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VII Mtodos empregados para a melhoria do desempenhodas linhas de transmisso

As descargas atmosfricas contribuem significativamente no nmero dedesligamentos no programados ocorridos em linhas de transmisso com tensesnominais at 230 kV. De uma maneira geral, os ndices de desligamentos delinhas de transmisso devido s descargas atmosfricas correspondem a umafaixa de 30 a 70% do total de desligamentos no programados, dependendo dascaractersticas do solo e das atividades eltricas das regies atravessadas pelasredes.

Apesar da maioria desses desligamentos serem de natureza transitria (noacarretando em prejuzos para as empresas transmissoras de energia e nareduo dos ndices de qualidade e de continuidade das linhas), as perturbaesno sistema, oriundas desses desligamentos, tm se apresentado como bastantecrticas.

Este fato mais acentuado para linhas de transmisso que alimentamconsumidores industriais que possuem sofisticados equipamentos eletrnicos comprocessos industriais sensveis s perturbaes momentneas, nos quais umapequena interrupo no fornecimento de tenso em um curto intervalo de tempoprovoca uma interrupo nos processos produtivos, cujo tempo mdio derestabelecimento, dependendo do tipo de processo, pode ser de 1 at 6 horas.

Perdas de grandes blocos de cargas tambm tm sido verificadas nas empresasconcessionrias de energia eltrica, provenientes de variaes de tensodecorrentes dos desligamentos transitrios causados pelas descargas.

O EPRI (Electric Power Research Institute) apresenta em seu site informaesestimativas de prejuzos anuais decorrentes de danos causados pelas descargasatmosfricas nos sistemas eltricos e de interrupes nos processos produtivosdos consumidores superiores a U$ 1,000,000,000.

Em adio, interrupes transitrias de linhas consideradas vitais podemocasionar distrbios em toda rede de uma regio.

No caso de linhas de transmisso, um trabalho publicado pelo antigo SubComitde manuteno do GCOI /1/ mostrou que as descargas atmosfricas soresponsveis por aproximadamente 20% dos desligamentos permanentes queocorrem em linhas de transmisso com tenses nominais at 138 kV, podendochegar a um tempo mdio de reparo de at 8 horas.

Estes fatos tm levado empresas concessionrias de energia e consumidoresindustriais a atuar, muitas das vezes em conjunto, no sentido de estabelecerprogramas e estudos com objetivo bsico de reduzir os desligamentos noprogramados de suas linhas de transmisso devido s descargas atmosfricas.

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A partir desses estudos, empresas concessionrias de energia e consumidoresindustriais vm promovendo melhorias ao longo das linhas de transmisso ou emsuas sees mais crticas. Estas melhorias tm reduzido significativamente osndices de desligamentos das linhas e aumentado a confiabilidade das linhas emrelao s cargas dos grandes consumidores industriais.

Existem diferentes mtodos para se reduzir os desligamentos no programadosdas linhas de transmisso devido a ao das descargas atmosfricas, os quaispodem ser utilizados individualmente ou em conjunto:(1) aumentar a distncia de isolamento das cadeias de isoladores;(2) instalao de cabos pra-raios em linhas no providas dessa proteo;(3) melhoria da eficincia de blindagem dos cabos pra-raios;(4) melhoria do desempenho do sistema de transitrio de aterramento,

atravs da melhoria da resistncia de aterramento, da instalao de caboscontrapesos ou atravs da melhoria das caractersticas dos caboscontrapesos;

(5) a instalao de pra-raios de linha.

A efetividade de cada mtodo depende diretamente das caractersticas da linha:topografia e resistividade do solo da regio atravessada pela linha; importncia dalinha e os efeitos de um desligamento sobre as cargas alimentadas pela linha;ndice de desligamento desejado, etc.

VII.1 Aumento da isolao das linhas de transmisso

Aumentar o isolamento de uma linha de transmisso significa, via de regra,aumentar a distncia de arco a seco das cadeias de isoladores. No caso de linhascom tenses nominais de at 44 kV e redes de distribuio, alm do aumento dadistncia de arco a seco dos isoladores possvel aumentar o seu isolamentofazendo uso da isolao de partes da estrutura. Para uma mesma configurao derede e mesmo tipo de isolador, as caractersticas disruptivas das estruturas variamem funo das caractersticas isolantes dos componentes da estrutura e dadistncia dos isoladores em relao aos elementos aterrados.

A isolao das estruturas das redes e linhas de distribuio pode ser interpretadapela combinao das isolaes proporcionadas pelo isolador propriamente dito;pelo tipo e comprimento da cruzeta utilizada; pelo tipo e posicionamento da mofrancesa; pelo tipo de estrutura utilizada (madeira ou concreto) e pelo desenho daestrutura completa, pois a probabilidade da disrupo ser seguida pela passagemde uma corrente de freqncia fundamental (corrente de curto-circuito) estrelacionada com o gradiente da tenso eficaz (kV/m) em que a estrutura estoperando.

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Empresas distribuidoras de energia vm utilizando com mais freqncia para asredes de distribuio brasileiras estruturas (ou postes) de concreto. Quanto ao tipode cruzeta, verifica-se a utilizao tanto de cruzetas de concreto quanto demadeira, com uma predominncia futura para as cruzetas de concreto, devido aquestes ambientais. Cruzetas isolantes constitudas por outros materiais vmsendo desenvolvidas e aplicadas em redes piloto, para fins de avaliao decampo. Com relao mo francesa, verifica-se uma grande predominncia pelautilizao em material de ferro. Da mesma forma que para as cruzetas, mosfrancesas isolantes, constitudas por materiais polimricos em geral (polietileno,fibra de vidro, etc.), esto sendo avaliadas em redes piloto.Diversas literaturas tm apresentado informaes sobre as propriedades dosmateriais isolantes no aumento das caractersticas disruptivas das redes dedistribuio, sendo que a maioria das referncias apresenta informaes sobre aspropriedades das madeiras.

Uma anlise geral mostra que a resistncia da madeira s sobretenses deorigem atmosfrica depende basicamente do comprimento da madeira e daumidade presente, sendo sensivelmente influenciada pelo tratamento e tipo demadeira empregada.

Considerando a estrutura da madeira, comum uma variao considervel entreas suas propriedades eltricas; variaes na faixa de 10% a 20% so comunsmesmo sob condies especiais e controle da umidade presente.

De acordo com informaes apresentadas em /2/, o nvel de isolamento damadeira no significativamente afetado pelo nmero de solicitaes, uma vezque dificilmente o caminho da descarga, quer seja interno ou externo, se repete.No entanto, em caso de penetrao de umidade, esforos repetitivos podemocasionar uma reduo da suportabilidade da madeira para impulsos, devido possibilidade de ocorrncia de fendas, rachaduras, ou outras danificaesmecnicas no material. Estudos realizados mostraram que a madeira seca podeadicionar de 30 kV/m a 430 kV/m suportabilidade do isolador de porcelana,sendo este valor reduzido a 0 a 20 kV/m em condies sob chuva.

A referncia /3/ apresenta um estudo comparativo entre as propriedades isolantesdas estruturas de madeira e de fibra de vidro, com melhores resultados obtidospara as estruturas de fibra de vidro sob as mesmas condies de ensaio. Ensaiosrealizados com impulsos de polaridade positiva sob chuva apresentaram osmenores resultados de suportabilidade. Este estudo apresenta tambminformaes bastante interessantes quanto ao caminho da descarga disruptiva emrelao ao comprimento e s caractersticas das estruturas de fibra de vidroquando submetidas a ensaios de envelhecimento acelerado.

Vrias empresas concessionrias de energia eltrica vm utilizando oprocedimento de aumentar a isolao de forma a obter uma melhoria dodesempenho de redes de distribuio e linhas com tenses nominais at 44 kV,

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atravs da utilizao de postes e cruzetas de madeira; cruzetas de madeira commos francesas isoladas (no caso de postes de concreto); entre outros. O objetivo sempre o de aumentar a tenso de descarga crtica da isolao.

Outro procedimento prtico bastante utilizado e que tem trazido bons resultados,consiste em aplicar isoladores com uma classe de tenso superior tensomxima de operao do sistema. Neste caso, geralmente aplicam-se isoladoresdo tipo pilar. Em casos tpicos de estruturas com os isoladores dispostos de formaque a fase central fique mais prxima do aterramento da estrutura (mo francesa),algumas empresas vm adotando o procedimento de aplicao de cruzetas demadeira isoladas e instalao de isoladores de classe de tenso superior somentena fase central, que a de menor suportabilidade eltrica.

Existe uma limitao tcnica e econmica para esse mtodo, o qual pode seradequado para reduo das descargas disruptivas verificadas em redes dedistribuio e linhas com tenses nominais at 44 kV por tenses induzidas, almde reduzir a probabilidade das descargas disruptivas evolurem para um arco depotncia (com o aumento da distncia de isolao) e provocar o desligamento dosistema. Um aumento da tenso crtica de descarga de uma isolao para valoresda ordem de 300 kV ou maiores, praticamente elimina a probabilidade dedesligamentos das redes de distribuio e linhas de transmisso pelo efeito dasdescargas indiretas.

No caso das descargas diretas, apesar do aumento da isolao da estrutura noser um mtodo eficiente para reduo das descargas disruptivas na isolao, oaumento da isolao das estruturas resulta no aumento do comprimento do arcoeltrico que se estabelece quando da ocorrncia da descarga disruptiva, fato quereduz a probabilidade da descarga disruptiva evoluir para um arco de potncia,com o estabelecimento da corrente de curto-circuito e o desligamento da rede.

J para linhas de transmisso, o aumento do isolamento das linhas traz algumbenefcio no caso de linhas de transmisso com cabos pra-raios. No entanto, viade regra, a relao entre benefcio e custo tem se mostrado muito pequenaquando comparada aos demais mtodos.

Outro ponto que deve ser considerado quando do aumento do nvel da isolao dalinha, est relacionado necessidade de se aumentar o nvel de suportabilidadedos equipamentos a ela conectados (em especial os transformadores, religadorese chaves seccionadoras), ou instalar pra-raios prximos a esses equipamentos.

VII.2 Melhoria do sistema de aterramento

De uma forma em geral, a reduo dos valores de impedncia de aterramento dosps das estruturas leva a uma reduo significativa dos ndices de desligamentosde redes de distribuio e de linhas de transmisso providas de cabos pra-raios.

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Dentre as configuraes de aterramento mais utilizadas pelas empresasconcessionrias de energia em redes de distribuio e linhas de transmisso comtenses nominais de at 69 kV, destaca-se a utilizao de eletrodos (hastes) deaterramento, que consistem de eletrodos rgidos, normalmente de seo circular, ecravados verticalmente no solo atingindo, desta forma, camadas mais profundasque so, na maioria dos casos, de menor resistividade. Os aterramentos utilizandohastes podem conter uma nica haste; ou conter mais de uma haste, dispostas deforma alinhada, em tringulo, em crculo, etc.

No caso de linhas de transmisso com tenses nominais de 138 kV e acima,utiliza-se geralmente a configurao de cabos contrapesos.

Sob condies transitrias, a impedncia de aterramento das estruturas (ZAT) podeser definida pela relao entre a tenso atravs do aterramento e a correnteimpulsiva que se propaga pelo aterramento ao longo do tempo, ou seja:

eAT(t) Tenso resultante no aterramento, devido a corrente impulsiva;iAT(t) Corrente impulsiva que se propaga pelo aterramento.

A relao entre a impedncia de aterramento para impulsos e a resistncia deaterramento medida em baixa freqncia denominada de coeficiente de impulso,e depende basicamente do tipo e da configurao do aterramento considerado.

A melhoria nos valores de resistncia de aterramento medidos em baixafreqncia, atravs do aumento da quantidade de hastes ou modificao em suaconfigurao; do aumento do comprimento e de novos arranjos dos caboscontrapesos nas bases das torres; bem como, em alguns tipos de configuraesde aterramentos, da utilizao de mtodos de tratamento do solo, acarreta umareduo nos valores de impedncia de aterramento das estruturas quandosubmetidas a condies transitrias.

Alm de reduzir os ndices de desligamentos, a melhoria do sistema deaterramento reduz significativamente o ndice de queima de equipamentosinstalados ao longo das redes de distribuio.

Experincias de campo tm mostrado que esse mtodo apresenta melhoriassignificativas no desempenho de redes e linhas de transmisso providas de cabospra-raios quando da incidncia de descargas diretas, bem como tem reduzido onmero de desligamentos de redes com ou sem pra-raios devido s descargasindiretas.

( ) ( )( )tite

tZAT

ATAT =

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Este mtodo apresenta melhorias significativas no desempenho de linhas detransmisso e de redes de distribuio providas de cabos pra-raios e altasimpedncias de aterramento. No entanto, em muitas das vezes, somente amelhoria da impedncia de aterramento e/ou instalao de cabos contrapesos nasbases das estruturas, torna-se invivel sob os pontos de vista tcnico e/oueconmico.

VII.3 Instalao de cabos pra-raios e/ou melhoria do ngulo de blindagem

A instalao de cabos pra-raios em redes de distribuio e linhas de transmissoareas sem blindagem tem por finalidade evitar a incidncia de descargas diretassobre os condutores. No entanto, descargas disruptivas de retorno ou descargasexternas podem ocorrer nas cadeias de isoladores em funo das impedncias deaterramento das estruturas e falhas de blindagem, respectivamente.

A reduo no ndice de desligamentos em redes de distribuio e linhas detransmisso pode ser conseguida atravs da composio instalao de cabospra-raios e melhoria do sistema de aterramento. No entanto, tal soluo pode serinvivel sob o ponto de vista econmico, principalmente se considerarmos que emmuitos dos casos os projetos das estruturas no suportam os esforos mecnicosadicionais que seriam produzidos pela adio do(s) cabo(s) pra-raios, sendonecessrios reforos nas estruturas. Alm disso, nem sempre possveltecnicamente ou vivel economicamente a obteno de valores de impedncia deaterramento a nveis considerados aceitveis.

A instalao do cabo pra-raios reduz de modo considervel o nmero dedescargas diretas sobre os condutores fase. No entanto, a sua instalao eleva aaltura do condutor em relao ao solo, aumentando a rea de exposio dasredes e linhas de transmisso s descargas atmosfricas, com o conseqenteaumento da incidncia de descargas diretas sobre os sistemas.

A instalao de cabos pra-raios para a proteo de descargas diretas nas redeseltricas tem sido amplamente utilizada em linhas de transmisso. No entanto, asua aplicao em redes com tenses nominais at 44 kV limitada devido aalguns fatores, comentados a seguir:

- Normalmente as estruturas das redes tm de ser modificadas a fim de permitir ainstalao do cabo pra-raios no topo do poste e manter um ngulo deblindagem mnimo adequado;

- Em muitos dos casos os projetos das estruturas no suportam os esforosmecnicos adicionais que seriam produzidos pela adio do(s) cabo(s) pra-raios, sendo necessrios reforos nas estruturas que inviabilizam essaaplicao;

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- A efetividade da utilizao de cabos pra-raios na melhoria do desempenho dasredes de distribuio devido s descargas diretas, est diretamenterelacionada s caractersticas da impedncia de aterramento da estrutura e daresistividade do solo.

Estudos tericos tm mostrado que a efetividade deste mtodo para a melhoriade desempenho face a descargas diretas bastante baixa em redes dedistribuio com tenses nominais at 34,5 kV, devido a baixa isolao dasredes, associada s configuraes de aterramento geralmente existentes;

- A maior causa de desligamentos de redes de distribuio areas urbanas soas tenses induzidas, provenientes das descargas indiretas. Embora o cabopra-raios reduza a tenso induzida nas fases, devido a sua proximidade comessas, a sua efetividade para esse tipo de proteo nem sempre justificaeconomicamente a sua aplicao.

VII.4 Pra-raios

Dentre os procedimentos atualmente existentes e acima descritos para aeliminao ou reduo dos ndices de desligamentos transitrios e permanentesde redes de distribuio e linhas de transmisso, bem como para a reduo dondice de queima de equipamentos instalados ao longo dos sistemas eltricosdevido a ao das descargas atmosfricas, a aplicao de pra-raios de linha,muitas vezes associada a melhoria do sistema de aterramento, tem sidoconsiderado como o mtodo atualmente mais efetivo e eficiente e, geralmente,apresenta a melhor relao entre benefcio e custo.

A efetividade na aplicao dos pra-raios de linha torna-se maior para piorescondies topogrficas e de resistividade do solo da regio atravessada pela linhade transmisso.

Experincias de campo tm demonstrado a grande efetividade dos pra-raios paraa reduo dos desligamentos no programados verificados em linhas detransmisso com ou sem pra-raios, para tenses nominais de at 500 kV.

No entanto, para redes de distribuio e linhas com tenses nominais abaixo de69 kV, a eficincia da utilizao de pra-raios para a reduo dos ndices dedesligamentos est diretamente associada ao conhecimento do principalfenmeno responsvel pelos desligamentos, ou seja, se a principal causa dedesligamento a descarga direta ou indireta.

A utilizao de pra-raios para reduo de desligamentos de redes de distribuioe linhas com tenses nominais de at 44 kV por descargas diretas geralmente nose apresenta como uma alternativa tcnica e economicamente vivel. Isto se deveao fato da necessidade de se instalar pra-raios em todas as estruturas(geralmente nas trs fases, dependendo da configurao da rede) ao longo da

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rede de distribuio, ou ao longo do trecho crtico da rede, caso se conhea adistribuio das descargas.

Ao se avaliar a viabilidade tcnica e econmica da aplicao de pra-raios para aproteo das redes por descargas diretas, deve-se analisar as seguintessituaes: (1) a incidncia de descargas no meio do vo entre duas estruturasno protegidas por pra-raios; (2) a incidncia de descargas no meio do vo,estando uma das estruturas protegidas por pra-raios; (3) incidncia de descargasdiretamente sobre a estrutura sem pra-raios; (4) incidncia de descargasdiretamente sobre a estrutura com pra-raios e a probabilidade da ocorrncia dedescargas disruptivas nas estruturas adjacentes.No prximo captulo sero abordados os diversos aspectos referentes a aplicaode pra-raios.

VII.5 Referncias bibliogrficas

/1/ GCOI SubComit de manuteno, Anlise estatstica do desempenho delinhas de transmisso areas, Relatrio Tcnico RT.SCM.CDE.028, 1998.

/2/ Darveniza, M. et alii, Line Design and electrical Properties of Wood, IEEETransactions on Power Apparatus and Systems, Vol PAS 86, No 11,November 1967.

/3/ Grzybowski, S., Added CFO Voltage by the Fiberglass Distribution LinePole.

/4/ Lewis, W. W., The Protection of Transmission Systems Against Lightning./5/ IEEE Std 1410, IEEE Guide for Improving the Lightning Performance of

Electric Power Overhead Distribution Lines, 1997./6/ IEEE Std 1243, IEEE Guide for Improving the Lightning Performance of

Transmission Lines, 1997.