizada de forma que minimize o custo e se obtenha um desempenho satisfatório, com uma determinada probabilidade de falha que é expressa como um risco de falha aceitável. O progresso dos computadores tem auxiliado nesta tarefa, permitindo aos engenheiros o refinamento dos cálculos de sobretensões, através de programas de simulações de transitórios eletromagnéticos e de procedimentos de análise estatística.
As descargas atmosféricas estão entre as principais causas de distúrbios, provocando sobretensões e ocasionando uma parcela significativa das interrupções e danos, muitas vezes permanentes, nos sistemas elétricos. Tais situações podem resultar em grandes prejuízos às empresas do setor e à sociedade.
As descargas podem injetar surtos nos sistemas elétricos basicamente por duas maneiras: por indução, através do acoplamento dos campos eletromagnéticos com os condutores; ou impacto direto nos condutores.
Para os sistemas de distribuição de energia elétrica, as descargas possuem grande impacto devido à configuração predominantemente aérea das linhas e sua grande extensão. Assume-se que cerca de um terço dos desligamentos sejam causados por descargas atmosféricas. No Brasil, pela localização entre os trópicos, temos uma das maiores incidências de raios do mundo, estima-se que podem chegar à ordem de 70 milhões de raios atingindo o solo a cada ano, o que pode levar a prejuízos da ordem de R$ 500 milhões.
Esse é um dos motivos pelos quais os efeitos das descargas atmosféricas nos SEP vêm sendo pesquisadas há vários anos, contudo ainda existem sérias divergências nas teorias sobre os fenômenos, não havendo um consenso entre os especialistas mundiais e que tem motivado o desenvolvimento de inúmeros estudos experimentais. No Brasil podem-se citar os desenvolvidos no Morro do Cachimbo pela Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) e os desenvolvidos pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), além do desenvolvimento da Rede Integrada Nacional de Detecção de Descargas Atmosféricas (RINDAT).
Com a privatização das concessionárias, resultando em flexibilização e regulamentação dessas, a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), órgão regulador do governo, vem exigindo que as mesmas busquem cada vez mais melhorar seus padrões de qualidade, confiabilidade e continuidade no fornecimento de energia elétrica. Os consumidores também estão mais exigentes, de modo que para atender os anseios desse ascendente mercado faz-se necessário um aumento nos investimentos em pesquisas e desenvolvimentos de novas técnicas e tecnologias visando melhorar o fornecimento de energia.
Logo, o estudo dos efeitos das descargas atmosféricas nos sistemas elétricos de potência pode ser considerado um item essencial.

References:

[1] Agrawal A.K., Price H.J., Gurbaxani S.H., “Transient response of a multiconductor transmission line excited by a nonuniform electromagnetic field”, IEEE Trans. on EMC 22-2 (1980) 119-129;
[2] Alberto Borghetti, Carlo Alberto Nucci, Mario Paolone, “Effect of Tall Instrumented Towers on the Statistical Distributions of Lightning Current Parameters and its Influence on the Power System Lightning Performance Assessment”, VII SIPDA (International Symposium on Lightning Protection), Curitiba, Novembro 2003;
[3] Aldemar A. Castro, Sebastião M. R. de Carvalho, Manuscrito do Projeto de Pesquisa (Parte VIII – Método Estatístico / Tamanho da Amostra), São Paulo, 2005;
[4] Alexandre Piantini, A. G. Kanashiro, J. C. Carneiro, “Surtos Transferidos à Rede Secundária via Transformadores de Distribuição Considerando o Efeito da Carga”, CITENEL – Congresso de Inovação Tecnológica em Energia Elétrica, 2003;
[5] Allan Greeenwood, “Electrical Transients in Power Systems”, Segunda edição, John Wiley & Sons, 1991;
[6] Andrew R. Hileman, “Insulation Coordination for Power Systems”, Marcel Dekker Inc., 1999;
[7] ATP Rule Book, CLAUE – Comitê Latino Americano de Usuários do EMTP/ATP, Revisão 2002;
[8] C. F. Wagner, “Relation between stroke current and velocity of the return stroke”, AIEE Trans., pt. III, vol. 82, p. 606–617, 1963;
[9] C. F. Wagner, A. R. Hileman, “A new approach to the calculation of the lightning performance of transmission lines – Part III,” AIEE Trans. Part III, vol. 79, n. 3, p. 589-603, 1960;
[10] C. F. Wagner, G. D. McCann, “Induced voltages on transmission lines”, AIEE (American Institute of Electrical Engeneers), Transactions 61, 916-930, 1942;
[11] C.P. Robert, G. Casella, "Monte Carlo Statistical Methods", Segunda edição, Springer-Verlag, 2004;
[12] Carlo A. Nucci, Mario Paolone, “Calculation of Induced Voltages in Medium Voltage Overhead Systems due to Lightning Strokes Using the LIOV Code”, Relatório da segunda fase do projeto de pesquisa com a concessionária AES Sul, Outubro, 2003;
[13] Carlos R. de Mello, Joaquim P. da Silva, Daniel F. Ferreira, “Modelos de Determinação de Sobretensão Atmosférica em uma Linha de Distribuição Rural”, UFLA, Lavras, 1999;
[14] Christian Bouquegneau, “Lightning and Mythologies”, VIII International Symposium on Lightning Protection, São Paulo, Novembro de 2005;
[15] Cláudia M. Peixoto, Serguei Popov, Apostila de Estimação para a Proporção Populacional p, USP;
[16] “Coordenação de Isolamento”, Curso de Engenharia em Sistemas Elétricos de Potência, Volume 8, Série P.T.I., Convênio Eletrobrás/UFSM, 1979;
[17] Crow, E. L. e Shimizu, K., “Lognormal Distributions: Theory and Applications”, Dekker. 1988;
[18] Dailton G. Guedes, “Modelagem Matemática de Correntes na Torre da Estação Morro do Cachimbo”, INPE – Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, 2004;
[19] Diego L. Coriolano, Marco A. M. Saran, Manuel L. B. Martinez, H. R. P. M. de Oliveira, E. L. Batista, “Análises Estatísticas dos Ensaios de Pára-Raios Convencionais a Carboneto de Silício Retirados das Redes de Distribuição em Média Tensão”, XVIII SENDI, Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétrica, Olinda, 2008;
[20] Dieter Kind, Kurt Feser, “High Voltage Test Techniques”, Segunda edição, Newnes, 2001;
[21] Douglas C. Montgomery, George C. Runger, “Estatística Aplicada e Probabilidade para Engenheiros”, Segunda Edição, LTC, 2003;
[22] E. Kuffel, W. S. Zaengl, J. Kuffel, “High Voltage Engineering - Fundamentals”, Segunda Edição, Newnes, 2000;
[23] E. R. Love, “Improvements on Lightning Stroke Modeling and Applications to the Design of EHV and UHV Transmission Lines”, Dissertação de Mestrado, Universidade do Colorado, 1973;
[24] G. Vernon Cooray, “The Lightining Flash”, IEE Power Series, Volume 34, 2003;
[25] Grupo de eletricidade atmosférica, ELAT, do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, INPE;
[26] “Guidelines for Representation of Network Elements when Calculating Transients”, Working Group 33.02 (Internal Overvoltages), Cigré – Conseil International des Grands Réseaux Électriques, 1990;
[27] H. R. Armstrong, E. R. Whitehead, "Field and Analytical Studies of Transmission Lines Shielding", IEEE Trans. Power Apparatus and Systems, PAS-87, p. 270-281, 1968;
[28] Hélio Eiji Sueta, “Uso de Componentes Naturais de Edificações Como Parte Integrante do Sistema de Proteção Contra Descargas Atmosféricas – Uma Visão Relativa aos Danos Físicos”, Universidade de São Paulo, 2005;
[29] A. Metwally, F. H. Heidler, R. Nickel, “Computation of Collection Area and Probability of Lightning Strikes to Structures Using the Electrogeometric Model”, VIII SIPDA (International Symposium on Lightning Protection), São Paulo, 2005;
[30] “IEEE Guide for Improving the Lightning Performance of Electric Power Overhead Distribution Lines”, IEEE Std 1410-2004, T&D Committee, IEEE Power Engineering Society;
[31] J. R. Lucas, “High Voltage Engineering”, Universidade de Moratuwa, Sri Lanka, 2001;
[32] Jens Schoene, “Analysis of Parameters of Rocket-Triggered Lightning Measured During the 1999 and 2000 Camp Blanding Experiment and Modeling of Electric and Magnetic Field Derivatives Using the Transmission Line Model”, Universidade da Flórida, 2002;
[33] João Mamede Filho, “Manual de Equipamentos Elétricos”, Terceira Edição, LTC, 2005;
[34] John G. Anderson, Thomas A. Short, “Algorithms for Calculation of Lightning Induced Voltages on Distiubution Lines”, IEEE Transactions on Power Delivery, Volume 8, Número 3, Páginas 1217-1225, Julho, 1993;
[35] Jorge Amon Filho, Marco Polo Pereira, “Curso Básico Sobre a Utilização do ATP”, CLAUE - Comitê Latino Americano de Usuários do EMTP/ATP, Novembro, 1996;
[36] L. V. Bewley, “Traveling Waves on Electric Power Systems”, Universidade de Lehigh, EUA, 1942;
[37] “Lightning Protection of Distribution Networks”, The Electricity Council, 1974;
[38] Lou van der Sluis, “Transients in Power Systems”, John Wiley & Sons, 2001;
[39] Luigi Paris, “Influence of Air Gap Characteristics on Line-to-Ground Switching Surge Strength”, IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, S.l., v. 86, n. 8, p. 936-947, 1967;
[40] Luigi Paris, R. Cortina, “Switching and Lightning Impulse Discharge Characteristics of Large Air Gaps and Long Insulator Strings”, IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, S.l., v. 87, n. 4, p. 947-957, 1968;
[41] “Manual da Distribuição”, ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica, 2004, http://www.aneel.gov.br/arquivos/PDF/Manual_da_Distribuicao.pdf
[42] Manuel L. B. Martinez, “Simulação de Transitórios Eletromagnéticos em Sistemas e Subestações”, FUPAI – Fundação de Pesquisa e Assessoramento à Indústria, 2002;
[43] Manuel L. B. Martinez, Airton Violin, Otávio H. S. Vicentini, Marco A. M. Saran, Hermes R P M Oliveira, Renato Oling, Renata J. Bachega, Cícero L. Borges, “Programa de Análise Confiabilidade de Alimentadores de Distribuição”, 5th CLAGTEE - Latin-American Congress: Electricity Generation And Transmission, 2003, São Pedro, SP;
[44] Manuel L. B. Martinez, Otavio H. S. Vicentini, Airton Violin, Marco A. M. Saran, Hermes R P M Oliveira, Renata J. Bachega, Renato Oling, Cícero L. Borges, “Distribution Reliability Analysis Program”, 11th International Conference on Harmonics and Quality of Power, Lake Placid, EUA, 2004;
[45] Manuel L. B. Martinez, Otavio H. S. Vicentini, Airton Violin, Marco A. M. Saran, Renata J. Bachega, Renato Oling, Hermes R P M Oliveira, Cícero L. Borges, “Distribution Reliability Analysis Program”, IEEE - Transmission and Distribuition - Latin America, São Paulo, 2004;
[46] Manuel L. B. Martinez, Otavio H. S. Vicentini, Marco A. M. Saran, Airton Violin, Renata J. Bachega, Renato Oling, Hermes R P M Oliveira, Cícero L. Borges, “Distribution Reliability Analysis Program”, International Institute for Research and Education in Power Systems, Cortina D´Ampezzo, Itália, 2004;
[47] Manuel L. B. Martinez, Pedro H. M. dos Santos, “Estudo de Tensões Induzidas em Redes de Distribuição, Guia para Melhoria do Desempenho de Linhas Aéreas de Distribuição quanto a Descargas Atmosféricas”, Laboratório de Alta Tensão da Universidade Federal de Itajubá, Março, 2004;
[48] Marcelo M. F. Saba, “A Física das Tempestades e dos Raios”, Revista Física na Escola, vol. 2, no. 1, 2001;
[49] Marco A. M. Saran, Manuel L. B. Martinez, Carlo A. Nucci, Mario Paolone, Hermes R. P. M. de Oliveira, “Comparação do Desempenho de Projetos de Linhas de Distribuição para Média Tensão Frente a Surtos Induzidos”, XII ERIAC – Encontro Regional Ibero-Americano do Cigré, Foz do Iguaçu, Maio, 2007;
[50] Marco A. M. Saran, Manuel L. B. Martinez, Hermes R. P. M. de Oliveira, “Modelos de Monte Carlo Para Linhas Aéreas de Distribuição em Média Tensão, Urbanas e Rurais, Frente a Descargas Atmosféricas”, XII ERIAC – Encontro Regional Ibero-Americano do Cigré, Foz do Iguaçu, Maio, 2007;
[51] Marco A. M. Saran, Manuel L. B. Martinez, Hermes R. P. M. de Oliveira, “Performance of Medium Voltage Urban and Rural Distribution Lines Front Lightning Discharges and Induced Surges”, 15th International Symposium on High Voltage Engineering, Liubliana, Eslovênia, Agosto, 2007;
[52] Marco A. M. Saran, Rafael R. Bonon, Manuel L. B. Martinez, Hermes R. P. M. De Oliveira, Carlo A. Nucci, Mario Paolone, “Desempenho Comparativo de Projetos de Linhas de Distribuição para Média Tensão Frente a Surtos Induzidos”, SBSE – Simpósio Brasileiro de Sistemas Elétricos, Campina Grande, Julho, 2006;
[53] Marco A. M. Saran, Rafael R. Bonon, Manuel L. B. Martinez, Hermes R. P. M. De Oliveira, Carlo A. Nucci, Mario Paolone, “Performance of Medium Voltage Overhead Distribution Lines Against Lightning Discharges”, International Cigré Symposium – TPLEPS – Transient Phenomena In Large Electric Power Systems, Zagreb, Croácia, Abril, 2007;
[54] Marco A. M. Saran, Rafael R. Bonon, Manuel L. B. Martinez, Hermes R. P. M. De Oliveira, Carlo A. Nucci, Mario Paolone, “Performance of Medium Voltage Overhead Distribution Lines Against Lightning-Induced Voltages: A Comparative Analysis”, GROUND’06 e 2nd LPE - International Conference on Grounding and Earthing & 2nd International Conference on Lightning Physics and Effects, Maceió, Novembro, 2006;
[55] Marcos V. C. Xavier, Rafael B. B. Carvalho, Thiago C. C. de Barros, “Definição de Dados Construtivos de Pára-Raios Convencionais Instalados nas Redes de Distribuição em Média Tensão”, Trabalho de Conclusão de Curso, Orientador: Manuel L. B. Martinez, Universidade Federal de Itajubá, 2008;
[56] Maria C. D. Tavares, Paulo G. Campos, Paulo Prado, “Guia Resumido do ATP – Alternative Transient Program”, UNICAMP, Campinas, Novembro, 2003;
[57] Maria E. B. Frediani, “Tempestades Severas”, Universidade de São Paulo, 2003;
[58] Mario F. Triola, “Introdução à Estatística”, Nona Edição, LTC, 2005;
[59] Mario Paolone, “Modeling of Lightning-Induced Voltages on Distribution Networks for the Solution of Power Quality Problems, and Relevant Implementation in a Transient Program”, Tese de Ph.D., Universidade de Bolonha, Itália, 2001;
[60] Miriam Dora Chávez Lope, “Análise Probabilística de Variações de Tensão de Curta Duração em Redes de Distribuição”, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal do Maranhão, 2005;
[61] Mónica I. N. Patiño, Eduin J. G. Arbelaez, “Evaluacion de las Sobretensiones Producidas en Una Línea de Transmisión ante una Descarga Atmosférica Directa Mediante Simulación en Emtp-Atp”, Universidad de Antioquia, Medellín, Colômbia, 2001;
[62] Mustafa Kizilcay, “Power System Transients and Their Computation”, Universidade de Ciências Aplicadas de Osnabrück, Alemanha, 2000;
[63] N. Metropolis, S. Ulam, "The Monte Carlo Method", Journal of the American Statistical Association, volume 44, número 247, 1949;
[64] Norma Brasileira NBR 6936/1992, “Técnicas de Ensaios Elétricos de Alta-Tensão”, Associação Brasileira de Normas Técnicas, ABNT, 1992;
[65] Norma Brasileira NBR 6939/2000, “Coordenação do Isolamento - Procedimento”, Associação Brasileira de Normas Técnicas, ABNT, 2000;
[66] Norma IEEE Std. C57.12.90-1999, “Standard Test Code for Liquid-Immersed Distribution, Power, and Regulating Transformers”, Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., IEEE, 1999;
[67] Nucci C.A., Mazzetti C., Rachidi F., Ianoz M., “On lightning return stroke models for LEMP calculations”, XIX ICLP (International Conference on Lightning Protection), Graz, Austria, Abril 1988;
[68] Nunziante Graziano, “Análise de Confiabilidade e Melhoria da Taxa de Falhas para Cubículos Classe 15 kV”, Disssertação de Mestrado, USP, 2006;
[69] Odim Mendes Jr, Margarete Oliveira Domingues, “Introdução à Eletrodinâmica Atmosférica”, Revista Brasileira de Ensino de Física, vol. 24, no. 1, Março de 2002;
[70] Paolone M., Nucci C.A., Rachidi F., “A New Finite Difference Time Domain Scheme for the Evaluation of Lightning Induced Overvoltage on Multiconductor Overhead Lines”, V ICPST (International Conference on Power System Transient), volume 2, Rio de Janeiro, 2001;
[71] “Parameters of Lightning Strokes: A Review”, Lightning and Insulator Subcommittee of T&D Committee, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 20, No. 1, Janeiro de 2005;
[72] Paulo Futoshi Obase, “Surtos Atmosféricos Transferidos a Rede Secundária via Transformador”, Dissertação de Mestrado, USP, 2004;
[73] Pedro H. M. dos Santos, “Análise de Desempenho Frente a Impulsos Atmosféricos Induzidos em Circuitos de Média Tensão”, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Itajubá, Março, 2007;
[74] Pedro H. Mendonça dos Santos, Manuel L. B. Martinez, “Estudo de Transitórios Eletromagnéticos; Estudo de Tensões Induzidas em Redes de Distribuição; Guia para a Melhoria do Desempenho de Linhas Aéreas de Distribuição quanto a Descargas Atmosféricas”, Laboratório de Alta Tensão da Universidade Federal de Itajubá e AES Eletropaulo, 2004;
[75] “Protection of MV and LV Networks against Lightning”, Joint CIGRE-CIRED Working Group C4.4.02, 2005;
[76] R. H. Golde, “Lightning”, Vol. 1, Academic Press, 1977;
[77] Rachidi F., Nucci C.A., “On the Master, Lin, Uman, Standler and the Modified Transmission Line lightning return stroke current models”, Journal of Geophysical Research 95, 1990;
[78] Ricardo G. de Oliveira Jr., “Proteção de Linhas de Média Tensão Contra Descargas Atmosféricas”, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Itajubá, Agosto, 2008;
[79] Rogério Thomazella, “Implementação Computacional para Avaliar os Níveis de Sobretensões Atmosféricas Induzidas em Linhas de Distribuição”, Dissertação de Mestrado, UNESP Campus Bauru, 2004;
[80] Sérgio W. G. da Silveira, “Um Estudo Sobre os Dispositivos de Localização de Descargas Atmosféricas”, Universidade Federal de Mato Grosso, 2003 [81] “Transitórios Elétricos e Coordenação de Isolamento – Aplicação em Sistemas de Potência de Alta Tensão”, Furnas, 1987;
[82] “Transmission Line Reference Book”, Segunda Edição, EPRI – Electric Power Research Institute, 1982;
[83] Uman M.A., McLain D.K., Krider E.P., “The electromagnetic radiation from a finite antenna”, American Journal of Physics, 1975, Volume 43;
[84] Vic Smith, Venthanar Llango, Sarath Perera, Vic Gosbell, Duane Robinson, “Transient Overvoltages on The Electricity Supply Network – Classification, Causes and Propagation”, Nota Técnica 8, Centro de Confiabilidade e Qualidade de Energia, Universidade de Wollongong, Austrália, 2005;
[85] Vladimir A. Rakov, Martin A. Uman, “Lightning: Physics and Effects”, Cambridge University Press, 2006;
[86] W. Diesendorf, “Insulation Coordination in High-voltage Electric Power Systems”, 1974;
[87] Wikipédia, http://www.wikipedia.org/, Itens pesquisados: Log-normal, Weibull, SQL, Oracle, ArcGIS, Microsoft Access, MiniTAB;
[88] William A. Chisholm, John G. Anderson, Ray Lings, “Lightning Protection of Transmission Lines Above 200 kV”, VIII SIPDA (International Symposium on Lightning Protection), São Paulo, Novembro 2005;
[89] Working Group 01 (Lightning) of Study Committee 33 (Overvoltages and Insulation Co-ordination), “Guide to Procedures for Estimating the Lightning Performance of Transmission Lines,” CIGRÈ, 1991.


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