Dissertação Prot Desc Atmosf

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Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Estudo da proteco contra sobretenses provocadas por descargas atmosfricas na Subestao da Rgua.

Jos Joo do Patrocnio Guimares Pestana

Dissertao realizada no mbito do Mestrado Integrado em Engenharia Electrotcnica e de Computadores Major Energia

Orientador: Prof. Doutor Antnio Carlos Seplveda Machado e Moura Doutor Co-orientador: Eng. Lus Jos Fernandes Martins orientador:

Fevereiro de 2010

Jos Joo do Patrocnio Guimares Pestana, 2010

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Resumo

Um grave acidente ocorrido na Subestao da Central Hidroelctrica da Rgua no dia 24 de Maio de 2009 teve como consequncia a destruio total do autotransformador a existente. Acredita-se que o incndio tenha sido causado por uma descarga atmosfrica, j que nesse dia e na hora da ocorrncia registaram-se altos nveis de actividade atmosfrica na regio. No sendo esta a primeira vez que descargas atmosfricas esto na origem de incidentes ocorridos na Subestao da Rgua, impunha-se efectuar um estudo detalhado das proteces implementadas contra descargas incidentes directamente sobre a Subestao e contra sobretenses propagadas pelas linhas. A presente dissertao apresenta explicaes para a formao de tempestades e consequente ocorrncia de descargas atmosfricas, e os meios existentes e as tcnicas utilizadas na proteco de equipamentos de alta tenso presentes em subestaes. Com base nas teorias expostas, estudado o caso particular da Subestao da Rgua e retiradas as devidas concluses quanto eficcia das proteces presentemente implementadas. Nas situaes em que os requisitos considerados mnimos no so cumpridos, so propostas solues com o objectivo de aumentar a eficcia da proteco.

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Abstract

A serious accident occurred at the Rgua Hydroelectric Power Plant Substation on the 24th

May 2009 resulted in the total destruction of the autotransformer. It is believed that

the fire has been caused by a lightning discharge, since in this day and time of occurrence there were high levels of discharge activity in the region. This is not the first time that lightning discharges are the cause of incidents in Rgua Substation. Therefore, it was necessary to accomplish a detailed study of the performance protection against lightning surges caused by direct discharges in the Substation area and propagation through the lines. This dissertation presents explanations of storms formation and subsequent lightning occurrence, and the techniques and methods employed in the protection of high voltage equipments used in substations against those phenomena. Based in the exposed theories, the particular case of Rgua Substation is studied in order to obtain conclusions regarding the protection performance currently implemented. In situations considered to be under dimensioned, solutions are proposed with the aim of increase the protection effectiveness.

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Agradecimentos

A todo o Departamento de Estudos e Obras da Direco de Manuteno Hidrulica da EDP Produo, nomeadamente aos electrotcnicos, em especial ao Engenheiro Lus Martins pela partilha de conhecimentos, pacincia e disponibilidade demonstrada. Ao Professor Doutor Antnio Machado e Moura por todo o apoio, incentivo e partilha de ideias. Ao Engenheiro Marco Silva e Engenheiro Carlos Varandas do Departamento de Estudos e Desenvolvimento do LABELEC pelo esclarecimento de algumas dvidas e recomendaes bibliogrficas. Rute pela pacincia e prontido na reviso da escrita do documento e pelos ensinamentos de CAD.

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Resumo ............................................................................................. v Abstract ............................................................................................ vii Agradecimentos .................................................................................. ix ndice............................................................................................... xi Lista de figuras .................................................................................. xiii Lista de tabelas ................................................................................ xvii Abreviaturas e Smbolos ....................................................................... xix Captulo 1Introduo ......................................................................................................... 1 1.1 - Motivao ............................................................................................... 1 1.2 - Objectivos ............................................................................................... 3 1.3 - Organizao do texto ................................................................................. 3

Captulo 2Mecanismos de formao de descargas atmosfricas e tcnicas de proteco ....................... 5 2.1 - A descarga atmosfrica ............................................................................... 5 2.1.1 - Formao da nuvem de trovoada ............................................................ 5 2.1.2 - Formao do raio ............................................................................... 7 2.2 - Nvel isocerunico e densidade de descargas no solo ........................................... 8 2.3 - A onda de sobretenso .............................................................................. 10 2.4 - Elementos de proteco ............................................................................ 12 2.4.1. - Cabos de guarda e hastes de Franklin .................................................... 12 2.4.2. - Descarregadores de sobretenses ......................................................... 14 2.5 - Modelo de blindagem emprico .................................................................... 16 2.5.1 - Mtodo dos ngulos fixos .................................................................... 17 2.5.2 - Mtodo das curvas empricas ............................................................... 18 2.6 - Modelo de blindagem electrogeomtrico ........................................................ 20 2.6.1 - Mtodo da esfera rolante .................................................................... 22 2.6.2 - Mtodo computacional de Mousa........................................................... 22 2.7 - Desempenho de proteco ......................................................................... 23

Captulo 3Caracterizao da Subestao da Rgua................................................................... 25

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3.1. - Subestao da Rgua ............................................................................... 25 3.2. - Fenmenos tempestuosos na Central da Rgua ............................................... 28 3.3. - O incidente de 24 de Maio de 2009 .............................................................. 29

Captulo 4Anlise da proteco actual da Subestao da Rgua .................................................. 31 4.1 - Situao da proteco contra sobretenses incidentes directamente na Subestao ............................................................................................ 31 4.1.1 - Modelo emprico mtodo dos ngulos fixos ............................................ 32 4.1.2 - Modelo electrogeomtrico mtodo da esfera rolante ................................ 34 4.1.3 - Concluses ..................................................................................... 38 4.2 - Situao da proteco contra sobretenses propagadas pelas linhas ...................... 40 4.2.1 - O papel dos descarregadores de sobretenses .......................................... 41 4.2.2 - Concluses ..................................................................................... 45

Captulo 5Propostas para melhorias..................................................................................... 49 5.1 - Aumento da eficcia da blindagem da Subestao ............................................ 49 5.2 - Aumento da eficcia da proteco contra sobretenses provenientes das linhas ....... 56

Captulo 6Eplogo ........................................................................................................... 61 6.1 - Concluses finais ..................................................................................... 61 6.2 - Propostas para trabalhos futuros ................................................................. 62

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Lista de figuras

Figura 1.1 Esquema unifilar simplificado da rea de estudo da Subestao da Rgua. ........2 Figura 2.1 Organizao das cargas na nuvem. .........................................................6 Figura 2.2 Reorganizao das cargas na nuvem. ......................................................6 Figura 2.3 As vrias etapas da formao do raio e consequente descarga para a terra. .......8 Figura 2.4 Mapa de Portugal com curvas de nvel isocerunico.....................................9 Figura 2.5 Onda de tenso normalizada de choque atmosfrico. ................................ 11 Figura 2.6 Onda de corrente normalizada de choque atmosfrico. .............................. 11 Figura 2.7 Ondas incidente, reflectida e refractada................................................ 11 Figura 2.8 Descarga sobre um apoio. .................................................................. 13 Figura 2.9 Esquema elctrico para anlise de descarga............................................ 14 Figura 2.10 Resistncia de caracterstica no linear, prpria de um varstor, apresentando fenmeno de histerese. ............................................................ 15 Figura 2.11 ngulos de proteco com cabos de guarda ou hastes. ............................. 17 Figura 2.12 Zona protegida por dois cabos de guarda. ............................................. 17 Figura 2.13 Equipamentos em anel protegidos por uma s haste. .