UNIVERSIDADE DO SUL DE SANTA CATARINA
CLEBER JANDIR DOS SANTOS
DARCI CIDADE JUNIOR
ANÁLISE DE FALHA DO SISTEMA SUPERVISÓRIO DE UNIDADES
GERADORAS HIDRÁULICAS DEVIDO A SURTOS DE DESCARGAS
ATMOSFÉRICAS
Palhoça
2012
CLEBER JANDIR DOS SANTOS
DARCI CIDADE JUNIOR
ANÁLISE DE FALHA DO SISTEMA SUPERVISÓRIO DE UNIDADES
GERADORAS HIDRÁULICAS DEVIDO A SURTOS DE DESCARGAS
ATMOSFÉRICAS
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado
ao curso de Graduação em Engenharia de
Elétrica Telemática da Universidade do Sul de
Santa Catarina, como requisito parcial para
obtenção do grau de Engenheiro Eletricista.
Orientador: Prof. João Luiz Alkaim, Dr. Eng.
Palhoça
2012
CLEBER JANDIR DOS SANTOS
DARCI CIDADE JUNIOR
ANÁLISE DE FALHA DO SISTEMA SUPERVISÓRIO DE UNIDADES
GERADORAS HIDRÁULICAS DEVIDO A SURTOS DE DESCARGAS
ATMOSFÉRICAS
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi
julgado adequado à obtenção do grau de
Engenheiro Eletricista e aprovado em sua
forma final pelo curso de Graduação em
Engenharia Elétrica – Habilitação em
Telemática da Universidade do Sul de Santa
Catarina.
Palhoça, 04 de julho de 2012.
______________________________________________________
Prof. e orientador João Luiz Alkaim, Dr. Eng.
Universidade do Sul de Santa Catarina
______________________________________________________
Paulo Roberto May, Msc. Eng.
Universidade do Sul de Santa Catarina
______________________________________________________
Ronni Márcio Campaner, Msc. Eng.
Supervisor de Campo
Este trabalho dedicamos à Deus, nossos pais,
irmãos, Monyke e Amanda.
AGRADECIMENTOS
A Deus pela existência da Vida, a nossos Pais pelo apoio e incentivo, a nossos
irmãos pela amizade e a nossas namoradas pelo carinho e compreensão.
Ao Professor João Luiz Alkaim, pela competência, paciência e confiança.
Ao Engenheiro Ronni Campaner pela ajuda na escolha do tema, críticas e
sugestões.
A todos os amigos de turma da UNISUL por tudo que passamos juntos ao longo
desses anos.
“Até aqui o Senhor nos ajudou” (1 Samuel 7:12).
RESUMO
Usinas hidrelétricas são estruturas destinadas a geração de energia elétrica, o funcionamento
contínuo de uma UHE é condição desejada para o sistema elétrico prover energia aos
consumidores. O bom funcionamento da usina tornou-se extremamente dependente do
desempenho satisfatório dos sistemas e equipamentos eletrônicos digitais que compõem o
sistema de supervisão e controle. Descargas atmosféricas são fontes de perturbações que
podem afetar o funcionamento de uma usina hidrelétrica. O presente trabalho de conclusão de
curso apresenta um estudo sobre proteção a danos causados em equipamentos eletrônicos do
sistema supervisório de Usinas Hidrelétricas (UHE) e Subestação (SE) devido a surtos de
descargas atmosféricas, apresentado medidas a nível de instalação para minimizar tais danos.
Palavras chave: Descargas Atmosféricas, Usinas Hidrelétricas, Subestações, Sistema
Supervisão e Controle.
ABSTRACT
Hydroelectric power plants are structures designed to generate electricity. The continued
operation of a HPP (Hydroelectric Power Plant) is a desired condition, the proper function of
the plant has become extremely dependent on the performance of digital and electronic
equipments of the supervision and control system. Atmospheric discharges are sources of
disturbance that can affect the operation of a HPP. This paper presents a study on protection
of damage to electronic equipment of the supervisory system of hydropower plants and
substations (SE) due to lightning surges, presenting installation level measures to minimize
such damage.
Keywords: Atmospheric discharges, Hydroelectric Power plants, Substations, Supervision
and Control System
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 – Metodologia do trabalho de conclusão de curso. .................................................... 18
Figura 2 - Distribuição de Cargas Elétricas em uma Nuvem ................................................... 21
Figura 3 – Região no Solo carregado pelo deslocamento da Nuvem ....................................... 22
Figura 4 – Formação do Raio ................................................................................................... 23
Figura 5 – Forma da Onda da Corrente Curva Dupla Exponencial.......................................... 24
Figura 6 – Forma da Onda da Corrente .................................................................................... 25
Figura 7 – Unidade de Geração Hidráulica .............................................................................. 27
Figura 8 – Barragem ................................................................................................................. 28
Figura 9 – Complexo de Geração Hidráulica ........................................................................... 29
Figura 10 – Vista Interna da Casa de Força.............................................................................. 29
Figura 11 – Vista Interna da Casa de Força – Turbina e Gerador ............................................ 30
Figura 12 – Vertedouro com comportas abertas ....................................................................... 31
Figura 13 – Vertedouro Soleira ................................................................................................ 32
Figura 14 – Tomada D`Água .................................................................................................... 33
Figura 15 – Subestação ............................................................................................................. 34
Figura 16 – Sistema SCADA.................................................................................................... 36
Figura 17 – Diagrama de Blocos de um PLC ........................................................................... 37
Figura 18 – Mapa de Memória, Entrada/Saída ......................................................................... 37
Figura 19 – Interface de Entrada de Sinais CA/CC .................................................................. 38
Figura 20 – Interface de Entrada analógica por corrente.......................................................... 39
Figura 21 – Estrutura Hierárquica do SSC ............................................................................... 39
Figura 22 – Para-Raios tipo Franklin ....................................................................................... 44
Figura 23 – Para-Raios tipo Gaiola de Faraday........................................................................ 46
Figura 24 – Esferas Rolantes .................................................................................................... 49
Figura 25 – SPDA Híbrido ....................................................................................................... 50
Figura 26 – Blindagem ............................................................................................................. 51
Figura 27 – Cabo Guarda ......................................................................................................... 52
Figura 28 – Tensão de Passo .................................................................................................... 55
Figura 29 – Tensão de Toque ................................................................................................... 55
Figura 30 – Unidade de Geração Hidráulica ............................................................................ 63
Figura 31 – Unidade de Geração Hidráulica – Sistema de Proteção ........................................ 64
Figura 32 – Esquemático – Sistema de Proteção ...................................................................... 64
Figura 33 – Representação Esquemática das Instalações ......................................................... 65
Figura 34 – DDP no Optoacoplador ......................................................................................... 66
Figura 35 – Circuito Equivalente ............................................................................................. 66
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1 - Probabilidade Acumulada de Ocorrência de Corrente de Pico de Descargas
Atmosférica (%). ...................................................................................................................... 26
Gráfico 2 – Valores para Simulação (DDP x Distância). ......................................................... 70
Gráfico 3 – Valores para Simulação (DDP x Secção). ............................................................. 73
Gráfico 4 – Valores para Simulação (DDP x Cabos em Paralelo). .......................................... 76
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Nível de Proteção .................................................................................................... 42
Tabela 2 – Ângulo de Proteção................................................................................................. 45
Tabela 3 – Espaçamento dos Quadrículos ................................................................................ 46
Tabela 4 – Efeito da Altura no Valor do Raio de Atração ....................................................... 48
Tabela 5 – Raio da Esfera Rolante ........................................................................................... 49
Tabela 6 – Resistividade do Solo ............................................................................................. 53
Tabela 7 – Resistividade do Solo em função da umidade ........................................................ 54
Tabela 8 – Constantes do Cobre ............................................................................................... 58
Tabela 9 – Valores para Simulação (DDP x Distância) ........................................................... 68
Tabela 10 – Valores para Simulação (DDP x Distância) ......................................................... 68
Tabela 11 – Valores para Simulação (DDP x Distância) ......................................................... 69
Tabela 12 – Valores para Simulação (DDP x Distância) ......................................................... 69
Tabela 13 – Valores para Simulação (DDP x Distância) ......................................................... 69
Tabela 14 – Valores para Simulação (DDP x Distância) ......................................................... 70
Tabela 15 – Valores para Simulação (DDP x Secção) ............................................................. 71
Tabela 16 – Valores para Simulação (DDP x Secção) ............................................................. 71
Tabela 17 – Valores para Simulação (DDP x Secção) ............................................................. 72
Tabela 18 – Valores para Simulação (DDP x Secção) ............................................................. 72
Tabela 19 – Valores para Simulação (DDP x Secção) ............................................................. 72
Tabela 20 – Valores para Simulação (DDP x Secção) ............................................................. 73
Tabela 21 – Valores para Simulação (DDP x Cabos em Paralelo) .......................................... 74
Tabela 22 – Valores para Simulação (DDP x Cabos em Paralelo) .......................................... 74
Tabela 23 – Valores para Simulação (DDP x Cabos em Paralelo) .......................................... 75
Tabela 20 – Valores para Simulação (DDP x Cabos em Paralelo) .......................................... 75
Tabela 20 – Valores para Simulação (DDP x Cabos em Paralelo) .......................................... 75
Tabela 20 – Valores para Simulação (DDP x Cabos em Paralelo) .......................................... 76
LISTA DE SIGLAS
ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica
CF – Casa de Força
CPU - Unidade Central de Processamento
DDP – Diferença de Potêncial
IHM – Interface Homem Máquina
PLC - Programador Lógico Controlável
SE – Subestação
SPDA – Sistema de Proteção Contra Descargas Atmosféricas
SSC – Sistema de Supervisão e Controle
UHE – Usina Hidrelétrica
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................................. 15
1.1 MOTIVAÇÃO ..............................................................................................................................16
1.2 JUSTIFICATIVA .........................................................................................................................16
1.3 OBJETIVO ...................................................................................................................................16
1.3.1 Objetivo Geral ..........................................................................................................................16
1.3.2 Objetivos Específicos ...............................................................................................................16
1.4 LIMITAÇÕES DO TRABALHO .................................................................................................17
1.5 METADOLOGIA DA PESQUISA ..............................................................................................17
1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO .................................................................................................18
2 REVISÃO LITERÁRIA ............................................................................................................... 19
2.1 DESCARGAS ATMOSFÉRICAS ...............................................................................................19
2.1.1 Conceitos Relevantes ...............................................................................................................19
2.1.2 Histórico....................................................................................................................................20
2.1.3 Formação e Origem dos Raios ................................................................................................21
2.1.4 Tipos de Descargas...................................................................................................................23
2.1.5 Forma de onda da corrente da descarga................................................................................24
2.1.6 Amplitude da Corrente de Descarga ......................................................................................25
2.2 UNIDADE DE GERAÇÃO HIDRÁULICA ................................................................................26
2.2.1 Classificação das Centrais de Geração Hidráulica ...............................................................27
2.2.2 Estruturas de uma Usina Hidrelétrica ...................................................................................27
2.2.2.1 Barragem ................................................................................................................................ 28
2.2.2.2 Casa de Força ......................................................................................................................... 28
2.2.2.2.1 Principais Equipamentos da Casa De Força ......................................................................30
2.2.2.3 Vertedouro.............................................................................................................................. 31
2.2.2.4 Tomada D’Água ..................................................................................................................... 32
2.2.2.5 Subestação .............................................................................................................................. 33
2.3 SISTEMAS DE SUPERVISÃO E CONTROLE..........................................................................35
2.3.1 Sistema de Supervisão e Controle de uma Usina ..................................................................35
2.3.1.1 Programador Lógico Controlável ........................................................................................... 36
2.3.1.2 Entradas e Saídas.................................................................................................................... 38
2.3.2 Estrutura Hierárquica do SSC ...............................................................................................39
3 TECNOLOGIAS DE PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS ................ 41
3.1 SPDA ............................................................................................................................................41
3.1.1 Eficiência do SPDA ..................................................................................................................41
3.1.2 Classificação das Estruturas ...................................................................................................42
3.1.3 Necessidade do SPDA ..............................................................................................................43
3.1.4 Filosofia e Modelos de Incidência ...........................................................................................43
3.1.4.1 Para-Raios tipo Franklin......................................................................................................... 43
3.1.4.1.1 Região de Proteção ..............................................................................................................44
3.1.4.2 Para-raios tipo Malha ou Gaiola de Faraday .......................................................................... 45
3.1.4.2.1 Dimensão dos Quadrículos da Gaiola de Faraday .............................................................46
3.1.4.3 Método Eletrogeométrico ....................................................................................................... 46
3.1.4.3.1 Primeira Metodologia..........................................................................................................47
3.1.4.3.1.1 Raio de Atração ................................................................................................................ 47
3.1.4.3.2 Segunda Metodologia ..........................................................................................................48
3.1.4.3.2.1 Esfera Rolante .................................................................................................................. 48
3.1.4.4 Sistemas Híbridos................................................................................................................... 49
3.1.4.5 Blindagem e Cabo Guarda ..................................................................................................... 50
3.1.4.5.1 Blindagem ............................................................................................................................50
3.1.4.5.2 Cabo Guarda .......................................................................................................................51
3.2 ATERRAMENTO ........................................................................................................................52
3.2.1 Finalidades de Um Sistema de Aterramento .........................................................................52
3.2.2 Resistividade do Solo ...............................................................................................................53
3.2.3 Influência da Umidade ............................................................................................................54
3.2.4 Potencial de Malha...................................................................................................................54
3.2.5 Potencial de Passo ....................................................................................................................54
3.2.6 Potencial de Toque ...................................................................................................................55
3.2.7 Ligação a Terra ........................................................................................................................55
3.2.8 Malha de Aterramento ............................................................................................................56
3.2.8.1 Itens para elaboração do Projeto de Malha de Terra .............................................................. 56
3.2.8.2 Dimensionamento de uma Malha de Terra ............................................................................ 56
3.2.8.3 Escolha da Bitola dos Condutores da Malha .......................................................................... 57
3.2.8.4 Resistência de Aterramento da Malha .................................................................................... 58
3.2.8.5 Potencial de Malha ................................................................................................................. 58
3.2.8.6 Potencial de Passo .................................................................................................................. 59
4
EFEITOS E PERTURBAÇÕES DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS NOS SSCS DE UHES
61
4.1 PERTURBAÇÕES TRANSITÓRIAS E SOBRETENSÕES .......................................................61
4.2 TRANSMISSÃO DAS PERTURBAÇÕES .................................................................................61
4.2.1 Fenômenos de Acoplamento....................................................................................................62
4.3 CABOS .........................................................................................................................................62
4.4 O PROBLEMA DA DESCARGA ATMOSFÉRICA ..................................................................63
4.4.1 Queima de Equipamentos Eletrônicos ...................................................................................65
4.4.2 Representação do Circuito Equivalente.................................................................................66
5 PROPOSTAS DE MITIGAÇÕES CONTRA DANOS NO SSC DE UHES ............................ 67
5.1 SIMULAÇÕES .............................................................................................................................67
5.1.1 Variação da DDP em função da Resistência do cabo variando o comprimento ................68
5.1.2 Variação da DDP em função da Resistência do cabo variando a Bitola .............................71
5.1.3 Variação da DDP em função da resistência associando cabos em paralelo ........................74
6
CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS............................................................................ 77
REFERÊNCIAS .................................................................................................................................. 78
15
1
INTRODUÇÃO
No Brasil, o setor energético é largamente dependente do uso de fontes renováveis,
principalmente da hidroeletricidade.
Em termos de suprimento energético, a eletricidade se tornou uma das formas mais versáteis e
convenientes de energia, passando a ser recurso indispensável e estratégico para o
desenvolvimento socioeconômico do Brasil (ANEEL, 2012). A participação da energia
hidráulica na matriz energética nacional é da ordem de 42%, gerando cerca de 90% de toda a
eletricidade produzida no país (ANEEL, Atlas de Energia Elétrica).
Tendo em vista a importância da Hidroeletricidade, as usinas de geração hidráulica
possuem grande importância no suprimento de energia para o Sistema Interligado Nacional
(SIN).
Com o avanço da tecnologia na chamada era digital, cada vez mais usinas hidrelétricas
fazem uso desta para automação e modernização. Os benefícios advindos do uso de
equipamentos digitais em Usinas Hidrelétricas (UHEs) e Subestações (SEs) já estão bastante
difundidos, o bom funcionamento da usina tornou-se extremamente dependente do
desempenho satisfatório dos sistemas digitais.
Descargas atmosféricas são fontes de perturbações que podem afetar o funcionamento
de uma usina hidrelétrica. As tensões induzidas por descargas atmosféricas constituem-se um
dos mais importantes fenômenos capazes de causar danos aos equipamentos eletrônicos
digitais do sistema de supervisão e controle (SSC) de um complexo de geração hidráulica.
Dessa forma cuidados a nível de instalação nos sistemas de proteção contras descargas
atmosféricas (SPDAs) podem ser tomados para prevenção e minimização destes efeitos e
danos.
16
1.1
MOTIVAÇÃO
O funcionamento contínuo de uma UHE é condição desejada para o
aproveitamento de seu potencial. Para essa condição se faz necessário que o sistema
supervisório esteja sempre funcionando e imune a falhas que possa tirar a UHE de
funcionamento. Dessa forma procurou-se estudar medidas que possam minimizar “quedas” no
sistema devido à surtos de tensão provocados por descargas atmosféricas.
1.2
JUSTIFICATIVA
O trabalho justifica-se pela tendência cada vez maior da evolução dos sistemas de
automação em usinas hidrelétricas, e uso de equipamentos eletrônicos sensíveis a surtos
de tensão.
Há registros de casos de interrupção na geração de energia, devido a falhas no sistema
supervisório proveniente de surtos de tensão causados por descargas atmosféricas.
Neste contexto, medidas para mitigações se fazem necessárias para a geração contínua
de energia.
1.3
1.3.1
OBJETIVO
Objetivo Geral
Estudar medidas a nível de instalação para minimizar danos em equipamentos
eletrônicos do SSC em UHE, provocados por descargas atmosféricas.
1.3.2
Objetivos Específicos
a. Aprofundamento do estudo de UHE; SE, Casa de Força e SSC;
b. realizar o estudo de Descargas Atmosféricas;
c. levantamento de tecnologias de Proteção contra Descargas Atmosféricas
(SPDA);
d. pesquisar efeitos e perturbações de descargas atmosféricas em SSCs de
UHEs;
17
e. buscar forma de mitigação de danos em equipamentos eletrônicos do SSC
em UHE.
1.4
LIMITAÇÕES DO TRABALHO
Este trabalho está limitado a descrever medidas para minimizar danos em
equipamentos eletrônicos do sistema supervisório de UHEs e SEs causados por surtos de
tensão proveniente de descargas atmosféricas, analisando soluções a nível de instalações,
desprezando os efeitos da parte reativa dos elementos passivos do circuito, considerando
apenas a parte resistiva das impedâncias envolvidas.
1.5
METADOLOGIA DA PESQUISA
Esta monografia contemplará um estudo teórico de revisão literária dos aspectos
relacionados a descargas atmosféricas, tecnologias de proteção contra essas descargas e seus
efeitos em UHE, e estruturas de uma UHE e seu sistema supervisório.
Será realizada uma análise dos efeitos proveniente de uma descarga atmosférica
em uma UHE, fazendo uso da revisão literária.
Com base nas análises e simulações realizadas serão apresentadas medidas, a
nível de instalação para minimizar danos em equipamentos eletrônicos do sistema
supervisório em UHEs.
18
Figura 1 – Metodologia do trabalho de conclusão de curso.
Fonte: Elaboração dos Autores, 2012
1.6
ESTRUTURA DO TRABALHO
Esta monografia está dividida em seis partes. Na primeira parte foi elaborada a
contextualização do tema, com a motivação, justificativa, objetivo, limitações do trabalho e
metodologia. Em seguida é abordada a fundamentação teórica que envolve descargas
atmosféricas, unidade de geração hidráulica e sistema de supervisão e controle.
Na terceira parte serão apresentadas tecnologias de proteção contra descargas
atmosféricas e seus efeitos em UHEs.
O quarto item apresenta os efeitos de descargas atmosféricas em uma UHE, e na
sequencia serão apresentadas medidas para mitigações a danos causados em equipamentos
eletrônicos do SSC. Finalizando serão apresentadas as considerações finais, conclusões e
sugestões para trabalhos futuros.
19
2
REVISÃO LITERÁRIA
Neste capitulo será feito uma revisão literária de conceitos que serão abordados neste
trabalho.
2.1
DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
A descarga atmosférica, também conhecida como raio, consiste numa intensa
descarga elétrica que ocorre na atmosférica. Trata-se de um fenômeno complexo, que
expressa através do fluxo de uma corrente impulsiva de alta intensidade e curta duração.
(VISACRO FILHO, 2005, p. 18).
a. Conceitos Relevantes;
b. histórico;
c. formação de Cargas nas Nuvens;
d. formação de Raios;
e. tipos de Descargas;
f. forma de Onda da Corrente da Descarga;
g. forma da Onda de Corrente pela Curva Dupla Exponencial;
h. amplitude da Corrente de Descarga.
2.1.1
Conceitos Relevantes
A fim de tornar mais claros alguns conceitos recorreu-se, às informações
constantes em Visacro Filho (2005, p. 59), como segue:
a) raio ou descarga atmosférica: conceito amplo correspondente ao fenômeno
integral envolvido na evolução e fechamento do canal de descarga, incluindo o fluxo
da(s) corrente(s) de retorno e as demais manifestações elétricas, visuais e sonoras;
b) relâmpago: efeito luminoso perceptível visualmente, decorrente do aquecimento
do canal de descarga devido ao fluxo da corrente de retorno pelo canal;
c) trovão: efeito sonoro relacionado à descarga atmosférica. É causado pelo brusco
deslocamento de ar circunvizinho ao canal de descarga, que se expande em
decorrência do aquecimento gerado pelo fluxo da corrente no canal;
d) descarga elétrica: fluxo de cargas a partir de um objeto carregado eletricamente.
Pode corresponder a processo disruptivo em meio isolante (tipo faísca) ou ao
simples descarregamento através do meio condutor. O termo é algumas vezes
empregado para designar o fenômeno descarga atmosférica. Tal emprego não é
considerado adequado, pois não confere caráter de especificidade ao significado de
descarga elétrica;
e) canal precursor de descarga: corresponde ao canal ionizado que evolui por passos,
da ordem de 50m, correspondentes a descargas elétricas (rupturas) sucessivas no ar,
que ocorrem a cada intervalo da ordem de 50µs. A evolução do canal pode fechar
um percurso ionizado entre nuvem e solo (no caso de descargas nuvem-solo), que é
seguido pelo fluxo da corrente de retorno pelo canal formado. Pode ter seu percurso
20
predominantemente ascendente, recebendo nesse caso respectivamente a designação
de canal ascendente ou descendente;
f) canal descendente: refere-se a um canal ionizado configurado a partir da disrupção
do ar e que se propaga descendentemente a partir da nuvem de tempestade. O canal
se constitui através de descargas elétricas sucessivas, que ocorrem por passos a
partir da nuvem, e evolui em direção ao solo. Seu percurso preferencial tem a
direção vertical, embora apresente tortuosidades, e pode incluir ramificações;
g) canal ascendente: refere-se a um canal ionizado, configurado a partir da disrupção
do ar, que se propaga ascendentemente a partir do solo. O canal se constitui através
de descargas elétricas sucessivas, que ocorrem por passos, e evolui ascendendo
numa direção predominantemente vertical;
h) canal de descarga: canal ionizado correspondente ao percurso integral que
conecta os pontos entre os quais ocorre a descarga. Possui um núcleo ionizado, de
boa condutividade, cujo raio é da ordem de alguns centímetros. O núcleo é envolto
por um envelope de Corona de vários metros, onde ficam acumuladas as cargas
elétricas. O canal é constituído quando, eventualmente, o canal precursor
descendente encontra um canal precursor ascendente, ao fechar o percurso de
descarga através de um salto final. A conexão desses canais resulta no fluxo da
corrente de retorno pelo canal de descarga constituído. No caso da descarga nuvemsolo, o percurso tem a ordem de vários quilômetros entre a nuvem e o solo;
i) corrente de retorno: corrente que flui pelo percurso ionizado correspondente ao
canal de descarga após o seu fechamento e que corresponde ao descarregamento
deste. Tal corrente é constituída basicamente pela neutralização das cargas
armazenadas no envelope de Corona que envolve o núcleo do canal de descarga;
n) canal piloto de descarga: canal estabelecido junto a um eletrodo ou na
extremidade de um canal ionizado (ascendente e descendente), o qual precede a
formação do salto da descarga elétrica plena;
q) descarga atmosférica plena: referência à descarga atmosférica no sentido mais
restrito a fase de fluxo das correntes de retorno. Corresponde ao conjunto de
descargas de retorno envolvidas após o fechamento do canal. Assim, a descarga
plena pode ser constituída de uma ou mais descargas pelo canal, dependendo da
existência de descargas subsequentes;
r) descarga de retorno: evento associado ao fluxo da corrente de retorno
correspondente a uma descarga elétrica pelo canal de descarga. Uma descarga
atmosférica plena pode incluir várias descargas de retorno ou uma única descarga de
retorno;
s) primeira descarga de retorno: primeira descarga de retorno de uma descarga
atmosférica plena;
t) descarga(s) de retorno subsequente(s): conjunto de descargas de retorno
subsequente(s) à primeira descarga de retorno de um flash, ou uma destas descargas
de retorno;
u) descarga direta: refere-se ao evento associado à incidência de uma descarga
diretamente sobre uma vítima (ser, estrutura, objeto, etc.);
v) descarga indireta, lateral ou próxima: refere-se ao evento associado a uma
descarga que incide próxima à vítima (ser, estrutura ou sistema afetado), que pode
ser capaz de gerar efeitos na mesma, em decorrência dos campos eletromagnéticos
gerados.
2.1.2
Histórico
“Na antiguidade, o raio estava sempre associado a deuses e divindades, sendo
fartamente apresentado na literatura grega de 700 A.C., onde os registros mitológicos
mostram Zeus como sendo o deus do raio.” (KINDERMANN, 1997, p. 3).
No século XVIII Benjamin Franklin e Romas, mostraram através de uma pandorga,
a existência de cargas elétricas nas nuvens. A experiência foi feita durante uma
21
tempestade, onde uma pipa foi içada conectada com um fio condutor. Franklin
registrou que sentiu pequenas descargas elétricas intermitentes pelo seu corpo.
(KINDERMANN, 1997, p. 4).
Atualmente os estudos feitos sobre descargas atmosféricas utilizam métodos mais
sofisticado dentro de laboratório preparados para estes casos, com possibilidades de fotografar
o efeito do raio para obter melhores resultados.
2.1.3
Formação e Origem dos Raios
As formações dos raios se originam da quebra de rigidez dielétrica ou da capacidade
isolante do ar. A quebra de rigidez do ar ocorre quando o campo elétrico é suficiente
para ionizar os átomos do ar e acelerar os elétrons a ponto de produzir uma descarga.
Medidas em laboratório estimam que para que a quebra de rigidez do ar ocorra
dentro da nuvem, campos elétricos devem ser da ordem de um milhão de V/m.
(INSTITUTO NACIONAL DE PESQUISA ESPACIAIS, 2011).
Segundo Visacro (2005), as dimensões das nuvens são elevadas e variam em uma
faixa ampla. Seus diâmetros têm a ordem de 10km, com base e o topo alcançados altitudes
compreendidas, respectivamente, entre 1 e 20km. Nuvens cuja base e topo se posicionam
entre altitudes de 2 e 12km são relativamente comuns, a carga espacial positiva, contida nessa
região praticamente iguala a carga negativa da terra (~-500.000C).
Figura 2 - Distribuição de Cargas Elétricas em uma Nuvem
Fonte: Visacro Filho (2005)
Em toda sua extensão, a nuvem é composta por regiões ionizadas eletricamente. A
base da nuvem apresenta uma camada de cargas negativas, e de espessura
tipicamente delimitada por uma faixa de altitudes, cujas temperaturas estão
compreendidas entre -10ºC e -20ºC. Já cargas positivas estão dispersas na região
superior da nuvem, em volume bem mais amplo. Na parte inferior da nuvem, abaixo
da camada negativa, podem se encontrado alguns pequenos bolsões de cargas
22
positivas. A distribuição de cargas na região interior à nuvem é responsável pela
existência de campos elétricos intensos, que determinam valores elevadíssimos de
diferença de potencial entre os centros de cargas positivas e negativas, que podem
alcançar valores superiores a 200MV. (VISACRO, 2005, p. 33).
Para que ocorra um raio é necessário que existam cargas opostas, sejam elas entre
nuvens ou nuvens e terra, quando ocorre este fato temos uma atração muito forte causando
uma descarga atmosférica.
Para Kindermann (1997), a nuvem carregada, induz no solo cargas positivas que
ocupam uma área correspondente ao tamanho da nuvem. Como a nuvem é arrastada pelo
vento, a região de cargas positivas no solo acompanha o deslocamento da mesma formando
praticamente uma sombra de cargas positivas que segue a nuvem. As sombras ocasionadas
pelas nuvens percorrem árvores, pessoas, pontes, edifícios, etc.
Figura 3 – Região no Solo carregado pelo deslocamento da Nuvem
Fonte: Kindermann (1997)
Como visto acima, há diferenças de potencial entre nuvem e a terra, para que ocorra
a descarga não é necessário que o gradiente da tensão (campo elétrico) seja superior
à rigidez dielétrica de toda a camada de ar entre a nuvem e o solo, basta que o
campo elétrico seja bem menor. Entre nuvem terra contém grande quantidade de
impurezas, umidade e ar ionizado, estes fatores tornam este meio enfraquecido e um
campo elétrico menor, tornando suficiente para que o raio consiga perfurar o ar e
descarregar na terra. (KINDERMANN, 1997, p. 11).
O processo de descarga acontece gradativamente, iniciando por pequenos caminhos de
ar ionizados, aonde estes vão aos poucos perfurando a camada de ar até chegar ao solo.
A queda do raio se dá devido ao fato da camada de ar, durante uma tempestade, estar
“enfraquecida”. Primeiramente pequenos túneis de ar ionizados ficam, pelo poder
das pontas, com alta concentração e de cargas, que vão, aos poucos, furando a
camada de ar a procura de caminhos de menor resistência, isto é, os tuneis
23
ionizados, tentando se aproximar das cargas positivas do solo. Nota-se que os galhos
das árvores formam pontas, que acumulam cargas elétricas, propiciando assim a
ionização do ar. (KINDERMANN, 1997, p. 12).
Figura 4 – Formação do Raio
Fonte: Kindermann (1997)
Quando os dois caminhos estão muito pertos, a rigidez do ar é vencida, assim formase o raio piloto (líder), liberando parte da carga contida na nuvem para o solo. O raio
piloto interliga a nuvem e a terra por um canal de ar ionizado, com baixa resistência.
Deste modo ocorre o raio principal, ou descarga de “retorno” que vai da terra para a
nuvem através do túnel ionizado. Estas descargas formam o chamado raio, que
acontece em frações de micro-segundos, dando a impressão da existência de apenas
uma descarga. (KINDERMANN, 1997, p. 13).
2.1.4
Tipos de Descargas
De acordo com Visacro Filho (2005) existem basicamente dois tipos de descargas
atmosféricas, que são classificadas de acordo com o trajeto percorrido pela corrente elétrica.
As descargas em nuvem são aquelas que se iniciam dentro da nuvem. O destino final de tal
descarga pode estar dentro da própria nuvem, sendo chamada neste caso de descarga intranuvem; pode estar em outra(s) nuvem(ns) (descarga nuvem-nuvem) ou o destino final pode
estar fora da nuvem, mas sem atingir o solo e sem atingir outra nuvem, ou seja, são descargas
para o ar.
24
A segunda classificação possível faz referência às descargas entre nuvem e solo,
que pode ser do tipo nuvem-solo ou de solo-nuvem, conforme o sentido do movimento da
carga que a origina. Então o raio pode ter início na superfície da nuvem ou no chão.
Segundo Instituto Nacional de Pesquisa Espacial (INPE) maioria dos relâmpagos
no solo são raios nuvem-solo. Raios como solo-nuvem são raros, geralmente, ocorrem no topo
de montanhas ou estruturas altas. Grande parte dos relâmpagos do tipo nuvem-solo e solonuvem que ocorrem em nosso planeta são negativos.
Cerca de 70% do total de raios são do tipo intranuvem. Embora eles sejam a maioria
dos raios, são menos conhecidos que os raios no solo, em parte porque eles são
menos perigosos e porque são escondidos pela nuvem. Raios intranuvem são
normalmente visíveis apenas como um clarão no céu. Em geral, o canal inicia-se na
região inferior de cargas negativas com diversas ramificações horizontais,
propagando-se então para cima em direção à região de cargas positivas, onde
novamente ramifica-se horizontalmente, embora em alguns casos possa se iniciar na
parte superior da nuvem e se propagar para baixo, sendo denominados raios
intranuvem invertidos. (INSTITUTO NACIONAL DE PESQUISA ESPACIAIS,
2011).
2.1.5
Forma de onda da corrente da descarga
“A corrente elétrica do raio é alternada, e nos trechos nos quais é aparentemente
contínua, ela é na realidade contínua-pulsante, ou seja, a corrente varia muito rapidamente no
tempo.” (KINDERMANN, 1997, p. 22).
A onda constitui-se na soma de duas ondas exponenciais de sinais contrários e
constantes de tempo de valor muito diferente, no instante inicial, ambas as ondas
têm a mesma amplitude, resultando em um valor nulo para a soma. Enquanto a onda
positiva se atenua lentamente no tempo, muito rapidamente, a onda negativa se
anula, e a soma resultante tem o aspecto impulsivo, indicado pela linha mais espessa
na figura abaixo. (VISACRO FILHO, 2005, p. 78).
Figura 5 – Forma da Onda da Corrente Curva Dupla Exponencial
Fonte: Visacro Filho (2005)
25
Alguns termos importantes citados por Kindermann (1997) em relação à forma de
onda:
Frente onda - Corresponde ao período da subida da corrente ou tensão do raio. A
frente da onda corresponde à ação fulminante do raio. Valor estimado de 1,2 µs.
Valor de Crista – É o valor máximo alcançado pela corrente ou tensão do raio.
Cauda do Raio - Corresponde à forma do raio, desde o valor de crista até o final
do raio. Este período é longo e suave. Valor aproximado de 200 µs.
Período ou tempo de Meia Cauda – É o tempo em que a cauda atinge o valor de
meia crista. Este valor corresponde a 50 µs.
Figura 6 – Forma da Onda da Corrente
Fonte: Kindermann (1997)
2.1.6
Amplitude da Corrente de Descarga
Caracteriza-se o valor de crista ou de pico como a amplitude da corrente de
descarga, isto é, o máximo valor que a corrente atingi em uma descarga.
Segundo guia de estudo do IEEE-1243, descargas com correntes acima de 110 kA
são raras, ou seja, menos de 1% das correntes de pico das descargas atingem valores
superiores a 110 kA. A probabilidade de ocorrer uma descarga com corrente de pico superior
a 200 kA é praticamente nula.
26
Gráfico 1 - Probabilidade Acumulada de Ocorrência de Corrente de Pico de Descargas
Atmosférica (%).
Fonte: IEEE-1243 (1997)
2.2
UNIDADE DE GERAÇÃO HIDRÁULICA
“Uma usina hidrelétrica pode ser definida como um conjunto de obras e
equipamentos cuja finalidade é a geração de energia elétrica, através de aproveitamento do
potencial hidráulico existente em um rio.” (FURNAS, 2012).
“O potencial hidráulico é proporcionado pela vazão hidráulica e pela concentração dos
desníveis existentes ao longo do curso de um rio.” (FURNAS, 2012).
Basicamente, uma usina hidrelétrica compõe-se das seguintes partes (FURNAS,
2012):
a.
Barragem;
b.
sistemas de captação e adução de água;
c.
Casa de Força;
Cada parte se constitui em um conjunto de obras e instalações projetadas
harmoniosamente para operar, com eficiência, em conjunto.
a. Classificação das Centrais Hidráulicas;
b. estruturas de Uma Usina Hidrelétrica;
c. subestação.
27
2.2.1
Classificação das Centrais de Geração Hidráulica
As centrais de geração hidrelétrica podem ser classificadas como Minicentral
Hidrelétrica, Pequena Central Hidrelétrica (PCH) e Usina Hidrelétrica (UHE).
Segundo Zulcy de Souza (2009) a Agencia Nacional de Energia Elétrica - ANEEL
em sua resolução 652, publicada no diário Oficial da União, estabelece os seguintes critérios
para enquadramento de aproveitamento hidroelétrico Para Pequena Central Hidrelétrica.
• Potência de aproveitamento superior 1000 kW e Inferior a 30 kW, destinado à
produção independente, autoprodução ou produção independente autônoma.
• Ter área do reservatório delimitada pelo nível de água máximo normal igual ou
inferior a 13km².
“Minicentral Hidrelétrica são centrais Hidrelétricas em que a potência do
aproveitamento é menor ou igual a 1000 kW.” (ZULCY DE SOUZA, 2009, p. 19).
“Usinas Hidrelétricas (UHE) são centrais com potência maior ou igual a 30
MW.” (ZULCY DE SOUZA, 2009, p. 19).
2.2.2
Estruturas de uma Usina Hidrelétrica
Figura 7 – Unidade de Geração Hidráulica
Fonte: Documentação Interna Engevix
28
2.2.2.1 Barragem
A barragem é a estrutura (concreto, enrocamento e terra) que serve para represar a
água e obter o desnível de 120 m (queda bruta nominal) que permite a operação das
turbinas. Na parte superior da barragem principal, estão situadas as tomadas de água,
estruturas com comportas que permitem que a água, passando por elas e pelos
condutos forçados, alcance a caixa espiral, onde faz a turbina girar. (ITAIPU, 2012).
Figura 8 – Barragem
Fonte: Elaboração dos Autores, 2012.
A barragem em um aproveitamento hidroelétrico tem as seguintes finalidades
principais (ENGEVIX)1:
a. Elevar o nível do rio para acumulação de água e formação de potencial enérgético
(queda);
b. criar um reservatório para regularização da vazão;
c. conduzir a água para um túnel, ou canal de adução (para o caso de usinas a fio
d’água).
2.2.2.2 Casa de Força
Para Affonso Vianna (2000), a casa de máquinas é o local onde são instalados as
máquinas motrizes e os geradores. Geralmente abriga uma área destinada aos serviços de
1
Documentação Interna Engevix Engenharia S/A
29
manutenção e instalação dos quadros de medição e de comando e dos circuitos de proteção. A
casa de máquinas é uma construção para abrigo do sistema gerador de energia elétrica e deve
ser compatível com as máquinas ali instaladas.
Figura 9 – Complexo de Geração Hidráulica
Fonte: Elaboração dos Autores, 2012.
“As dimensões da casa de máquinas são determinadas em função das medidas do
conjunto gerador. É usual providenciar-se uma folga equivalente a 70% dos maiores
tamanhos horizontais do grupo gerador, e uma folga de 50% com relação á maior dimensão
vertical.” (AFFONSO VIANNA, 2000).
Figura 10 – Vista Interna da Casa de Força
Fonte: Arquivo pessoal, 2012.
30
2.2.2.2.1 Principais Equipamentos da Casa De Força
De acordo com Zulcy de Souza (2009) os Grupos Geradores são o coração dos
complexos Hidrelétricos, uma vez que respondem, diretamente, pelas transformações e
qualidade da energia, e pela estabilidade e segurança operacional dos sistemas que conduzem
e suportam as massas energéticas.
Figura 11 – Vista Interna da Casa de Força – Turbina e Gerador
Fonte: Documentação Interna Engevix
Um Grupo gerador é basicamente constituído por Turbina Hidráulica e Gerador
Elétrico.
Classificação de Turbinas Hidráulicas (ZULCY DE SOUZA, 2009, p.312)
Podem ser classificadas em dois tipos:
• Turbina Hidráulica de Ação – Quando o escoamento através do rotor ocorre sem
variação da pressão estática. Dentro das principais turbinas de Ação Temos a Peltron e
a Michell-Banki. A Peltron opera em quedas relativamente altas podem chegar a mais
de 150MW e queda da ordem de 1900 m. Já a Michell-Banki pode alcançar potência
de no máximo, 2 MW por unidade.
• Turbina Hidráulica de Reação – Quando o escoamento através do rotor ocorre com
variação de pressão estática. Dentro das principais turbinas de reação temos a Francis
e a Kaplan. A Francis é a que pode alcançar as maiores potências da ordem de 850
MW. A tipo Kaplan são aplicadas em quedas até valores em torno de 70m.
31
Classificação dos Geradores Elétricos (ZULCY DE SOUZA, 2009, p.360)
Os Geradores ou Hidrogeradores podem ser classificados como síncronos ou
assíncronos.
•
Geradores Síncronos – São máquinas elétricas que trabalham com velocidade
constante e igual à velocidade síncrona. São capazes de produzir tanto energia
ativa quanto energia reativa.
•
Geradores Assíncronos – São máquinas elétricas que trabalham com rotações
levemente diferentes da rotação síncrona. Por não possuírem um enrolamento de
campo propriamente dito, são capazes de produzir somente potência ativa.
2.2.2.3 Vertedouro
O vertedouro tem a função de descarregar o excesso de água do reservatório.
Deve ser dimensionado para que em nenhuma hipótese, mesmo durante a cheia máxima
provável, o nível de água do reservatório atinja a crista da barragem. (ENGEVIX)2.
Figura 12 – Vertedouro com comportas abertas
Fonte: Documentação Interna Engevix
“Em usinas de baixas descargas, o vertedouro consiste numa soleira com crista
arredondada situada numa determinada elevação. Toda vez que o nível da represa exceder o
2
Documentação Interna Engevix Engenharia S/A
32
nível da soleira, o excedente de água escoa para jusante. Este tipo de vertedouro, no entanto
tem capacidade limitada de escoamento.” (ENGEVIX)3.
Figura 13 – Vertedouro Soleira
Fonte: Documentação Interna Engevix
“Para rios com altos níveis de vazões são usados vertedouros munidos de
comportas o que permite variar a vazão escoada através do vertedouro sem que haja variações
no nível do reservatório.” (ENGEVIX)³.
2.2.2.4 Tomada D’Água
“A tomada d’água tem finalidade de captar a água para conduzi-la às turbinas
possuem comportas que tem a função de bloquear o fluxo de água das turbinas em caso de
paradas para manutenção ou mesmo em caso de emergência (disparo, ruptura do conduto
forçado etc.), ao menos que exista uma válvula de emergência na entrada da turbina. São
geralmente planas, do tipo Vagão.” (ENGEVIX)³.
3
Documentação Interna Engevix Engenharia S/A
33
Figura 14 – Tomada D`Água
Fonte: Itaipu
2.2.2.5 Subestação
“São pontos de junção de várias linhas de transmissão ou distribuição. Com
frequência, constituem uma interface entre dois subsistemas. Em um complexo de geração
hidráulica a Subestação tem a função de ligar o Gerador através de seu Transformador
elevador, ao sistema de transmissão”. (ZULCY DE SOUZA, 2009, p.390)
“Existem dois tipos de subestação: subestações de transmissão com tensões
nominais de 170 kV até 800 kV, e subestações de distribuição que baixam a tensão de 170 kV
para o nível de média tensão exigido pelo cliente”. (ABB, 2012).
34
Figura 15 – Subestação
Fonte: Arquivo Pessoal
As subestações possuem três funções básicas (ENGEVIX)4:
a. Medição, supervisão, proteção, controle e comando – permitindo manobrar partes do
sistema, inserindo ou retirando-as de serviço (parque de chaveamento);
b. elevar ou reduzir tensões do sistema, feito por meio de transformadores (parque de
transformação).
c. regular tensões do sistema através do emprego de equipamentos de compensação tais
como reatores, capacitores, compensadores estáticos, etc. (parque de regulação).
“Existem vários os arranjos ou topologias de barramentos encontradas nas
subestações de transmissão, sub-transmissão e distribuição, constituindo-se em configurações
básicas do tipo” (ENGEVIX) 5:
a. Barramento simples;
b. duplo barramento simples;
c. barramento simples seccionado;
d. barramento principal e de transferência;
e. barramento duplo com um disjuntor;
f. barramento duplo com disjuntor duplo;
4
5
Documentação Interna Engevix Engenharia S/A
Documentação Interna Engevix Engenharia S/A
35
g. barramento duplo de disjuntor e meio;
h. barramento em ANEEL.
“A denominação arranjo é usada para as formas de se conectarem entre si as
linhas, transformadores e cargas de uma subestação.” (ENGEVIX) 6.
2.3
SISTEMAS DE SUPERVISÃO E CONTROLE
Um dos sistemas que pode ser afetado por uma descarga atmosférica é o Sistema
de Supervisão e Controle SSC.
O Sistema de Supervisão e Controle (SSC) é o responsável por monitorar e controlar
sistemas, os quais são compostos de variáveis que tenha finalidade de dar
continuidade a algum processo. As variáveis são aquisitadas através de
equipamentos elétricos, tais como: disjuntores, relés, sensores, etc. O SSC destaca
muitas vantagens, como maior desempenho na produção, operações automatizadas,
supervisão e comando a distância, redução do tempo de manutenção pela maior
facilidade em detectar o defeito. (JARDINI, 1996, p. 31).
a. Sistema de Supervisão e Controle de uma UHE;
b. programador lógico controlável (PLC);
c. entrada e saídas;
d. estrutura hierárquica do SSC.
e.
2.3.1
Sistema de Supervisão e Controle de uma Usina
Segundo Zulcy de Souza (2009) dentro de uma visão mais ampla, a supervisão de
uma usina é abordada considerando dois níveis básicos: sistema de medição e de
monitoramento.
O sistema de medição é uma evolução para os sistemas de monitoramento, onde
estes fornecem subsídios para a automação e o controle de uma Usina, tais como o sistema
SCADA – Supervisory Control and Data Acquisition System. Nesta concepção, grandezas
elétricas e mecânicas são tomadas em pontos estratégicos que permitirão traçar um completo
diagnóstico do comportamento da usina. Um sistema de monitoramento traz grandes
vantagens tais como: baixo custo, confiabilidade, repetibilidade das medidas, fácil instalação
e manutenção, transparência para máquina e reinicialização automática.
6
Documentação Interna Engevix Engenharia S/A
36
Figura 16 – Sistema SCADA
Fonte: Mecatrônica Atual, 2012.
Em comissionamentos de usinas, muitas vezes o operador necessita de uma
interface direta no local onde os processos são aquisitados, neste caso utiliza uma interface
homem máquina – IHM.
Todas as medidas podem ser sintetizadas utilizando-se uma IHM, que é uma
representação resumida da usina, mostrando no monitor de vídeo de um computador
o estado atual de todos os pontos monitorados, através da IHM também é possível
comandar todos os sistemas da usina. Além das medições, um sistema de
monitoramento, já com funções de controle, também pode ser utilizado para cumprir
certas tarefas dentro da usina, como, por exemplo, comando, sinalização, alarme,
registro de sequencia de eventos, intertravamentos e bloqueio de função, controle de
potencia ativa e reativa, sincronização, autodiagnose, partida e parada automáticas.
(ZULCY DE SOUZA, 2009, p.388).
Todas as funções citadas são armazenadas em um programador lógico controlável
(PLC).
2.3.1.1 Programador Lógico Controlável
O PLC é o equipamento capaz de efetuar controles diversos alem de lógicas.
Para melhor compreensão do que seja um PLC e do seu funcionamento,
SILVEIRA (1998) apresenta alguns conceitos associados, os quais são de fundamental
importância que sejam assimilados:
37
Variáveis de entrada: são sinais externos recebidos pelo PLC, os quais podem ser
oriundos de fontes pertencentes ao processo controlado ou de comando gerado pelo operado.
Variáveis de saída: são dispositivos controlados por cada ponto de saída do PLC.
Tais pontos podem servir para intervenção direta no processo controlado por acionamento
próprio, ou também para sinalização de estado em sinal sinótico.
“Um PLC é composto por dois elementos principais: uma CPU (Unidade Central
de Processamento) e interface para os sinais de entrada e saída.” (SILVEIRA, 1998, p. 83).
Figura 17 – Diagrama de Blocos de um PLC
Fonte: Silveira, 1998.
Para Silveira (1998, p. 83) “A Unidade Central de Processamento pode ser
encarada como o “cérebro” que controla todas as ações de um PLC e é constituída por um
processador, memórias e um sistema de interligação.”
É na área dedicada às entradas e saídas do PLC que se encontram as informações
referentes ao estado de cada um dos dispositivos ligados a ele. Na figura abaixo se
pode verificar um exemplo de como é constituída uma área de memória para
entradas/saída. Observa-se que a chave fechada da entrada ocasiona a transição para
nível lógico 1 do seu respectivo bit na memória, assim como a colocação em nível 1
de um bit de saída leva, por exemplo, ao acendimento de uma lâmpada que esteja
ligado na saída. (SILVEIRA, 1988, p.88).
Figura 18 – Mapa de Memória, Entrada/Saída
Fonte: Silveira, 1998.
38
2.3.1.2 Entradas e Saídas
O sistema de entrada/saída realiza a conexão física entre a CPU e o mundo
externo por meio de vários tipos de circuitos de interfaceamento.
Silveira (1988) cita tipos de interfaces discretas, onde a informação consiste em
um único bit cujo estado pode apresentar duas possíveis situações: ligado ou desligado
(conceito característica discreta), em seguida alguns exemplos:
a) Entradas digitais: Chave seletora, chave fim de curso, contato de partida, sensores
de proximidade, contatos de relés.
b) Saídas digitais: Solenoides, partidas de motores, ventiladores, lâmpadas, sirenes.
Figura 19 – Interface de Entrada de Sinais CA/CC
Fonte: Silveira, 1998.
“As interfaces com dispositivos de entrada/saída discretos são disponíveis em
vários níveis de tensão CA ou CC, tais como: 12 Vcc, 24 Vcc, 110 Vca, 220 Vca.”
(SILVEIRA, 1998, p. 90).
O controle analógico passou também a integrar nos processadores do PLC. De
acordo com Silveira (1998) o PLC é composto por um circuito conversor analógico-digital ou
digital-analógico conforme o caso. Abaixo alguns dispositivos numéricos de entrada e saída
com características analógicas:
a) Entradas analógicas: Transdutores de tensão e corrente, transdutores de
temperatura, transdutores de fluxo.
b) Saídas analógicas: Válvula analógica, acionamentos de motores DC,
controladores de potencia, medidores analógicos.
39
As interfaces com dispositivos de entrada/saída analógicas são disponíveis em
vários faixas de tensão ou corrente, alguns exemplos:
a) Corrente CC: 0 a 20 mA e 4 a 20 mA
b) Tensão CC: 0 a 1V e 0 a 5V
Figura 20 – Interface de Entrada analógica por corrente
Fonte: Silveira, 1998.
2.3.2
Estrutura Hierárquica do SSC
Para entender a complexidade de um sistema de controle e automação é preciso
construir um exemplar bem definido do mesmo, modelando o SSC através da divisão em
níveis (ou camadas) hierárquicos. A divisão do sistema nesses níveis também é chamada de
arquitetura do sistema de controle.
Figura 21 – Estrutura Hierárquica do SSC
Fonte: Consultoria e Análise, 2012.
40
Conforme a IEEE (1991), a estrutura hierárquica de um sistema de controle é
concebida basicamente em três níveis:
a) Nível hierárquico 0
O nível hierárquico 0 é conhecido como o nível do processo, nele é incluído os
equipamentos e dispositivos como disjuntores, seccionadoras, elementos de aquisição de
sinais (sensores, transmissores de temperatura, pressão, etc.) TCs, TPs, dentre outros
dispositivos.
Todos esses processos são comandados pelo nível superior através das CPUs, é
nela que teremos todo o status de campo.
A comunicação entre o nível de processo (nível 0) e o nível 1 normalmente são
feitas fiadas, ou seja, cabos interligando as CPU com os processos.
b) Nível hierárquico 1
O nível hierárquico 1 é onde encontra-se
agrupados os dispositivos e
equipamentos do processo que são postos sob a supervisão e controle das CPUs. As CPUs,
através das aquisições de processos, tratam e manipulam os dados recebidos do nível inferior
e processam essas informações podendo gerar um comando atender o processo, como por
exemplo, realizar comandos automatizados como partidas, paradas ou rotinas de emergência.
A integração entre o nível 1 e o nível 2 é feita através de redes locais de
comunicação utilizada para controlar todo o processo.
Os meio físicos de uma rede local de comunicação de dados podem ser em fibra
óptica ou meio metálico.
c) Nível hierárquico 2
O nível hierárquico 2 coordena a funcionalidade das CPUs, e trata as informações
enviadas por elas apresentando os dados ao operador da usina nas IHMs do supervisório.
41
3
TECNOLOGIAS DE PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
3.1
SPDA
O homem, afetado pelos efeitos de descargas atmosféricas, procurou um sistema de
proteção contra estas. Existem sistemas específicos e dispositivos, capazes de assegurar
determinados níveis de imunidade, os chamados Sistemas de Proteção contra descargas
atmosféricas (SPDA). Um SPDA tem como objetivo neutralizar, o gradiente de potencial
elétrico entre o solo e as nuvens e blindar uma estrutura, seus ocupantes e seu conteúdo dos
efeitos térmicos, mecânicos e elétricos associados às descargas atmosféricas diretas. Segundo
o INPE, o SPDA atua no sentido de oferecer um caminho de baixa resistência elétrica para a
corrente elétrica fluir até o solo. É importante destacar que um SPDA não impede que a
descarga atmosférica atinja a estrutura, além disso, o SPDA não protege totalmente os
equipamentos elétricos e eletrônicos contra interferências eletromagnéticas (INPE, 2011).
Existem alguns modelos e métodos de proteção contra descargas atmosféricas; Para-raios
Tipo Franklin, tipo Malha ou Gaiola de Faraday, modelo eletrogeométrico, sistemas híbridos,
além de cabo guarda em subestações e Blindagem em linhas de Transmissão.
a. Eficiência do SPDA;
b. classificação das estruturas segundo a NBR 5419;
c. necessidade do SPDA;
d. filosofias e Modelos de Incidência.
3.1.1
Eficiência do SPDA
Para cumprir seu objetivo, um SPDA é composto por elementos, com funções
distintas. Os Captores são elementos metálicos que constituem pontos preferenciais
de incidência. Os Condutores de distribuição de corrente direcionam o fluxo da
corrente de uma eventual descarga incidente para o aterramento. Os eletrodos de
aterramento enterrados no solo servem para dispersar a corrente de eventuais
descargas para esse meio. (SILVÉRIO VISACRO FILHO, 2005, p. 218).
Para Kindermann (1997), Existem descargas atmosféricas de diferentes tipos e
intensidades, por isso, especialistas produziram uma estimativa estatística da
eficiência do SPDA, Conforme tabela abaixo. O nível de proteção não está
relacionado com a probabilidade de queda de raio na estrutura, mas com a eficiência
que o sistema tem de captar e conduzir o raio a terra. (GERALDO KINDERMANN,
1997, p 42).
42
Tabela 1 – Nível de Proteção
PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
Nível da proteção
Eficiência da Proteção
I
98%
II
95%
III
90%
IV
80%
Fonte: Kindermann, 1997.
3.1.2
Classificação das Estruturas
Para efeito de análise e projeto, as diversas estruturas típicas existentes são
classificadas segundo a NBR 5419 (2001), de acordo com os efeitos e danos (riscos) que
possam vir a sofrer por ação de uma descarga atmosférica. São elas:
a. Estruturas comuns;
b. estruturas com danos confinados;
c. estruturas com Perigo aos Arredores;
d. estruturas com danos ao Meio Ambiente.
a) Estruturas comuns
São estruturas cujas preocupações são os efeitos do raio na própria estrutura.
b) Estruturas com danos confinados
São estruturas onde, além do dano comum, existe preocupação séria, também,
com relação à atividade interna executada.
c) Estruturas com Perigo aos Arredores
São estruturas em que além dos riscos “a” e “b”, há riscos e prejuízos nas
estruturas adjacentes, ou de certa região.
d) Estruturas com Danos ao Meio Ambiente
São estruturas que além dos danos próprios, há riscos ao meio ambiente de modo
temporário ou permanente.
Segundo a NBR 5419 (2001) Usinas hidrelétricas são classificadas como
estruturas com danos confinados, onde as preocupações devem ser com a própria estrutura e
com as atividades executadas internamente, com um nível de proteção igual a I.
43
3.1.3
Necessidade do SPDA
A probabilidade de uma estrutura ser atingida por um raio em um ano é o produto
da densidade de descargas atmosféricas para a terra pela exposição equivalente da estrutura.
A densidade de descargas atmosféricas para a terra (Ng) é o número de raios para
a terra por quilômetros quadrados por ano. O valor (Ng) para uma dada região pode ser
estimado pela equação:
Ng = 0,04 x Td x 1,25
[Km² / ano]
Onde Td é o número de dias de trovoada por ano, obtido de mapas isoceráunicos,
conforme disponível na NBR 5419 (2001, p. 21).
3.1.4
Filosofia e Modelos de Incidência
Segundo Visacro Filho (2005, p. 219) “Existem modelos que permitem definir o
local de maior probabilidade de incidência das descargas descendentes, decorrentes de canais
que se aproximam do solo ou de descargas ascendentes que se originam de estruturas
terrestres”.
3.1.4.1 Para-Raios tipo Franklin
Este método foi proposto por Franklin e fundamenta-se na interceptação de
eventuais canais descendentes que se aproximem da estrutura, por meio de canais
ascendentes a partir de uma haste elevada. Esta haste, em forma de ponta, produz,
sob a nuvem carregada, uma alta concentração de cargas elétricas, juntamente com
um campo elétrico intenso. Isto produz a ionização do ar, diminuindo a altura efetiva
da nuvem carregada, o que propicia o raio através do “rompimento” da rigidez
dielétrica do ar. Dessa forma o Para-Raios Tipo Franklin tenta neutralizar, pelo
poder de atração das pontas, o crescimento do gradiente de potencial elétrico entre o
solo e as nuvens, por meio do permanente escoamento de cargas elétricas do meio
ambiente para a terra. (VISACRO FILHO, 2005, p. 234).
44
Figura 22 – Para-Raios tipo Franklin
Fonte: Kindermann, 1997.
Conforme Kindermann (1997, p. 60):
O Raio captado na ponta da haste é transportado pelo cabo de descida e escoado na
terra pelo sistema de aterramento. Se as condições do aterramento não forem
adequadas, as tensões ao longo do sistema que constitui o pára-raios serão elevadas
e a segurança estará comprometida.
3.1.4.1.1 Região de Proteção
“A região de proteção é a zona protegida pelo pára-raios, se o raio cair nessa zona,
ele preferirá o caminho através do para-raios” (KINDERMANN 1997, p. 60).
Para Kindermann (1997) a haste determina um volume de proteção de formato
cônico, onde o captor fica no vértice e ângulo entre a geratriz e o centro do cone, variando de
acordo com o nível de proteção e a altura da edificação.
A proteção depende da altura e do grau de proteção, conforme tabela abaixo:
45
Tabela 2 – Ângulo de Proteção
ÂNGULOS DE PROTEÇÃO
GRAU DE
Altura Máxima h da Ponta da Haste ao Solo [m]
PROTEÇÃO
≤ 20
20 < h ≤ 30
30 < h ≤ 45
45 < h ≤ 60
IV
55°
45°
35°
25°
III
45º
35°
25°
*
II
35°
25°
*
*
I
25°
*
*
*
Fonte: Kindermann, 1997.
“Para edificações elevadas a aplicação deste sistema requer sua complementação
para prover a estrutura de um condutor de captação posicionado em altura intermediária. Isto
se faz necessário para evitar o risco de descargas diretas incidirem na lateral da edificação.”
(VISACRO FILHO, 2005, p. 236).
3.1.4.2 Para-raios tipo Malha ou Gaiola de Faraday
O princípio básico proposto por Michael Faraday “fundamenta-se na observação
de que ao construir uma gaiola metálica envolvendo um corpo, este fica isento do percurso de
correntes” (Visacro Filho, 2005, p. 237). Para Kindermann (1997) esta filosofia de proteção
usa os condutores de captura em forma de ANEEL, os condutores em ANEEL formam
malhas ou gaiolas, advindo daí o nome Gaiola de Faraday.
O princípio básico deste tipo de proteção é a Lei de Lenz, a circulação de corrente
induzida em um condutor, cria um campo magnético contrário à variação do campo
magnético indutor. A gaiola de Faraday é formada por vários quadrículos de
condutores. Quando correntes distribuídas passam pela gaiola, o campo magnético
no interior da mesma é nulo. A proteção se dá porque as correntes induzidas nos
quadrículos criam campos magnéticos de oposição, levando o raio para as bordas da
malha, obrigando-o a fluir para o cabo de descida. (KINDERMANN, 1997, p. 106).
Para Visacro Filho (2005, p. 238):
A implementação desta filosofia requer a constituição de uma gaiola condutora
envolvendo toda a estrutura. Assim, usualmente a configuração possui um condutor
perimetral fixado sobre as laterais da superfície, tal condutor encerra um ou mais
reticulados superiores e deles derivam vários cabos de descida.
46
3.1.4.2.1 Dimensão dos Quadrículos da Gaiola de Faraday
Como resultado de vários estudos, foi estabelecida a dimensão dos quadrículos
segundo o nível de proteção conforme NBR 5419 (2001, p. 5) dados na tabela abaixo:
Tabela 3 – Espaçamento dos Quadrículos
QUADRÍCULAS DA GAIOLA DE FARADAY
Grau de Proteção
Distância Máxima dos espaçamentos
I
5m
II/III
10m
IV
20m
Fonte: NBR 5419, 2001.
Figura 23 – Para-Raios tipo Gaiola de Faraday
Fonte: Visacro Filho, 2005.
3.1.4.3 Método Eletrogeométrico
O Método eletrogeométrico, é um método mais apurado para a obtenção da zona
de proteção do sistema de proteção adotado. Segundo Visacro Filho (2005) Fundamenta-se no
conceito do Raio de atração. Os procedimentos para implementação do chamado modelo
eletrogeométrico são organizados em duas metodologias distintas, conforme o ponto de
referência para emprego do raio de atração.
47
3.1.4.3.1 Primeira Metodologia
“A primeira metodologia fundamenta-se no raio de atração, o raio é considerado
na perspectiva dos prováveis pontos de incidência na estrutura. A partir de cada um desses
pontos é determinada uma superfície, construída ao circular-se o raio de atração no entorno do
ponto.” (VISACRO FILHO, 2005, p. 227).
3.1.4.3.1.1 Raio de Atração
Segundo Visacro Filho (2005, p. 219):
É definido como a maior distância estimada entre um canal descendente e a estrutura
em que o raio será atraído, a partir da qual ocorrerá eventual fechamento do percurso
pela conexão entre o canal descendente e o canal ascendente. Admite-se que se tal
distância seja alcançada, haja grande probabilidade de incidência na estrutura.
Através de experimentos laboratoriais com modelos em escala reduzida, de registros
fotográficos e de filmagens da incidência de descargas reais em torres
instrumentadas, foram desenvolvidas relações empíricas que relacionam o raio de
atração com o valor de pico da corrente de descarga (Ip). A maior parte destas
expressões tem a forma apresentada na equação de Visacro Filho abaixo, sendo A e
B constantes empíricas, e fornecem resultados muito similares. (VISACRO FILHO,
2005, p. 219).
De acordo com Brown e Whitehead (1969) o raio de atração pode ser calculado por:
Já Love (1973) e Anderson (1982) propõem a expressão:
De acordo com Armstrong e Whitehead (1968), este valor pode ser obtido por:
E de acordo com a norma NBR5419 da Associação Brasileira de Normas Técnicas (2001):
Em todas as expressões propostas, o raio de atração é definido em metros (m) e a corrente em
quilo-Amperes (kA).
Segundo Visacro Filho (2005, p. 220), no aprimoramento contínuo da
metodologia do raio de atração, foram desenvolvidas expressões que tentam computar outros
efeitos que exercem influência na sua definição, incluindo características da estrutura a ser
atingida, como sua altura (H).
48
Tabela 4 – Efeito da Altura no Valor do Raio de Atração
Corrente de Pico
(kA)
Raio de Atração
de
Acordo
Altura (m)
Raio de Atração
com
de
Anderson (1982)
5
29
10
46
20
72
50
132
Acordo
com
Eriksson (1987)
10
13
20
20
40
32
80
51
10
20
20
32
40
50
80
79
10
31
20
50
40
79
80
125
10
57
20
91
40
145
80
230
Fonte: Visacro Filho, 2005.
3.1.4.3.2 Segunda Metodologia
Segundo Visacro Filho (2005, p. 227):
A segunda metodologia, um pouco mais elaborada, é desenvolvida na perspectiva
das possíveis posições alcançadas pela extremidade do canal descendente em sua
aproximação da estrutura, sendo designado método das esferas rolantes. Para esse
método a cada amplitude de corrente está associado um raio de atração específico
que define uma esfera, tal esfera é rolada sobre a superfície da estrutura cuja
proteção se projeta. Assim, o centro da esfera cobre todas as possíveis posições que
a extremidade de um eventual canal descendente poderia ocupar ao se aproximar da
estrutura. Os pontos tocados pela superfície da esfera, ao deslocá-la sobre a
estrutura, indicam os locais prováveis de incidência.
3.1.4.3.2.1 Esfera Rolante
É a esfera obtida com o raio igual à distância de atração (Ra). Pode-se adotar,
dentro da perspectiva dos graus de proteção, os raios da esfera rolante obtidos de acordo com
a NBR 5419 (2001) conforme tabela abaixo :
49
Tabela 5 – Raio da Esfera Rolante
NÍVEL DE PROTEÇÃO
RAIO DA ESFERA ROLANTE
I
20m
II
30m
III
45m
IV
60m
Fonte: Kindermann, 1997.
Figura 24 – Esferas Rolantes
Fonte: Visacro Filho, 2005.
3.1.4.4 Sistemas Híbridos
Nas condições para aplicação dos modelos apresentados muitas vezes não é possível
prover uma proteção integral para a estrutura a partir de um único sistema. No caso
do sistema Gaiola de Faraday, a usual presença de corpos elevados colocados na
parte superior da edificação dificulta a total proteção. Como alternativa em muitas
situações, tem sido adotada uma configuração designada híbrida. Basicamente
adota-se a proteção por gaiola de Faraday, complementada por um sistema de
captação tipo Franklin. Eventuais descargas que incidirem na cobertura são captadas
pelas hastes superiores ou pelos condutores superiores da cobertura. (VISACRO
FILHO, 2005, p. 242).
50
Figura 25 – SPDA Híbrido
Fonte: Visacro Filho, 2005.
3.1.4.5 Blindagem e Cabo Guarda
3.1.4.5.1 Blindagem
São cabos de cobertura distribuídos horizontalmente sobre a subestação, que
formam uma estrutura de modo a produzir uma eficiente zona de proteção, na qual estão
contidos os equipamentos da subestação.
Para Kindermann (1997, p. 100) “Caso haja incidência direta do raio, o mesmo
terá efeito praticamente nulo, devido o fato de ser adequadamente escoada a terra. Isto se dá
devido à baixa resistência elétrica do aterramento da malha da subestação”.
51
Figura 26 – Blindagem
Fonte: Kindermann, 1997.
3.1.4.5.2 Cabo Guarda
Segundo Kindermann (1997), Descargas diretas em linhas de transmissão podem
ocorrer de dois modos: no vão da linha de transmissão, ou na torre.
“A proteção neste caso é efetuada colocando o cabo guarda (Cabo para-raios ou
cabo de cobertura) acima da linha de transmissão. Este cabo guarda forma uma proteção, isto
é um para-raios tipo Franklin, que produz uma zona protegida na qual a linha de transmissão
está contida.” (KINDERMANN, 1997, p. 102).
Para Kindermann (1997, p. 103) “Quando um raio cai na linha de transmissão
entre duas torres, a sobretensão associada ao raio se divide em duas partes, cada qual se
dirigindo em direções opostas”.
52
Figura 27 – Cabo Guarda
Fonte: Kindermann, 1997.
3.2
ATERRAMENTO
Um aterramento elétrico consiste em uma ligação elétrica de um sistema físico a
terra. É constituído fundamentalmente de uma estrutura condutora, que é enterrada,
e que garante um bom contato elétrico com a terra, chamada eletrodo de
aterramento. Esta ligação elétrica com a terra é feita para prover a instalação de um
potencial de referência e de um caminho de impedância adequada à corrente de falta.
Para que um sistema de energia elétrica opere corretamente, com um desempenho
seguro é necessário um bom sistema de aterramento. (KINDERMANN, 1998).
a. Finalidades de um Sistema de Aterramento;
b. resistividade do solo;
c. influência da umidade;
d. malha de aterramento;
e. potencial de malha;
f. potencial de passo;
g. potencial de toque;
h. ligação a terra .
3.2.1
Finalidades de Um Sistema de Aterramento
Kindermann (1998, p. 1), descreve as finalidades de um sistema de aterramento:
a. Obter uma resistência de aterramento a mais baixa possível, para correntes de falta à terra;
b. manter os potenciais produzidos pelas correntes de falta dentro de limites de segurança de
modo a não causar fibrilação do coração humano;
c. fazer que equipamentos de proteção sejam mais sensibilizados e isolem rapidamente as
falhas à terra;
53
d. proporcionar um caminho de escoamento para terra de descargas atmosféricas;
e. usar a terra como retorno de corrente no sistema MRT;
f. escoar as cargas estáticas geradas nas carcaças dos equipamentos.
3.2.2
Resistividade do Solo
O valor da resistividade em Ω x m é numericamente igual à resistência de um
cubo de 1 m de aresta.
Segundo Kindermann (1998, p. 2) Vários fatores influenciam na resistividade do
solo. Entre eles:
a. Tipo de Solo;
b. solos com camadas, profundidades e materiais diferentes;
c. teor de umidade;
d. temperatura;
e. compactação e pressão.
Para Kindermann (1998, p. 2). “As diversas combinações acima resultam em
solos com características diferentes e, consequentemente, com valores de resistividade
distintos”, conforme tabela abaixo.
Tabela 6 – Resistividade do Solo
TIPO DE SOLO
RESISTIVIDADE (Ω/m)
Lama
5 a 100
Terra de Jardim com 50% de umidade
140
Terra de Jardim com 20% de umidade
480
Argila Seca
1.500 a 5.000
Argila com 40% de umidade
80
Argila com 20% de umidade
330
Areia molhada
1.300
Areia seca
3.000 a 8.000
Calcário compacto
1.000 a 5.000
Granito
1.500 a 10.000
Fonte: Kindermann, 1998.
54
3.2.3
Influência da Umidade
“A resistividade do solo sofre alterações com a umidade. Esta variação ocorre em
virtude da condução de cargas serem predominantemente iônica. Assim, um solo específico,
com concentração diferente de umidade apresenta uma variação em sua resistividade.”
(KINDERMANN, 1998, p. 3).
A tabela abaixo apresenta valores para diferentes valores de umidade em um solo
arenoso:
Tabela 7 – Resistividade do Solo em função da umidade
ÍNDICE POR UMIDADE (% POR PESO)
RESISTIVIDADE (Ω. M)
(SOLO ARENOSO)
0,0
10.000.000
2,5
1.500
5,0
430
10,0
185
15,0
105
20,0
63
30,0
42
Fonte: Kindermann, 1997.
Em geral, a resistividade (ᵨ) varia acentuadamente com a umidade no solo.
3.2.4
Potencial de Malha
Segundo Kindermann (1998, p. 139) O potencial de malha (Vm) é definido como
os potenciais de toque e passo máximos, encontrado dentro de uma submalha da malha de
terra, quando do máximo defeito fase-terra.
3.2.5
Potencial de Passo
“Potencial de passo é a diferença de potencial existente entre dois pés, isso ocorre
quando os membros se encontrarem sobre linhas equipotenciais diferentes” (KINDERMANN,
1998, p. 129).
55
Figura 28 – Tensão de Passo
Fonte: Kindermann, 1998.
3.2.6
Potencial de Toque
“É a diferença de potencial entre o ponto da estrutura metálica, situada a altura de
toque da mão humana e o chão a 1m da base da estrutura” (KINDERMANN 1998, p. 127).
Figura 29 – Tensão de Toque
Fonte: Kindermann, 1997.
3.2.7
Ligação a Terra
Quando ocorre um curto-circuito envolvendo a terra, espera-se que a corrente seja
elevada para que a proteção possa operar eliminando o defeito. Durante o tempo em
que a proteção ainda não atuou, a corrente de defeito que escoa pelo solo, gera
potenciais distintos nas massas metálicas e superfícies do solo. Portanto procura-se
56
efetuar uma ligação de equipamentos elétricos a terra. Em termos de segurança
devem ser aterradas todas as partes metálicas que eventualmente possam ter contato
com partes energizadas. (KINDERMANN 1998, p. 6).
3.2.8
Malha de Aterramento
Para Kindermann (1998) O objetivo de uma malha de terra é proporcionar uma
superfície equipotencial no solo onde estão colocados os componentes da instalação elétrica e
onde há circulação de pessoas. Esta superfície equipotencial irá garantir que quando uma
corrente circular, seja ela proveniente de uma falta ou de uma descarga , não aparecerá uma
grande diferença de potencial entre diferentes pontos. Na prática, sempre irão ocorrer
gradientes de potencial quando passarem pelo solo correntes de falta, mas desde que as
malhas de terra tenham sido dimensionadas apropriadamente, os máximos valores de
gradiente para os níveis da corrente de falta não serão excedidos.
3.2.8.1 Itens para elaboração do Projeto de Malha de Terra
Kindermann (1998, p. 135), Descreve os itens necessários para elaboração da
malha de terra:
a. Fazer a medição da resistividade do solo no local a ser construído a malha;
b. resistividade superficial do solo. Geralmente se utiliza brita na superfície da malha,
que forma uma camada mais isolante;
c. corrente de curto-circuito máxima entre fase e terra;
d. tempo de abertura do relé de neutro para a máxima corrente de curto-circuito faseterra;
e. área da malha.
3.2.8.2 Dimensionamento de uma Malha de Terra
Segundo Kindermann (1998) o dimensionamento de uma malha de terra é um
processo iterativo. Parte-se de uma malha inicial e verifica-se se os potenciais, na superfície,
quando do máximo defeito a terra, são inferiores aos valores máximos suportáveis por um ser
humano. Dimensionar uma malha de terra é verificar se os potenciais que surgem na
superfície, quando da ocorrência do máximo defeito a terra, são inferiores aos máximos
potenciais de passo e de toque que uma pessoa pode suportar sem a ocorrência de fibrilação
57
ventricular e dimensionar um condutor de forma a suportar os esforços mecânicos e térmicos
a que estarão sujeitos ao longo de sua vida útil.
Hoje no Brasil a norma mais utilizada para dimensionamento de sistemas de
aterramento é a Institute of Electrical and Electronics Engineers std. 80 (IEEE 80).
3.2.8.3 Escolha da Bitola dos Condutores da Malha
A escolha da bitola do condutor de um sistema de aterramento, segundo a Institute
of Electrical and Electronics Engineers std. 80-2000 (IEEE 80) dá-se em função da
temperatura e é calculada segundo a equação:
Icc – valor eficaz da corrente de curto-circuito no local da subestação (kA);
A – secção do condutor (mm²);
Tm – temperatura máxima admissível (°C);
Ta – temperatura Ambiente (°C);
Tr – temperatura de referência para as constantes do material;
– coeficiente térmico de resistividade a uma temperatura T, de referência
(1/°C);
– resistividade do condutor de aterramento a uma temperatura T, (µΩ . cm);
- igual a 1/
(°C);
- tempo de duração da corrente (Segundos);
TCAP – capacidade térmica, por unidade de volume (J/(cm³.°C));
A tabela a seguir, apresenta os valores das constantes utilizadas na equação acima
para o caso dos condutores de cobre, material normalmente utilizado em malha de
terra de UHE. Para a temperatura máxima que a malha pode atingir, usa-se a
temperatura suportável por suas conexões, sendo estas feitas através de soldas
exotérmicas de alta resistência mecânica e de baixa resistência de contato e a
temperatura limite é de 750 °C. (KINDERMANN, 1998).
58
Tabela 8 – Constantes do Cobre
Fonte: Kindermann, 1998.
3.2.8.4 Resistência de Aterramento da Malha
“A resistência de aterramento da malha pode, aproximadamente, ser calculada
pala formula de Sverak abaixo, que leva em conta a profundidade (h) em que a malha é
construída, e representa a resistência elétrica da malha até o infinito.” (KINDERMANN,
1998, p. 141).
Onde:
Amalha – Área ocupada pela malha (m²);
h – Profundidade da malha (m);
L – Comprimento total dos cabos e hastes que formam a malha.
3.2.8.5 Potencial de Malha
“Neste item, procura-se calcular o máximo potencial de toque da malha, visto que
a corrente de defeito escoa preferencialmente pelas bordas da malha assim o potencial de
malha máximo se encontra nos cantos da malha e pode ser calculado pela expressão
(KINDERMANN, 1998, p. 142):”
Sendo:
- Resistividade aparente vista pela malha;
– Corrente máxima de falta que realmente escoa da malha para a terra
- Comprimento Total dos condutores da malha
- Coeficiente de Malha
59
- Coeficiente de irregularidade =
“Onde
condensa a influência da profundidade da malha, diâmetro do
condutor e do espaçamento entre condutores, e é dado pela expressão (KINDERMANN,
1998, P. 142):”
Sendo:
- Profundidade da malha (m);
- Espaçamento entre condutores paralelos ao longo do lado da malha (m);
- Diâmetro do condutor da malha (m);
-
, a malha reticulada é transformada numa malha quadrada com N
condutores paralelos em cada lado;
=
;
- Correção de profundidade =
, onde
= 1m.
3.2.8.6 Potencial de Passo
“Neste item, procura-se determinar o maior potencial de passo que surge na
superfície da malha, que pode ser calculado pela expressão (KINDERMANN, 1998, p. 145);”
Sendo:
- Resistividade aparente vista pela malha;
– Corrente máxima de falta que realmente escoa da malha para a terra
- Comprimento Total dos condutores da malha
- Coeficiente de irregularidade =
Onde:
60
– Coeficiente que introduz no cálculo a maior diferença de potencial entre dois
pontos distanciados de 1m. Este coeficiente relaciona todos os parâmetros da malha que
induzem tensões na superfície da terra, e é dado pela expressão:
61
4
EFEITOS E PERTURBAÇÕES DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS NOS SSCs
DE UHEs
A descarga atmosférica em uma UHE pode causar uma perturbação no
aterramento na forma de uma diferença de potencial (DDP). Esta diferença de potencial pode
causar danos a equipamentos eletrônicos do SSC, representando um risco para operação
normal da UHE.
a. Perturbações transitórias e sobretensões;
b. transmissão das perturbações ;
c. o problema da descarga atmosférica .
4.1
PERTURBAÇÕES TRANSITÓRIAS E SOBRETENSÕES
Para Ara Kouyoumdijian (1996, p. 57) Perturbações Transitórias e Sobretensões:
São as perturbações impulsivas, bruscas e de forte amplitude, compostas por uma
grande variedade de frequência.
Sua origem geralmente é:
• queda de raio
• abertura ou fechamento de seccionadores
• abertura brusca de circuitos indutivos
As tensões e correntes resultantes podem ser de diversos níveis. As sobretensões
provocadas pelos raios podem atingir muitos milhares de volts. Quanto às
sobretensões devidas a manobras (interrupções bruscas), elas são muito mais
frequentes do que as de origem atmosféricas, mas felizmente, de um nível mais
baixo.
A importância relacionada ao estudo das descargas atmosférica se dá devido seus
efeitos nos aparelhos eletrônicos, em particular os do SSC podem ser sensíveis a essas
perturbações e devem ser protegidos.
4.2
TRANSMISSÃO DAS PERTURBAÇÕES
As perturbações podem ser transmitidas pelos cabos e ligações entre aparelhos.
“Uma perturbação emitida num local “A” pode propagar-se e transmitir-se aos
aparelhos e instalações “B” ligados ao ponto “A”, ou situados em seu ambiente”. (ARA
KOUYOUMDIJIAN, 1996, p. 57).
62
4.2.1
Fenômenos de Acoplamento
Segundo Ronni Campaner (1999, p. 71) podem existir três formas básicas de
acoplamentos: condutivo, indutivo e capacitivo. Uma das formas mais óbvias, mas às vezes
esquecida, é a interferência conduzida por condutores (fios, cabos e partes metálicas) até o
sistema. Abordado neste trabalho.
O(s) acoplamento(s) possibilita(m) o aparecimento de interferência nas vítimas
sob dois modos:
a. MODO COMUM
Um sinal interferente pode se sobrepor ao sinal desejado (ruído eletromagnético),
causando uma diferença de potencial entre os terminais da vítima e o aterramento. Esta tensão
é denominada de tensão de modo comum, normalmente é causada por acoplamentos
capacitivos ou magnéticos entre a cablagem e sistemas de aterramento ou partes metálicas.
Ela pode romper o isolamento do cabo entre condutores e a terra ou entre os terminais do
equipamento (vítima) e a terra. (CAMPANER, 1999, p. 71).
b. MODO DIFERENCIAL
O ruído eletromagnético pode se manifestar sob a forma de uma tensão diferente
entre cada um dos terminais e o aterramento ou, em outras palavras, uma tensão entre os
terminais da vítima. Esta tensão é denominada tensão de modo diferencial (pode-se encontrar
também com os nomes de tensão de modo normal ou tensão de modo série). O aparecimento
desta tensão se deve ao desbalanceamento dos fatores de acoplamento (normalmente
capacitivos) do ruído em cada um dos terminais do sinal, por assimetria de condutores ou da
terminação no circuito de interface (desbalanceamento). A tensão de modo diferencial pode
alterar o conteúdo da informação transmitida ou danificar o isolamento correspondente do
cabo ou da interface do equipamento terminal (vítima). (CAMPANER, 1999, p. 71).
4.3
CABOS
Segundo Ara Kouyoumdijian, (1996, p. 89). Uma instalação de UHE pode conter
os seguintes cabos:
a. de potência (correntes elevadas), como por exemplo, cabo de alimentação de painéis e
aterramento;
b. de controle (comando);
c. instrumentação (analógicos);
63
d. OPGW, este consiste em um cabo de aterramento com fibras para sinais de controle.
Os cabos de controle e instrumentação podem ser ligados a aparelhos e circuitos
muito sensíveis às perturbações, como por exemplo, equipamentos eletrônicos do SSC. (ARA
KOUYOUMDIJIAN, 1996, p. 89).
4.4
O PROBLEMA DA DESCARGA ATMOSFÉRICA
O raio é uma das causas de perturbação mais importante, em razão da intensidade
do fenômeno.
Tal fato pode ser visto no exemplo de estrutura de geração hidráulica a seguir:
Figura 30 – Unidade de Geração Hidráulica
Fonte: Documentação interna Engevix.
Conforme visto nos capítulos anteriores uma descarga atmosférica incidindo no
SPDA escoa para terra através dos cabos de descida e se dissipa na malha de terra causando
um potencial de malha.
A descarga atmosférica em um SPDA de um local A, como por exemplo, a casa
de força, irá criar um potencial na malha de terra dessa estrutura tal potencial alcançará certa
intensidade de passo e toque de modo que não causará danos a pessoas e equipamentos.
64
Casa de força e subestação quando separadas geograficamente, são interligadas
por um cabo de terra para equalização de potencial de suas malhas, conforme figura abaixo.
Figura 31 – Unidade de Geração Hidráulica – Sistema de Proteção
Fonte: Elaboração dos Autores, 2012.
A presença de uma descarga em uma das malhas causará entre elas potenciais
diferentes por um período de tempo.
Figura 322 – Esquemático – Sistema de Proteção
Fonte: Elaboração dos Autores, 2012.
65
Em regime permanente as malhas das estruturas interligadas não apresentam
diferenças de potencial significativas.
4.4.1
Queima de Equipamentos Eletrônicos
Os equipamentos eletrônicos do SSC da CF e da SE são interligados através de
cabos de controle para troca de informações, como por exemplo: abertura de disjuntor.
Todos os equipamentos eletrônicos do SSC, fisicamente estão instalados dentro de
painéis alocados dentro da UHE e SE.
Conforme visto no capítulo 3, todos os painéis tem sua carcaça aterrada em suas
respectivas malhas para proteção contra contato direto. Logo o painel e a malha estarão no
mesmo potencial.
Figura 333 – Representação Esquemática das Instalações
Fonte: Elaboração dos Autores, 2012.
O cabo de controle irá transferir o potencial da malha de terra da CF para a placa
de circuito impresso do equipamento eletrônico da SE. Esta irá sentir a diferença de potencial,
entre o borne do cabo de controle e o potencial do ponto comum deste circuito.
Esta diferença de potencial poderá ocasionar a queima do equipamento
dependendo da intensidade alcançada. Quanto à classe de isolação de acoplamentos de modo
comum, a International Electrotechnical Commission (IEC) 61000-4, estabelece que os
equipamentos eletrônicos devam suportar até pico de 4 kV surtos de tensão máxima.
Devido à importância do problema, a medida de prevenção, normalmente é
adotada pelos fabricantes dos equipamentos, são os optoacopladores de acordo Ara
Kouyoumdijian, (1996, p. 133) estes são utilizados para isolar um circuito em relação ao
66
circuito que o alimenta, instalado num percurso de modo comum pode impedir a passagem de
perturbações.
Porém, para os optoacopladores tornam-se ineficazes para valores elevados da
DDP, uma vez que quando submetidos a elevados tensões estes componentes também são
danificados.
Figura 344 – DDP no Optoacoplador
Fonte: Elaboração dos Autores, 2012.
4.4.2
Representação do Circuito Equivalente
Para análise da diferença de potencial vista na figura 33, modela-se a seguir o
sistema em questão como um circuito elétrico equivalente, conforme a figura a seguir.
Figura 355 – Circuito Equivalente
Fonte: Elaboração dos Autores, 2012.
em que:
R1 representa a resistência da malha de terra da estrutura 1 (CF)
R2 representa a resistência da malha de terra da estrutura 2 (SE)
R3 representa a resistência do cabo guarda
R4 representa a resistência do cabo de equalização de potencial das malhas.
67
5
PROPOSTAS DE MITIGAÇÕES CONTRA DANOS NO SSC DE UHEs
Conforme visto no capítulo anterior, com o evento de uma descarga atmosférica
surge uma DDP aplicada nos equipamentos do SSC. Essa DDP é função da corrente e
resistência, conforme lei de ohm V = R x I. Onde a resistência é a do condutor de interligação
das malhas para equalização de potencial e cabo guarda (R3 e R4), é dada por:
Sendo que:
ρ - é a resistividade elétrica do condutor (em ohm metros, Ωm);
R - é a resistência elétrica do material (em ohms, Ω);
L - é o comprimento do condutor (medido em metros);
A - é a área da secção e geometria do condutor (em metros quadrados, m²).
Dessa forma sendo a DDP função de R e I, onde I é a corrente do raio e depende
da intensidade da fonte. Como não temos o controle da corrente usaremos valores
probabilísticos. Uma forma de variar a DDP é alterando o valor da resistência. Conforme
visto acima essa resistência é função da área do condutor e do comprimento, dessa forma
variamos a resistência mudando o comprimento do cabo, alterando sua bitola e associando
condutores em paralelo, conforme o conceito de associação de resistores de circuitos elétricos
pode-se associar estes em paralelo diminuindo assim o valor da resistência total equivalente.
Para os valores de corrente utilizou-se 110 kA, sendo que valores acima deste são
pouco prováveis de acontecer, segundo estudos probabilísticos para valores de pico de
corrente de descargas atmosféricas, apresentado no capítulo dois.
5.1
SIMULAÇÕES
Este tópico tem a finalidade de apresentar as simulações feitas considerando as
variações de resistência do condutor de interligação das malhas e variando a resistência
equivalente da malha de terra da casa de força. Para valores de resistência das malhas de terra
João Mamed Filho (2001, p. 517) recomenda um valor de até 5 ohms para uma tensão de até
138kV e 10 ohms para valores de tensão acima de 138kV, dessa forma consideramos o pior
68
caso 10 ohms para a SE e para a CF variamos do pior caso 10 ohms para valores de até 1
ohm.
Para efeito de análise foi considerado um valor crítico de referência na faixa 4kV,
como valor máximo admissível para não ocasionar a queima dos equipamentos eletrônico do
SSC, conforme recomendações do fabricante.
5.1.1
Variação da DDP em função da Resistência do cabo variando o comprimento
Nesta simulação considerou-se a faixa de distância entre 100m e 1 km, para um
cabo de interligação de 95 mm² cuja resistividade é de 0,119 ohm por km. Quanto ao cabo
guarda, sua resistividade é 0,47 ohm por km, conforme catálogo de fabricante. Geralmente o
cabo 95 mm² é adotado como secção transversal mínima em critérios de projeto.
a. DDP para resistência da CF=10 Ω
Tabela 9 – Valores para Simulação (DDP x Distância)
Distância
0,1
I
110000
R1
10
R2
10
R3
0,047
R4
0,0199
DDP 768,3941114
km
0,2
A
110000
Ω
10
Ω
10
Ω
0,094
Ω
0,0398
V 1535,715
km
0,4
A
110000
Ω
10
Ω
10
Ω
0,188
Ω
0,0796
V 3067,149
km
A
Ω
Ω
Ω
Ω
V
0,6
110000
10
10
0,282
0,1194
4594,318
km
A
Ω
Ω
Ω
Ω
V
0,8
110000
10
10
0,376
0,1592
6117,241
km
1
A
110000
Ω
10
Ω
10
Ω
0,47
Ω
0,199
V 7635,935
km
A
Ω
Ω
Ω
Ω
V
km
A
Ω
Ω
Ω
Ω
V
0,8
110000
8
10
0,376
0,1592
5434,19
km
1
A
110000
Ω
8
Ω
10
Ω
0,47
Ω
0,199
V 6782,267
km
A
Ω
Ω
Ω
Ω
V
Fonte: Elaboração dos Autores, 2012.
b. DDP para resistência da CF=8 Ω
Tabela 10 – Valores para Simulação (DDP x Distância)
Distância
0,1
I
110000
R1
8
R2
10
R3
0,047
R4
0,0199
DDP 682,9639792
km
0,2
A
110000
Ω
8
Ω
10
Ω
0,094
Ω
0,0398
V 1364,869
km
0,4
A
110000
Ω
8
Ω
10
Ω
0,188
Ω
0,0796
V 2725,51
Fonte: Elaboração dos Autores, 2012.
km
A
Ω
Ω
Ω
Ω
V
0,6
110000
8
10
0,282
0,1194
4081,944
69
c. DDP para resistência da CF=6 Ω
Tabela 11 – Valores para Simulação (DDP x Distância)
Distância
0,1
I
110000
R1
6
R2
10
R3
0,047
R4
0,0199
DDP 576,1949597
km
0,2
A
110000
Ω
6
Ω
10
Ω
0,094
Ω
0,0398
V 1151,385
km
0,4
A
110000
Ω
6
Ω
10
Ω
0,188
Ω
0,0796
V 2298,759
km
A
Ω
Ω
Ω
Ω
V
0,6
110000
6
10
0,282
0,1194
3442,144
km
A
Ω
Ω
Ω
Ω
V
0,8
110000
6
10
0,376
0,1592
4581,561
km
1
A
110000
Ω
6
Ω
10
Ω
0,47
Ω
0,199
V 5717,03
km
A
Ω
Ω
Ω
Ω
V
km
A
Ω
Ω
Ω
Ω
V
0,8
110000
4
10
0,376
0,1592
3487,255
km
1
A
110000
Ω
4
Ω
10
Ω
0,47
Ω
0,199
V 4350,449
km
A
Ω
Ω
Ω
Ω
V
km
A
Ω
Ω
Ω
Ω
V
0,8
110000
2
10
0,376
0,1592
2031,549
km
1
A
110000
Ω
2
Ω
10
Ω
0,47
Ω
0,199
V 2533,587
km
A
Ω
Ω
Ω
Ω
V
Fonte: Elaboração dos Autores, 2012.
d. DDP para resistência da CF=4 Ω
Tabela 12 – Valores para Simulação (DDP x Distância)
Distância
0,1
I
110000
R1
4
R2
10
R3
0,047
R4
0,0199
DDP 438,9509387
km
0,2
A
110000
Ω
4
Ω
10
Ω
0,094
Ω
0,0398
V 877,0269
km
0,4
A
110000
Ω
4
Ω
10
Ω
0,188
Ω
0,0796
V 1750,565
km
A
Ω
Ω
Ω
Ω
V
0,6
110000
4
10
0,282
0,1194
2620,634
Fonte: Elaboração dos Autores, 2012.
e. DDP para resistência da CF=2 Ω
Tabela 13 – Valores para Simulação (DDP x Distância)
Distância
0,1
I
110000
R1
2
R2
10
R3
0,047
R4
0,0199
DDP 256,0121473
km
0,2
A
110000
Ω
2
Ω
10
Ω
0,094
Ω
0,0398
V 511,4291
km
0,4
A
110000
Ω
2
Ω
10
Ω
0,188
Ω
0,0796
V 1020,486
Fonte: Elaboração dos Autores, 2012.
km
A
Ω
Ω
Ω
Ω
V
0,6
110000
2
10
0,282
0,1194
1527,187
70
f. DDP para resistência da CF=1 Ω
Tabela 14 – Valores para Simulação (DDP x Distância)
Distância
0,1
I
110000
R1
1
R2
10
R3
0,047
R4
0,0199
DDP 139,6282181
km
0,2
A
110000
Ω
1
Ω
10
Ω
0,094
Ω
0,0398
V 278,9024
km
0,4
A
110000
Ω
1
Ω
10
Ω
0,188
Ω
0,0796
V 556,3941
km
A
Ω
Ω
Ω
Ω
V
0,6
110000
1
10
0,282
0,1194
832,4857
km
A
Ω
Ω
Ω
Ω
V
0,8
110000
1
10
0,376
0,1592
1107,188
km
1
A
110000
Ω
1
Ω
10
Ω
0,47
Ω
0,199
V 1380,511
km
A
Ω
Ω
Ω
Ω
V
Fonte: Elaboração dos Autores, 2012.
a. Resultados
Gráfico 2 – Valores para Simulação (DDP x Distância).
Fonte: Elaboração dos Autores, 2012.
Conforme o gráfico acima, a variação da distancia entre as estruturas influência na
DDP, ao aumentar a distancia observa-se um aumento na diferença de potencial entre as
estruturas.
Para este caso, verificou-se que o cabo de 95mm² atende:
a. para uma distância de até 1km o nível crítico estabelecido pela norma para até 20% da
resistência da malha de terra da estrutura atingida em relação a não atingida.
b. a distância de até 900m atende o nível crítico estabelecido pela norma para até 20% da
resistência da malha de terra da estrutura atingida em relação a não atingida.
71
5.1.2
Variação da DDP em função da Resistência do cabo variando a Bitola
Nesta simulação considerou-se uma distância fixa de 1 km entre as estruturas
como pior caso e variou-se a secção do cabo de interligação entre 70 mm² e 240 mm². O cabo
guarda foi mantido valor fixo de 0,47 Ω/km, conforme catálogo de fabricante.
a. DDP para resistência da CF=10 Ω
Tabela 15 – Valores para Simulação (DDP x Secção)
Distância
I
R1
R2
R3
R4
DDP
70
1
110000
10
10
0,47
0,283
9630,152287
mm
95
km
1
A
110000
Ω
10
Ω
10
Ω
0,47
Ω
0,199
V 7635,935
mm
120
km
1
A
110000
Ω
10
Ω
10
Ω
0,47
Ω
0,148
V
6155,97
mm
150
km
1
A
110000
Ω
10
Ω
10
Ω
0,47
Ω
0,118
V
5163,235
mm
185
km
1
A
110000
Ω
10
Ω
10
Ω
0,47
Ω
0,102
V
4590,379
mm
240
km
1
A
110000
Ω
10
Ω
10
Ω
0,47
Ω
0,076
V 3586,437
mm
km
A
Ω
Ω
Ω
Ω
V
mm
185
km
1
A
110000
Ω
8
Ω
10
Ω
0,47
Ω
0,102
V
4078,446
mm
240
km
1
A
110000
Ω
8
Ω
10
Ω
0,47
Ω
0,076
V
3186,79
mm
km
A
Ω
Ω
Ω
Ω
V
Fonte: Elaboração dos Autores, 2012.
b. DDP para resistência da CF=8 Ω
Tabela 16 – Valores para Simulação (DDP x Secção)
Distância
I
R1
R2
R3
R4
DDP
70
1
110000
8
10
0,47
0,283
8551,81665
mm
95
km
1
A
110000
Ω
8
Ω
10
Ω
0,47
Ω
0,199
V 6782,267
mm
120
km
1
A
110000
Ω
8
Ω
10
Ω
0,47
Ω
0,148
V 5468,573
Fonte: Elaboração dos Autores, 2012.
mm
150
km
1
A
110000
Ω
8
Ω
10
Ω
0,47
Ω
0,118
V
4587,15
72
c. DDP para resistência da CF=6 Ω
Tabela 17 – Valores para Simulação (DDP x Secção)
Distância
I
R1
R2
R3
R4
DDP
70
1
110000
6
10
0,47
0,283
7206,840812
mm
95
km
1
A
110000
Ω
6
Ω
10
Ω
0,47
Ω
0,199
V
5717,03
mm
120
km
1
A
110000
Ω
6
Ω
10
Ω
0,47
Ω
0,148
V
4610,527
mm
150
km
1
A
110000
Ω
6
Ω
10
Ω
0,47
Ω
0,118
V
3867,888
mm
185
km
1
A
110000
Ω
6
Ω
10
Ω
0,47
Ω
0,102
V
3439,196
mm
240
km
1
A
110000
Ω
6
Ω
10
Ω
0,47
Ω
0,076
V
2687,637
mm
km
A
Ω
Ω
Ω
Ω
V
mm
185
km
1
A
110000
Ω
4
Ω
10
Ω
0,47
Ω
0,102
V
2618,391
mm
240
km
1
A
110000
Ω
4
Ω
10
Ω
0,47
Ω
0,076
V 2046,533
mm
km
A
Ω
Ω
Ω
Ω
V
mm
185
km
1
A
110000
Ω
2
Ω
10
Ω
0,47
Ω
0,102
V
1525,881
mm
240
km
1
A
110000
Ω
2
Ω
10
Ω
0,47
Ω
0,076
V
1192,886
mm
km
A
Ω
Ω
Ω
Ω
V
Fonte: Elaboração dos Autores, 2012.
d. DDP para resistência da CF=4 Ω
Tabela 18 – Valores para Simulação (DDP x Secção)
Distância
I
R1
R2
R3
R4
DDP
70
1
110000
4
10
0,47
0,283
5482,374255
mm
95
km
1
A
110000
Ω
4
Ω
10
Ω
0,47
Ω
0,199
V 4350,449
mm
120
km
1
A
110000
Ω
4
Ω
10
Ω
0,47
Ω
0,148
V
3509,28
mm
150
km
1
A
110000
Ω
4
Ω
10
Ω
0,47
Ω
0,118
V
2944,497
Fonte: Elaboração dos Autores, 2012.
e. DDP para resistência da CF=2 Ω
Tabela 19 – Valores para Simulação (DDP x Secção)
70
Distância
1
I
110000
R1
2
R2
10
R3
0,47
R4
0,283
DDP 3191,424156
mm
95
km
1
A
110000
Ω
2
Ω
10
Ω
0,47
Ω
0,199
V
2533,587
mm
120
km
1
A
110000
Ω
2
Ω
10
Ω
0,47
Ω
0,148
V
2044,363
Fonte: Elaboração dos Autores, 2012.
mm
150
km
1
A
110000
Ω
2
Ω
10
Ω
0,47
Ω
0,118
V
1715,71
73
f. DDP para resistência da CF=1 Ω
Tabela 20 – Valores para Simulação (DDP x Secção)
Distância
I
R1
R2
R3
R4
DDP
70
1
110000
1
10
0,47
0,283
1738,484151
mm
95
km
1
A
110000
Ω
1
Ω
10
Ω
0,47
Ω
0,199
V
1380,511
mm
120
km
1
A
110000
Ω
1
Ω
10
Ω
0,47
Ω
0,148
V
1114,166
mm
150
km
1
A
110000
Ω
1
Ω
10
Ω
0,47
Ω
0,118
V
935,1786
mm
185
km
1
A
110000
Ω
1
Ω
10
Ω
0,47
Ω
0,102
V
831,7744
mm
240
km
1
A
110000
Ω
1
Ω
10
Ω
0,47
Ω
0,076
V
650,3446
mm
km
A
Ω
Ω
Ω
Ω
V
Fonte: Elaboração dos Autores, 2012.
a. Resultados
Gráfico 3 – Valores para Simulação (DDP x Secção).
Fonte: Elaboração dos Autores, 2012.
Conforme o gráfico acima se observa quando maior a secção do cabo menor será
a DDP, para distância de 1 km entre as estruturas.
Para este caso:
a. 1 cabo de 95mm² atende o nível crítico estabelecido pela norma para até 20% da
resistência da malha de terra da estrutura atingida em relação a não atingida.
b. 1 cabo de 120mm² atende o nível crítico estabelecido pela norma para até 40% da
resistência da malha de terra da estrutura atingida em relação a não atingida.
c. 1 cabo de 150mm² atende o nível crítico estabelecido pela norma para até 60% da
resistência da malha de terra da estrutura atingida em relação a não atingida.
74
d. 1 cabo de 240mm² atende o nível crítico estabelecido pela norma para valores acima de
80% da resistência da malha de terra da estrutura atingida em relação a não atingida.
5.1.3
Variação da DDP em função da resistência associando cabos em paralelo
Nesta simulação considerou-se uma distância fixa de 1 km entre as estruturas
como pior caso e variou-se a secção do cabo de interligação entre 95 mm² e 240 mm² para
dois cabos associados em paralelo. O cabo guarda foi mantido em um valor fixo de 0,47
Ω/km, conforme catálogo de fabricante.
a. DDP para resistência da CF=10 Ω
Tabela 21 – Valores para Simulação (DDP x Cabos em Paralelo)
70
mm
95
mm
120
1
110000
km
A
1
110000
km
A
1
110000
km
A
1
110000
R1
R2
R3
10
10
0,47
Ω
Ω
Ω
10
10
0,47
Ω
Ω
Ω
10
10
0,47
Ω
Ω
Ω
R4
0,1415
Ω
0,0995
Ω
0,074
Ω
Distância
I
DDP
9630,152287 V
4497,907 V
mm
3505,155 V
150
mm
185
mm
240
km
A
1
110000
km
A
1
110000
km
A
10
10
0,47
Ω
Ω
Ω
10
10
0,47
Ω
Ω
Ω
10
10
0,47
Ω
Ω
Ω
0,059
Ω
0,051
Ω
0,038
Ω
2875,545 V
2524,615 V
mm
1930,268 V
Fonte: Elaboração dos Autores, 2012.
b. DDP para resistência da CF=8 Ω
Tabela 22 – Valores para Simulação (DDP x Cabos em Paralelo)
70
mm
95
mm
120
IT
1
110000
km
A
1
110000
km
A
1
110000
km
A
1
110000
R1
R2
R3
8
10
0,47
Ω
Ω
Ω
8
10
0,47
Ω
Ω
Ω
8
10
0,47
Ω
Ω
Ω
R4
0,1415
Ω
0,0995
Ω
0,074
Ω
5285,08363
V
Distância
DDP
3996,323 V
Fonte: Elaboração dos Autores, 2012.
mm
3114,591 V
150
mm
185
mm
240
km
A
1
110000
km
A
1
110000
km
A
8
10
0,47
Ω
Ω
Ω
8
10
0,47
Ω
Ω
Ω
8
10
0,47
Ω
Ω
Ω
0,059
Ω
0,051
Ω
0,038
Ω
2243,53
V
1715,46
V
2555,297 V
mm
75
c. DDP para resistência da CF=6 Ω
Tabela 23 – Valores para Simulação (DDP x Cabos em Paralelo)
70
mm
95
mm
120
mm
150
mm
185
mm
240
mm
Distância
IT
1
110000
km
A
1
110000
km
A
1
110000
km
A
1
110000
km
A
1
110000
km
A
1
110000
km
A
R1
R2
R3
6
10
0,47
Ω
Ω
Ω
6
10
0,47
Ω
Ω
Ω
6
10
0,47
Ω
Ω
Ω
6
10
0,47
Ω
Ω
Ω
6
10
0,47
Ω
Ω
Ω
6
10
0,47
Ω
Ω
Ω
R4
0,1415
Ω
0,0995
Ω
0,074
Ω
0,059
Ω
0,051
Ω
0,038
Ω
DDP
4455,944137
V
3369,985
V
2626,774
V
2155,25
V
1892,375
V
1447,066
V
mm
185
mm
240
mm
Fonte: Elaboração dos Autores, 2012.
d. DDP para resistência da CF=4 Ω
Tabela 24 – Valores para Simulação (DDP x Cabos em Paralelo)
70
mm
95
mm
120
IT
1
110000
km
A
1
110000
km
A
1
110000
km
A
1
110000
km
A
1
110000
km
A
1
110000
km
A
R1
R2
R3
4
10
0,47
Ω
Ω
Ω
4
10
0,47
Ω
Ω
Ω
4
10
0,47
Ω
Ω
Ω
4
10
0,47
Ω
Ω
Ω
4
10
0,47
Ω
Ω
Ω
4
10
0,47
Ω
Ω
Ω
R4
0,1415
Ω
0,0995
Ω
0,074
Ω
0,059
Ω
0,051
Ω
0,038
Ω
Distância
DDP
3391,733763 V
2565,736 V
mm
2000,214 V
150
1641,329 V
1441,219 V
1102,182 V
Fonte: Elaboração dos Autores, 2012.
e. DDP para resistência da CF=2
Tabela 25 – Valores para Simulação (DDP x Cabos em Paralelo)
70
mm
95
mm
120
IT
1
110000
km
A
1
110000
km
A
1
110000
km
A
1
110000
R1
R2
R3
2
10
0,47
Ω
Ω
Ω
2
10
0,47
Ω
Ω
Ω
2
10
0,47
Ω
Ω
Ω
R4
0,1415
Ω
0,0995
Ω
0,074
Ω
Distância
DDP
1975,972736 V
1495,226 V
Fonte: Elaboração dos Autores, 2012.
mm
1165,908 V
150
mm
185
mm
240
mm
km
A
1
110000
km
A
1
110000
km
A
2
10
0,47
Ω
Ω
Ω
2
10
0,47
Ω
Ω
Ω
2
10
0,47
Ω
Ω
Ω
0,059
Ω
0,051
Ω
0,038
Ω
956,8473 V
840,2526 V
642,6709 V
76
f. DDP para resistência da CF=1 Ω
Tabela 26 – Valores para Simulação (DDP x Cabos em Paralelo)
70
mm
95
mm
120
IT
1
110000
km
A
1
110000
km
A
1
110000
km
A
1
110000
R1
R2
R3
1
10
0,47
Ω
Ω
Ω
1
10
0,47
Ω
Ω
Ω
1
10
0,47
Ω
Ω
Ω
R4
0,1415
Ω
0,0995
Ω
0,074
Ω
Distância
DDP
1076,923983 V
815,0743 V
mm
635,6438 V
150
mm
185
mm
240
km
A
1
110000
km
A
1
110000
km
A
1
10
0,47
Ω
Ω
Ω
1
10
0,47
Ω
Ω
Ω
1
10
0,47
Ω
Ω
Ω
0,059
Ω
0,051
Ω
0,038
Ω
521,7104 V
458,1605 V
mm
350,4547 V
Fonte: Elaboração dos Autores, 2012.
a. Resultados
Gráfico 4 – Valores para Simulação (DDP x Cabos em Paralelo).
Fonte: Elaboração dos Autores, 2012.
Conforme o gráfico acima se observa quando maior a secção dos cabos em paralelos
menor será a DDP, para distância de 1 km entre as estruturas.
Para esse caso:
a. 2 cabos em paralelos de 95mm² atende o nível crítico estabelecido pela norma para até
60% da resistência da malha de terra da estrutura atingida em relação a não atingida.
b. 2 cabos em paralelos de 120mm² o nível crítico estabelecido pela norma para acima de
60% da resistência da malha de terra da estrutura atingida em relação a não atingida.
77
6
CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS
Esta monografia apresenta um conjunto de avaliações dos níveis de sobretensão
em uma instalação de um complexo de geração hidráulica que afetam o SSC devido a surtos
de descargas atmosféricas.
O Raio é uma das causas de perturbação mais importante, em razão da
intensidade. A descarga atmosférica em uma UHE pode causar uma perturbação na forma de
uma diferença de potencial (DDP). Se separadas geograficamente, Casa de Força e
Subestação, a diferença de potencial pode ultrapassar o limite de isolação pode causar danos a
equipamentos eletrônicos do SSC, representando um risco para operação normal da UHE.
Para isto utiliza-se um cabo de equalização de malhas, com a finalidade de deixar as malhas
no mesmo potencial, sendo, portanto este um elemento de grande importância nos resultados
obtidos, pois a DDP causadora do problema em questão depende diretamente da resistência
deste cabo.
A partir dos resultados da análise efetuada no capítulo 5, conclui-se que:
a. Quando menor a distância entre as estruturas menor será a DDP;
b. Quanto menor o valor da resistência de aterramento do local atingido menor a DDP;
c. Quanto menor a resistência do cabo de equalização de potenciais de malha menor a DDP.
Dessa forma, recomenda-se para mitigação dos danos causados aos equipamentos
eletrônicos por surtos de tensão causados por descargas atmosféricas:
a. A instalação da subestação próximo da unidade de geração;
Caso contrário:
b. Utilizar cabos de maior secção, ou cabos em paralelos.
Esta monografia apresentou estudos e possíveis soluções em nível de instalações
considerando apenas a parte resistiva das impedâncias envolvidas. Não foi considerada a parte
reativa dos elementos passivos do circuito. Consequentemente não foram pesquisadas as
frequências de ressonância do circuito. Para estudos futuros sugere-se a inclusão destas
grandezas.
78
REFERÊNCIAS
ABB. A evolução das subestações: ABB conduziu o desenvolvimento da subestação por
mais de 100 anos. Disponível em:
http://www.abb.com.br/cawp/db0003db002698/008c8dd09ef21a20c12576e40047e7a3.aspx.
Acesso em: 12 abr. 2012.
AGENCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA. Livro Arquivo Atlas. Disponível em:
http://www.aneel.gov.br/arquivos/pdf/livro_atlas.pdf. Acesso em: 20 mar. 2012.
ARMSTRONG, H.R., WHITEHEAD, E.R., Field and analytical studies of transmission line
shielding. IEEE Transactions on PAS; New York, vol. 87, p. 270 - 281, Jan. 1968.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR-5419: proteção de
estruturas contra descargas atmosféricas; Rio de Janeiro, 2001.
BROWN, G.W., WHITEHEAD, E.R., Field and analytical studies of transmission line
shielding – II. IEEE Transactions on PAS. New York, vol. 8, p. 617-626, 1969.
CAMPANER, Ronni Marcio. Introdução básica aos conceitos teóricos e Práticos do
estudo de interferências e Compatibilidade eletromagnética em instalações Elétricas;
Curitiba,1999.
CONSULTORIA E ANÁLISE. Sistema de Supervisão e Controle. Disponível em:
http://www.consultoriaeanalise.com/2010/02/sistemas-de-supervisao-e-controle.html. Acesso
em: 19 jun. 2012.
ENGEVIX ENGENHARIA S/A. Usinas Hidrelétricas. Documentação Interna não publica.
FURNAS . Funcionamento Usinas Hidrelétricas. Disponível em:
http://www.furnas.com.br/hotsites/sistemafurnas/usina_hidr_funciona.asp. Acesso em: 10
maio 2012.
INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION . Norma IEC 61000-4Electromagnetic compatibility Testing and measurement techniques. 2006.
INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS . Norma IEEE1046Application Guide for Distributed Digital Control and Monitoring for Power Plants. 1991
79
INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS . Norma IEEE-1243Guia para melhorar o desempenho de Raios de Linha de Transmissão.1997.
INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS . Norma IEEE Std
80- Guide for Safety in AC Substation Grounding.2000.
INSTITUTO NACIONAL DE PESQUISAS ESPACIAIS. Relâmpagos. Disponível em:
http://www.inpe.br/webelat/homepage/menu/relamp/relampagos/tipos.php. Acesso em: 10
maio 2012.
ITAIPU. Barragem. Disponível em: http://www.itaipu.gov.br/energia/barragem. Acesso em:
10 maio 2012.
JARDINI, J. A. Sistemas Digitais para Automação da Geração, Transmissão e
Distribuição de Energia Elétrica. São Paulo,1996.
LOVE, E.R. Improvements on lighting stroke modeling and applications to design of
EHV and UHV transmission lLines, MSC. Thesis. Colorado University; USA, 1973.
MAMEDE, João Filho. Instalações Elétricas Industriais. Rio de Janeiro: 6º Edição, 2001.
MECATRONICA ATUAL . Supervisão. Disponível em:
http://www.mecatronicaatual.com.br/secoes/leitura/381. Acesso em: 19 maio 2012.
SILVEIRA, Paulo Rogério, SANTOS Winderson. Automação e Controle Discreto. São
Paulo: Érica, 1998.
VIANNA, Affonso; VIEIRA, Leonardo dos Santos Reis; NASCIMENTO, Marcos Vinícius
G.. Manual de Aplicação de Sistemas Descentralizados de Geração de Energia Elétrica
para projetos de Eletrificação Rural – Pequenas Centrais Hidroelétricas – PCH’s –
versão 1; Rio de Janeiro: 2000.
VISACRO FILHO, Silvério. Descargas atmosféricas: uma abordagem de engenharia. São
Paulo: Artilibe, 2005.
ZULCY DE SOUZA; SANTOS, Afonso Henrique Moreira; BORTONI,Edson da Costa.
Centrais Hidrelétricas, Implementação e Comissionamento. Editora Interciência. : 2. Ed.
Rio de Janeiro, 2009.
Catálogo de cabos OPGW da Pirelli Telecom. Disponível em:
http://poli.br/~pan/Catalogo%20de%20cabos%20de%20telecom/Pirelli/Opgw.pdf. Acesso em
25 maio. 2012.