Tese Rodrigues

7/26/2019 Tese Rodrigues

1/250

UNIVERSIDADE DA BEIRA

INTERIOR

PROTECO DE SISTEMAS DE ENERGIA ELICA

CONTRA DESCARGAS ELCTRICAS ATMOSFRICAS

RAFAEL BAPTISTA RODRIGUES

(MESTRE)

TESE PARA OBTENO DO GRAU DE DOUTOR EM

ENGENHARIA ELECTROTCNICA

Orientador: Doutor Joo Paulo da Silva Catalo

Co-orientador: Doutor Victor Manuel Fernandes Mendes

FEVEREIRO 2010


2/250

Tese realizada sob orientao de

Professor Doutor Eng. Joo Paulo da Silva Catalo

e sob co-orientao deProfessor Doutor Eng. Victor Manuel Fernandes Mendes

Respectivamente, Professor Auxiliar do

Departamento de Engenharia Electromecnica da

UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR

e Professor Coordenador com Agregao do

Departamento de Engenharia Electrotcnica e Automao do

INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE LISBOA


3/250

Dedicado Lusa, minha companheira de sempre,

e aos meus filhos Teresa, Miguel e Margarida


4/250

i

Resumo

Esta tese incide sobre o tema da proteco de sistemas de energia elica contra

descargas elctricas atmosfricas. Foram disponibilizados, para o propsito

desta tese, os registos dos primeiros cinco anos de actividade do sistema

automtico de deteco de trovoadas do Instituto de Meteorologia.

Novos resultados referentes caracterizao da actividade cerunica sobre o

territrio continental Portugus so apresentados. elaborada uma modelao

matemtica adequada ao estudo da propagao das sobretenses transitriascausadas por DEA. Um novo modelo sobre a proteco de sistemas de energia

elica foi desenvolvido e sujeito a simulao com o programa de computador

EMTP-RV. Os resultados da simulao com o EMTP-RV so apresentados e

discutidos. Ainda, foi desenvolvido um novo programa de computador,

LPS 2008. O LPS 2008 permite efectuar a anlise de risco de danos causados

por DEA de acordo com a norma internacional IEC 62305-2. O LPS 2008

simula o modelo da esfera rolante proposto pela IEC 62305, identificando os

pontos vulnerveis de uma estrutura e permitindo ao projectista conceber um

sistema de proteco eficaz.


5/250

ii

Palavras-chave

Modelao e Simulao

Parques Elicos

Proteco contra DEA

Proteco contra Sobretenses Transitrias

Anlise do Risco

Mtodo da Esfera Rolante


6/250

iii

Abstract

This thesis focuses on the lightning protection of wind power plants. For the

purpose of this thesis, the records of the first five years of operation of the

Lightning Location System were made available by the Portuguese Institute of

Meteorology. New results concerning the characterization of the lightning

activity over the continental territory of Portugal are presented. A mathematical

model suitable for studying the transient overvoltages caused by lightning is

provided. A new lightning protection wind turbine model was developed for thesimulations carried out with the computer program EMTP-RV. The results of the

simulation with EMTP-RV are presented and discussed. A new computer

program, LPS 2008, was developed for the purpose of this thesis. LPS 2008 is

able to perform risk analysis due to lightning damages in accordance with

IEC 62305-2. LPS 2008 is also able to simulate the rolling sphere model

proposed by IEC 62305, identifying the vulnerable points on a given structure

and enabling the design of a reliable lightning protection system.


7/250

iv

Keywords

Modelling and Simulation

Wind Power Plants

Lightning Protection

Transient Overvoltages Protection

Risk Analysis

Rolling Sphere Method


8/250

v

Agradecimentos

Ao Professor Doutor Joo Paulo da Silva Catalo, Professor Auxiliar do

Departamento de Engenharia Electromecnica da Universidade da Beira

Interior, principal responsvel como orientador cientfico, desejo expressar o

meu profundo agradecimento por tantos motivos que tornariam este texto

demasiado extenso. De facto, o Professor Doutor Joo Paulo da Silva Catalo

no se poupou a esforos desde que nos conhecemos em Agosto de 2007.

Incansvel na procura de bibliografia de apoio, excelente na reviso de textos,na escolha de conferncias ou revistas para divulgao dos trabalhos,

e inexcedvel no apoio e motivao constantes. Foi um enorme privilgio para

mim poder trabalhar ao seu lado e contar com a sua amizade e ser certamente

um privilgio para qualquer aluno t-lo como Professor. Bem-haja Prof.

Catalo.

Ao Professor Doutor Victor Manuel Fernandes Mendes, Professor Coordenadorcom Agregao do Departamento de Engenharia Electrotcnica e Automao do

Instituto Superior de Engenharia de Lisboa, responsvel como co-orientador

cientfico, desejo expressar o meu agradecimento por ter acreditado neste

projecto desde o seu inicio, por me ter ajudado a encontrar o caminho para o

concretizar e por todos os momentos de discusso, aconselhamento, partilha de

conhecimento e amizade.

Ao Professor Doutor Carlos Manuel Pereira Cabrita, Professor Catedrtico do

Departamento de Engenharia Electromecnica da Universidade da Beira

Interior, desejo expressar o meu agradecimento pelo caloroso acolhimento na

Universidade da Beira Interior e pelo interesse continuado que manteve sobre os

resultados do trabalho de investigao.


9/250

vi

Ao Professor Doutor Jos Carlos Loureno Quadrado, Professor Coordenador

com Agregao do Departamento de Engenharia Electrotcnica e Automao do

Instituto Superior de Engenharia de Lisboa, desejo expressar o meu

agradecimento pela ajuda e estmulo constante na prossecuo dos meus

objectivos quer acadmicos quer profissionais.

Ao Doutor Victor Manuel Martins Soares Prior, Coordenador do Processamento

e Previso Numrica do Estado do Tempo do Instituto de Meteorologia, desejo

expressar o meu agradecimento pela oportunidade de poder trabalhar em

primeira mo informao do sistema automtico de deteco de trovoadas.

Parque Expo 98, S.A. e Parque Expo Gesto Urbana do Parque das

Naes, S.A., desejo expressar o meu agradecimento pela compreenso, estmulo

e apoio financeiro com que me agraciaram.

Ainda, Professora Doutora M. T. Correia de Barros, do Instituto Superior

Tcnico, Professora Doutora Mnica Aguado, da Universidade Pblica de

Navarra, Dr. Sandra Correia, do Instituto de Meteorologia e a todos aqueles

que contriburam directa ou indirectamente para a elaborao deste trabalho de

doutoramento, desejo expressar o meu agradecimento.


10/250

vii

ndice

Captulo 1 Introduo 1

1.1 Enquadramento 2

1.2 Motivao 10

1.3 Estado da Arte 14

1.4 Organizao do Texto 24

1.5 Notao 26

Captulo 2 Descarga Elctrica Atmosfrica 27

2.1 Introduo 28

2.2 Formao das Nuvens de Trovoada 29

2.3 Desenvolvimento da DEA 32

2.4 Processo de Impacto 37

2.5 Parmetros da DEA 40

Captulo 3 Caracterizao da Actividade Cerunica em

Portugal Continental 49

3.1 Introduo 50

3.2 Sistemas de Localizao de DEA 50

3.3 Sistema de Localizao de DEA em Portugal 593.4 Mtodo de Anlise 63

3.5 Resultados e Discusso

66

3.6 Concluses 78


11/250

viii

Captulo 4 Proteco dos Parques Elicos contra Efeitos

Indirectos das DEA 82

4.1 Introduo 83

4.2 Modelao Matemtica 84

4.3 Ferramenta Computacional EMTP-RV 91

4.4 Resultados e Discusso 93

4.5 Concluses 115

Captulo 5 Proteco dos Parques Elicos contra Efeitos

Directos das DEA 116

5.1 Introduo 117

5.2 Anlise do Risco de Danos 121

5.3 Modelo Electrogeomtrico e RSM 126

5.4 Ferramenta Computacional LPS 2008 130

5.5 Resultados e Discusso 137

5.6 Concluses 148

Captulo 6 Concluso 150

6.1 Contribuies 151

6.2 Publicaes 153

6.3 Direces de Investigao 157

Referncias Bibliogrficas 158


12/250

ix

Apndice A 172

A.1 Caracterizao da Actividade Cerunica em

Portugal Continental 173

Apndice B 186

B.1 Introduo ao Programa LPS 2008 187

B.2 Desenhar Objectos em 3D 188

B.3 Obteno das reas de Influncia 197

B.4 Executar o Programa LPS 2008 200

B.5 Simulao do Modelo RSM com o LPS 2008 212


13/250

x

Lista de Figuras

Fig. 1.1 Saldo importador de produtos energticos entre 2000 e

2008 (Fonte: DGEG) ............................................................... 2

Fig. 1.2 Repartio da produo de energia elctrica em 2008 e

2009 (Fonte: REN) .................................................................. 4

Fig. 1.3 Atlas elico mundial (Fonte: www.climate-

charts.com/images/NasaWindSpeed) ..................................... 5

Fig. 1.4 Atlas elico de Portugal (Fonte: INETI) ................................. 6

Fig. 1.5 DEA atinge aerogerador no parque elico de Torres

Vedras em 09/09/2009 ............................................................ 12

Fig. 1.6 Danos causados pela DEA na nacelle do aerogerador

atingido no parque elico de Torres Vedras em

09/09/2009 .............................................................................. 13

Fig. 2.1 DEA sobre o Parque das Naes em 09/09/2009 .................... 29

Fig. 2.2 Mecanismos de elevao do ar quente e hmido naatmosfera (Fonte: IM) ............................................................. 30

Fig. 2.3 Classificao das nuvens (Fonte: IM) ..................................... 31

Fig. 2.4 Relao entre a frequncia e o mtodo de localizao das

DEA [19] ................................................................................ 35


14/250

xi

Fig. 2.5 a) DEA fotografada com uma cmara em repouso.

b) DEA fotografada com uma cmara em movimento [24] .... 37

Fig. 2.6 Processos envolvidos numa DEA nuvem-solo negativa[24] ......................................................................................... 38

Fig. 2.7 Definio dos parmetros do arco-de-retorno curto

(T2< 2 ms) [5] ......................................................................... 40

Fig. 2.8 Definio dos parmetros do arco-de-retorno longo

(2 ms < Tlong< 1 s) [5] ............................................................ 41

Fig. 2.9 Possveis combinaes de arcos-de-retorno em DEA

descendentes (tpicas em terrenos planos e estruturas

baixas) [5] ............................................................................... 41

Fig. 2.10 Densidade de probabilidade de i, segundo a IEC 61663-1,

CIGRE e Eriksson [27] ........................................................... 43

Fig. 2.11 Distribuio da frequncia acumulada dos parmetros da

DEA [5] ................................................................................ 45

Fig. 3.1 Situao ptima para o mtodo DF [33] ................................. 51

Fig. 3.2 a) Mtodo TOA da direco hiperblica. b) Exemplo de

ambiguidade [34] .................................................................... 53

Fig. 3.3 Exemplo de localizao do algoritmo IMPACT [34] ............. 54

Fig. 3.4 Em cima: representao altitude/tempo de DEA nuvem-

solo; em baixo: representao altitude/distncia horizontal

em direco a norte de DEA [18] ........................................... 57


15/250

xii

Fig. 3.5 Em cima: representao altitude/distncia horizontal em

direco a norte de DEA nuvem-nuvem; em baixo:

representao XY de DEA [18] ............................................. 58

Fig. 3.6 Mapa de nvel isoceraunico de Portugal continental, desde

1961 a 1990 (Fonte: IM) ........................................................ 60

Fig. 3.7 Detector instalado em Braga e aspecto das antenas

electromagnticas (Fonte: IM) ........................................... 62

Fig. 3.8 Localizao actual dos detectores IMPACT e expanso

prevista ao territrio insular (Fonte: IM) ................................ 62

Fig. 3.9 Preciso de localizao e eficincia de deteco para DEA

maiores que 5 kA (Fonte: IM) ................................................ 62

Fig. 3.10 Aspecto da visualizao obtida em 29/10/2002 (Fonte:

IM) .......................................................................................... 63

Fig. 3.11 Agrupamento dos registos segundo critrios de validao ..... 64

Fig. 3.12 reas de trabalho consideradas .............................................. 65

Fig. 3.13 Aspecto de um ficheiro de dados ASCII do IM ..................... 66

Fig. 3.14 DEA em funo da latitude em 2007 ...................................... 69

Fig. 3.15 DEA em funo da longitude em 2007 .................................. 70

Fig. 3.16 DEA em funo do ms na regio B em 2007 ........................ 71

Fig. 3.17 Probabilidade acumulada do pico de corrente sobre a

regio B ................................................................................... 72


16/250

xiii

Fig. 3.18 Mapa GFD global de Portugal de 2003 a 2006 (Fonte:

IM) ...................... 74

Fig. 3.19 Mapas GFD de Portugal com DEA positivas de 2003 a2006 (Fonte: IM) .... 75

Fig. 3.20 Mapas GFD de Portugal com DEA negativas de 2003 a

2006 (Fonte: IM) ... 76

Fig. 3.21 Mapa orogrfico de Portugal (Fonte: IGP) ............................ 78

Fig. 4.1 Circuito equivalente de uma linha de transmisso

considerada com parmetros distribudos ............................... 87

Fig. 4.2 Ps do rotor do aerogerador (Fonte: Enercon) ........ 94

Fig. 4.3 Sistema de accionamento do aerogerador (Fonte:Enercon) .................................................................................. 94

Fig. 4.4 Ligao do aerogerador ao transformador (Fonte:

Enercon) .................................................................................. 95

Fig. 4.5 Esquema elctrico da torre elica (Fonte: Siemens) ............... 96

Fig. 4.6 Esquema elctrico equivalente em EMTP-RV da Fig.4.5em funcionamento normal ...................................................... 98

Fig. 4.7 Modelo da linha de parmetros distribudos CP ..................... 100

Fig. 4.8 Formas de onda da tenso: a) sada do gerador (m2);

b) sada do transformador elevador (m6, 7, 9); c) sada

do transformador auxiliar (m4) ............................................... 104


17/250

xiv

Fig. 4.9 Esquema elctrico equivalente em EMTP-RV da Fig.4.5

com DEA indirecta .................................................................. 105

Fig. 4.10 Formas de onda da sobretenso resultantes da simulaoem EMTP-RV do esquema da Fig.4.9: a) sada do

gerador (m2); b) sada do transformador elevador (m6,

7, 9); c) sada do transformador elevador (m1); d)

sada do transformador auxiliar (m4) ...................................... 106


com DEA indirecta e DPST quase idealmente ligado ............. 107

Fig. 4.12 Formas de onda da sobretenso resultantes da simulao

em EMTP-RV do esquema da Fig.4.11: a) sada do

gerador (m2); b) sada do transformador elevador (m1);

c) sada do transformador auxiliar (m4) ............................... 108


com DEA indirecta e DPST idealmente ligado ....................... 109





Fig. 4.15 Esquema elctrico com dois aerogeradores ............................. 111


com ocorrncia de uma DEA indirecta junto a uma das

torres ................................ 112


18/250

xv



transformador elevador (m1); b) sada do transformador

auxiliar (m4); c) sada do transformador elevador (m16);

d) sada do transformador auxiliar (m12) ............................ 113

Fig. 4.18 Formas de onda da sobretenso obtidas para esquema da

Fig.4.16 com I =200 kA: a) sada do transformador

elevador (m1); b) sada do transformador auxiliar (m4);

c) sada do transformador elevador (m16) ........................ 114

Fig. 5.1 Capacidade instalada na Europa em Finais de 2008 [73] ....... 117

Fig. 5.2 Capacidade instalada e acumulada em Portugal (Junho de

2009 [73]) ............................................................................... 118

Fig. 5.3 Localizao dos parques elicos em Portugal (Junho de

2009 [73]) ............................................................................... 118

Fig. 5.4 Modelo E-126 da Enercon (Fonte: Enercon) .......................... 119

Fig. 5.5 Aplicao do modelo electrogeomtrico proteco de

um condutor de fase de uma linha area [83] ...................... 128

Fig. 5.6 Ecr de boas-vindas do LPS 2008 ....... 131

Fig. 5.7 LPS 2008 a ser executado com o AutoCAD .......................... 132

Fig. 5.8 Um dos ecrs de entrada de dados no LPS 2008 .................... 134


19/250

xvi

Fig. 5.9 Fluxograma para deciso de instalao de medidas de

proteco adicionais no LPS 2008 .......................................... 135

Fig. 5.10 Ecr para simulao do RSM no LPS 2008 ............................ 136

Fig. 5.11 Aerogerador modelado em 3D no AutoCAD .......................... 138

Fig. 5.12 Resultado da simulao do RSM com o LPS 2008 ao

aerogerador .............................................................................. 139


com DEA directa ..................................................................... 139



gerador (m2); b) sada do transformador elevador (m6,

7, 9); c) sada do transformador elevador (m1); d)

sada do transformador auxiliar (m4) ..................................... 140


com DEA directa e com DPST quase idealmente ligado ........ 141






com DEA directa e com DPST idealmente ligado ................. 143


20/250

xvii


em EMTP-RV do esquema da Fig.14: a) sada do




com ocorrncia de uma DEA directa numa das torres ............ 145



elevador (m1); b) sada do transformador auxiliar (m4);c) sada do transformador elevador (m16); d) sada do

transformador auxiliar (m12) .................................................. 146



elevador (m1); b) sada do transformador auxiliar (m4);

c) sada do transformador elevador (m16); d) sada dotransformador auxiliar (m12) .................................................. 147

Fig. A.1 DEA em funo da latitude em 2003 ...................................... 173




Fig. A.5 DEA em funo da longitude em 2003 ................................... 175


21/250


22/250

xix

Fig. B.1 a) Vista em planta do edifcio b) Vista em perspectiva

isomtrica ............................................................................... 192

Fig. B.2 Edifcio complexo pretendido ................................................. 193

Fig. B.3 Resultado aps construo das duas caixas ........................... 193

Fig. B.4 Resultado aps executar Union ........................................... 194

Fig. B.5 a) Aspecto das duas cunhas b) Resultado aps o comando

Union ................................................................................... 195

Fig. B.6 Aspecto de todas as cunhas ..................................................... 195

Fig. B.7 a) O efeito do comando Slice b) Aspecto de todas as

cunhas aps o comando Slice ............................................... 195

Fig. B.8 Aspecto final do telhado ......................................................... 196

Fig. B.9 Aspecto final da portaria ......................................................... 196

Fig. B.10 Desenho 3D respeitante ao edifcio da Fig. B.1,

mostrando as reas de influncia ............................................. 197

Fig. B.11 Resultado do comando Arc Start Center End ....................... 198

Fig. B.12 Resultado do comando Trim ............................................... 199

Fig. B.13 Ecr de Boas-Vindas do LPS 2008 ..................................... 201

Fig. B.14 Ecr inicial do LPS 2008 ........................................................ 201

Fig. B.15 Anlise do risco de danos a um aerogerador com 116 m

de altura segundo a BS 6651 ................................................... 202


23/250

xx

Fig. B.16 Entrada de dados para anlise do risco de danos a um

aerogerador com 116 m de altura segundo a IEC 61662,

ecr D1 ..................................................................................... 203



ecr D2 .................................................................................... 204



ecr D3 .................................................................................... 204



ecr D4 ..................................................................................... 205



ecr D5 .................................................................................... 205

Fig. B.21 Resultados da anlise do risco de danos a um aerogerador

com 116 m de altura segundo a IEC 61662, ecr R1 ............... 206


com 116 m de altura segundo a IEC 61662, ecr R2 .............. 206

Fig. B.23 Concluses da anlise do risco de danos a um aerogerador

com 116 m de altura segundo a IEC 61662, ecr C ................ 207


com 116 m de altura segundo a IEC 61662 com IPR de

nvel III, ecr C ....................................................................... 208


24/250

xxi


aerogerador com 116 m de altura segundo a IEC 62305-2,

ecr D1 .................................................................................... 209



ecr D2 .................................................................................... 209



ecr D3 ..................................................................................... 210



ecr D4 .................................................................................... 210


com 116 m de altura segundo a IEC 62305-2, ecr R1 ........... 211


com 116 m de altura segundo a IEC 62305-2 com IPR de

nvel IV, ecr C1 ..................................................................... 211


com 116 m de altura segundo a IEC 62305-2 com IPR e

DPST de nvel IV, ecr C1 ..................................................... 212

Fig. B.32 Simulao do RSM a um aerogerador com 116 m de

altura segundo a IEC 62661 com IPR de nvel III, ecr

RSM ........................................................................................ 213


25/250

xxii

Fig. B.33 Resultado da simulao do RSM a um aerogerador com

116 m de altura segundo a IEC 62661 com IPR de nvel I

e IV .......................................................................................... 214

Fig. B.34 Igreja dos Pastorinhos modelada em 3D com o AutoCAD ..... 215

Fig. B.35 Resultado da simulao do RSM Igreja dos Pastorinhos ..... 216

Fig. B.36 IPR na igreja dos Pastorinhos .................................................. 217


26/250

xxiii

Lista de Tabelas

Tabela 2.1 Classificao oficial das sobretenses at 1993, segundo a

IEC ........................................................................................... 44

Tabela 2.2 Valores dos parmetros da DEA de CIGRE (Electra N. 41

ou N. 69) e [5] ........................................................................ 46

Tabela 2.3 Valores de e log de CIGRE (Electra N. 41 ou N. 69)[5] ... 47

Tabela 3.1 Agrupamento dos registos segundo critrios de validao ...... 64

Tabela 3.2 Valor absoluto e relativo de DEA por ano e por polaridade .... 67

Tabela 3.3 Valores de GFD e Td .............................................................. 68

Tabela 5.1 Valores tpicos para RT ...........................................................125

Tabela 5.2 Dados tpicos para caracterizar uma estrutura .........................133

Tabela 5.3 Dados tpicos para caracterizar a instalao elctrica daestrutura, o seu equipamento electrnico e a linha de

abastecimento de energia .........................................................133

Tabela 5.4 Dados tpicos para caracterizar as zonas de uma estrutura ......134


27/250

xxiv

Lista de Siglas

2D Duas Dimenses

3D Trs Dimenses

AT Alta Tenso

BOD Breakover Diode

BT Baixa Tenso

CIGRE Conseil International des Grands Rseaux lectriques

CP Constant Parameter

CRDF Cathode Ray Direction Finder

DEA Descarga Elctrica Atmosfrica

DF Direction Finders

DGEG Direco Geral de Energia e Geologia

DPST Dispositivos de Proteco contra Sobretenses Transitrias

EMTP Electro-Magnetic Transient Program

GAI Global Atmospherics Inc.

GDT Gas Discharge Tube

GFD Ground Flash Density

IE Instalao Elctrica


28/250

xxv

IEC International Electrotechnical Commission

IGP Instituto Geogrfico Portugus

IM Instituto de Meteorologia

IMPACT Improved Accuracy Using Combined Technology

INEGI Instituto de Engenharia Mecnica e Gesto Industrial

INERIS Institut National de lEnvironnement Industriel et des Risques

INETI Instituto Nacional de Engenharia, Tecnologia e Inovao

IPR Instalao de Pra-Raios

ktep Quilo Toneladas Equivalentes de Petrleo

LF Low Frequency

LLS Lightning Location System

LPATS Lightning Position and Tracking System

MAT Muito Alta Tenso

MOV Metal Oxide Varistor

MT Mdia Tenso

M Milhes de Euros

NS Norte-Sul

PT Posto de transformao

QE Quadro de Entrada


29/250

xxvi

REN Rede Elctrica Nacional

RSM Modelo da Esfera Rolante

TOA Time of Arrival

TSS Tyristhor Surge Supressor

UE Unio Europeia

VLF Very Low Frequency

VHF Very High Frequency

WE West-East


30/250

xxvii

Lista de Smbolos

A rea

Constante de atenuao

B Densidade de fluxo magntico

Desvio padro logaritmico ou constante de fase

C Capacidade

Cd Factor de localizao

Ce Factor ambiental

Ct Factor de correco transformador MT/BT

c Velocidade da luz no vcuo

D Densidade de fluxo elctrico

d Distncia ou profundidade de enterramento

Profundidade de penetrao

E Intensidade do campo elctrico

Permitividade dielctrica do meio

0 Permitividade dielctrica do vcuo

r Permitividade dielctrica relativa do meio


31/250

xxviii

f Frequncia

Fluxo magntico

G Condutncia

H Intensidade do campo magntico

H Altura a que se encontra o condutor do solo

i Intensidade da corrente elctrica

I Valor de pico da intensidade da corrente elctrica

Jc Densidade da corrente

K Escarpamento

KS1 Coeficiente da presena de blindagem

KS2 Coeficiente de equipotencializao

KS3 Coeficiente da instalao dos cabos

KS4 Coeficiente da tenso suportada Uw

L Coeficiente de auto-induo ou perda mdia em consequncia de

uma DEA capaz de influenciar a estrutura ou o servio

l Comprimento

M Valor mdio

Permeabilidade magntica do meio

0 Permeabilidade magntica do vcuo


32/250

xxix

r Permeabilidade magntica relativa do meio

N Nmero anual de DEA capaz de influenciar a estrutura ou o

servio

P Probabilidade de uma DEA com influncia na estrutura ou

servio causar danos

Q Carga elctrica

R Resistncia ou risco global de danos causados por DEA

rcd Raio do condutor

Resistividade do solo

v Densidade volumtrica de carga elctrica

Sm Incremento mximo

s Seco do condutor

Condutividade

log Disperso

t Tempo

tf Tempo de frente de onda

th Tempo de meia onda

u Tenso elctrica

V Potencial elctrico


33/250

xxx

v Velocidade de propagao de uma onda mvel numa linha de

transmisso

W Energia

Frequncia angular

x Espao

Z Impedncia

Z0 Impedncia impulsiva


34/250

1

CAPTULO

1

Introduo

Neste captulo abordado e enquadrado o tema da energia elica nos contextos

ambiental, energtico e potencial de desenvolvimento. O recente e enormecrescimento de potncia instalada em parques elicos, no mundo em geral e na

Europa e Portugal em particular, as descargas elctricas atmosfricas, enquanto

causa principal de danos destes sistemas, e a possibilidade de utilizar os registos

dos primeiros anos de funcionamento do sistema de deteco de trovoadas do

Instituto de Meteorologia, so alguns dos factores de motivao para abordar

este tema. Apresenta-se uma reviso do estado da arte e descrita a forma como

o texto est organizado. Finalmente, apresenta-se a notao utilizada nesta tese.


35/250

Introduo

2

1.1 Enquadramento

A assinatura do Protocolo de Quioto em 1997 aumentou significativamente a

reflexo sobre as questes ambientais no que concerne s decises polticas quer

a nvel mundial quer a nvel de cada nao, sobre a mitigao das emisses

antropognicas dos gases responsveis pelo efeito de estufa. O protocolo entrou

em vigor em 16 de Fevereiro de 2005 e fixou metas para os diversos pases

signatrios at 2012. Assim, para os pases da Unio Europeia (UE), no global

foi fixada uma reduo de 8% face aos nveis de emisso verificados em 1990.

A evoluo nacional do saldo importador de produtos energticos entre 2000 e

2008, de acordo com a factura energtica de 2008 da responsabilidade da

Direco Geral de Energia e Geologia (DGEG), apresentado na Fig. 1.1.

Fig. 1.1 Saldo importador de produtos energticos entre 2000 e 2008 (Fonte: DGEG)

Na Fig. 1.1 as colunas representam o saldo importador em quilo toneladas

equivalentes de petrleo (ktep) e as reas representam o saldo importador em

milhes de euros (M).


36/250

Introduo

3

O petrleo bruto e os seus refinados representaram em 2008 cerca de 77 % do

saldo importador em M (Fonte: DGEG), o que representa uma forte

dependncia exterior de produtos energticos no renovveis com

responsabilidade no efeito de estufa.

O Governo Portugus aprovou uma estratgia nacional para a energia expressa na

resoluo do Conselho de Ministros de Outubro de 2005. O Governo Portugus

empenhado na reduo das emisses de CO2, no aumento da qualidade dos

servios energticos e em promover a concorrncia, definiu nesta estratgia as

grandes linhas a implementar no sector da energia elctrica. Esta estratgia

estabeleceu vrios objectivos para o sector, nomeadamente a expanso do

investimento em energias renovveis e a promoo da eficincia energtica.

Assim, o Governo estabeleceu na Resoluo do Conselho de Ministros n. 1/2008

novas metas para a energia elica:

Aumentar em 1950 MW a capacidade instalada, at 2012, perfazendo

um total de 5100 MW em que 600 MW sero por renovao do

equipamento;

Criar um cluster industrial e tecnolgico para acelerar a taxa de

instalao de capacidade em energia elica.

Em 2009, o consumo de energia elctrica foi de 49,9 TWh, segundo informao

da Rede Elctrica Nacional (REN), registando a primeira evoluo anual

negativa, de 1,8 %, desde 1981. A produo em regime especial cresceu 25 % e

abasteceu 29 % do consumo, dos quais 15 % se deveram s elicas que

reforaram a potncia em 700 MW. Em particular, no dia 8 de Novembro de

2009 os aproveitamentos em energia elica abasteceram cerca de 50 % do

consumo, tendo o valor mdio do abastecimento desse ms sido de 24 %. O saldo

importador foi o mais baixo desde 2003 e abasteceu 10 % do consumo, como

apresentado na Fig. 1.2.


37/250

Introduo

4

Fig. 1.2 Repartio da produo de energia elctrica em 2008 e 2009 (Fonte: REN)

Ainda pela Fig. 1.2, comparando o ano de 2008 com 2009 observada uma

diminuio do saldo importador em cerca de 9 %, o qual se deveu principalmente

ao aumento da produo elica.

A energia elica uma forma de energia que deriva da converso da energia

solar devido ao desequilbrio no aquecimento da atmosfera provocado pelo sol.

Este desequilbrio est associado s irregularidades da superfcie terrestre e ao

movimento de rotao da Terra. O regime dos ventos influenciado pela forma

do solo, pelos planos de gua e pelo coberto vegetal.

Desde h alguns milhares de anos que a energia elica utilizada. H 5000 anos

que utilizada na navegao no rio Nilo, ou em bombagem de gua na China,

muitos sculos antes da Era Crist. Em Portugal frequente encontrar no cume

dos montes as runas de moinhos de vento que deixaram de funcionar h dcadas

devido ao progresso tecnolgico. Contudo, em muitas quintas ainda se podem

encontrar moinhos de vento para bombagem de gua.

O que apelidamos de aproveitamento de energia elica est associado com o

processo pelo qual a energia cintica do vento utilizada na converso para a

forma de energia mecnica.


38/250

Introduo

5

Esta energia mecnica pode ser utilizada para muitas actividades tais como: moer

gro, bombear gua ou accionar um gerador que a converte em energia elctrica.

A energia elctrica assim obtida pode ser injectada na rede elctrica para ser

distribuda ao consumidor, constituindo os aproveitamentos ditos de ligados

rede.

O aproveitamento da energia elica tambm pode ter uma aplicao localizada,

ou seja, utilizada apenas para fornecer electricidade num determinado local

situado longe da rede elctrica de distribuio aos consumidores, constituindo os

aproveitamentos ditos de autnomos.

O conhecimento do potencial elico um factor determinante na escolha do local

de instalao dos aproveitamentos da energia elica. O atlas elico mundial

apresentado na Fig. 1.3.

Fig. 1.3 Atlas elico mundial (Fonte: www.climate-charts.com/images/NasaWindSpeed)

O atlas da Fig. 1.3 representa a velocidade mdia anual do vento medida

cinquenta metros acima do solo ou da superfcie do mar.

ms-1


39/250

Introduo

6

O departamento de energias renovveis do Instituto Nacional de Engenharia,

Tecnologia e Inovao (INETI) produziu uma base de dados do potencial elico

do vento em Portugal, que apresenta as caractersticas fsicas e energticas do

escoamento atmosfrico num conjunto de 57 locais em Portugal continental e

uma folha de clculo simplificada, que permite, em funo do investimento,

avaliar a viabilidade econmica. A Fig. 1.4 apresenta um atlas elico de Portugal

sessenta metros acima do solo ou da superfcie do mar.

Fig. 1.4 Atlas elico de Portugal (Fonte: INETI)

Em Portugal, devido sua situao geogrfica e geomorfologia, apenas nas zonas

montanhosas a velocidade e a regularidade do vento susceptvel de

aproveitamento energtico.


40/250

Introduo

7

A maior parte dos locais com essas caractersticas favorveis situam-se a norte

do rio Tejo, e a sul junto Costa Vicentina e Ponta de Sagres, sendo raros os

locais favorveis na extensa plancie alentejana.

Ainda, a Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto em colaborao

com o Instituto de Engenharia Mecnica e Gesto Industrial (INEGI), o Instituto

de Engenharia de Sistemas e Computadores do Porto e o Research Centre for

Wind Energy and Atmospheric Flowsdesenvolveram o programa VENTOS, que

utilizado para simulao computacional do comportamento do escoamento do

vento sobre solos complexos com ou sem arborizao. A base de dados do

potencial elico, a folha de clculo simplificada e o programa Ventos so

ferramentas importantes para o conhecimento do potencial elico, mas outras so

ainda necessrias, como o caso do programa de computador desenvolvido nesta

tese no mbito da proteco dos aerogeradores.

Os aerogeradores podem ser classificados em dois tipos: de eixo horizontal,

como os antigos moinhos; e de eixo vertical, como o aerogerador Darrieus.

A tecnologia dos aerogeradores tem evoludo muito devido aos avanos

tecnolgicos dos materiais, da engenharia, da electrnica e da aerodinmica.

Em geral, os aerogeradores esto agrupados num determinado local, onde as

condies do vento so favorveis. Estes agrupamentos so designados por

Parques Elicos. A energia elctrica por eles obtida incorporada na rede

elctrica e distribuda aos consumidores da mesma forma que a obtida nas

centrais trmicas convencionais.

A energia produzida por qualquer aerogerador directamente proporcional ao

cubo da velocidade do vento. Por isso, existe vantagem em instalar os

aerogeradores nas zonas em que a velocidade do vento elevada, ditos de

ventosos. Como a velocidade do vento afectada pelo relevo do solo, e aumenta

com a altura acima do solo, de acordo com a lei de Prandel, as turbinas so

montadas em torres muito altas.


41/250

Introduo

8

Os produtores de energia elctrica em regime especial, anteriormente designados

por produtores independentes, entregam REN toda a energia produzida. O valor

da tarifa praticada depende da tecnologia utilizada, sendo o mesmo estabelecido

pelo Decreto-Lei n. 225/2007 de 31 de Maio. Os aerogeradores instalados numa

zona com maior velocidade de vento, originando uma significativa

disponibilidade de energia cintica das massas de ar, permitem um retorno

econmico do investimento mais favorvel em comparao com os situados em

zonas mais desfavorveis. Mas, no s importante fazer uma avaliao da

disponibilidade em energia cintica das massas de ar, visto que, a actividade

cerunica do local tambm um factor importante do sucesso do investimento.Esta tese constitui um contributo no mbito da caracterizao da actividade

cerunica em Portugal continental.

Os custos da energia elctrica produzida pelos aerogeradores so

fundamentalmente determinados por:

Custo do investimento, como por exemplo no aerogerador, nas

fundaes e na ligao rede;Tempo de vida til do equipamento;

Taxa de juro associado com o emprstimo requerido para cobrir o

investimento total ou parcialmente;

Custos de manuteno, que normalmente so directamente

proporcionais s avarias;

Custos devidos ao pagamento de impostos e seguros;

O custo unitrio da energia elctrica produzida pelos aerogeradores,

decrescendo com o aumento das horas de indisponibilidade.

Segundo informao disponibilizada na pgina da DGEG, os custos dos

aerogeradores tm vindo a decrescer nos ltimos anos, mas esta tecnologia ainda

requer um investimento inicial mais elevado por kW de potncia instalada do que

a produo de electricidade baseada em derivados de petrleo.


42/250


43/250

Introduo

10

1.2 Motivao

A energia elica evita importar petrleo ou gs natural e por isso contribui para

aliviar a dependncia e a factura energtica dum pas. A energia elica evita as

emisses de CO2 e os custos associados violao dos nveis de emisso

acordados entre os pases, custos ambientais e de sade pblica, bem como

contribui para diminuir o recurso aos combustveis de origem fssil, ditos de

fonte de energia no renovvel.

Ainda, segundo a DGEG, a energia elica um recurso nacional, fivel, e que

gera cinco vezes mais emprego por Euro investido do que as tecnologias

associadas ao carvo ou ao nuclear. A energia elica representa, pelas razes

anteriormente referidas, um contributo para se atingirem os compromissos

internacionais, nomeadamente os fixados no Protocolo de Quioto.

De acordo com os dados da European Wind Energy Association, em 2008 a

potncia total instalada na UE em produo de electricidade foi de 19651 MW.

A potncia instalada de origem elica foi de 8484 MW, o que perfez 43 %.

A energia elica foi a fonte de energia mais utilizada no aumento da capacidade

de produo de electricidade da UE, frente do gs com 35 % e do petrleo com

13 %.

Por cada MWh de energia elctrica de origem elica so reduzidas entre 0,8 a 0,9

toneladas de emisses de gases com efeito de estufa que seriam produzidas pelautilizao dos combustveis fsseis na produo de energia elctrica.


44/250

Introduo

11

O sector da energia elica pois um mercado em franco crescimento, com

11000 M gastos em 2008 na UE, cujo potencial se situa a vrios nveis:

Explorao comercial de energia;

Produo de equipamentos;

Manuteno e servios;

Investigao e desenvolvimento.

Em consequncia, os estudos no mbito da energia elica so linhas de

investigao motivantes pelo carcter utilitrio de no s responderem s

reflexes sobre questes ambientais mas tambm diversificao de fontes de

energia primrias.

A rentabilidade econmica dos parques elicos afectada pelo fenmeno da

Descarga Elctrica Atmosfrica (DEA), ou raio, que na sua forma extrema d

origem s trovoadas, sendo sem dvida um dos fenmenos atmosfricos

devastadores que pode causar a perda de vidas humanas, de bens materiais, e

condicionar a operacionalidade de numerosas actividades socioeconmicas.

A previso deste fenmeno apoiada nas observaes meteorolgicas

tradicionais, nos resultados de modelos de previso numrica e, sobretudo, nas

imagens de satlite, nos dados de radares meteorolgicos e nos dados de

Sistemas de Deteco e Localizao de DEA (LLS -Lightning Location System).

Estes ltimos so de grande utilidade meteorolgica na previso das trajectrias

dos sistemas nebulosos que originam as DEA e na caracterizao da actividade

cerunica da regio.

Em Portugal, o primeiro LLS entrou em funcionamento em meados de 2002.

O Instituto de Meteorologia (IM) gentilmente acedeu a disponibilizar todos os

seus registos desde ento at final de 2007.


45/250

Introduo

12

Estes dados so merecedores no s de um tratamento meteorolgico, mas

tambm de um tratamento na ptica das instalaes elctricas, visto que,

encerram informao relevante para a mitigao dos efeitos nefastos das DEA.

As estatsticas mostram que as DEA so de longe a maior causa de danos em

parques elicos [1]. Na Alemanha, 14 % dos aerogeradores localizados em zonas

montanhosas foram danificados por DEA [2]. O Japo outro pas que sofre

intensamente os efeitos das DEA, onde a percentagem de aerogeradores

danificados de 36 % [3]. Infelizmente, no foi possvel obter percentagens

concretas de turbinas elicas afectadas por DEA em Portugal. Contudo, pode-se

referir de acordo com a REN que, em 2009, 36 % das perturbaes nas linhas de

muito alta tenso em Portugal foram provocadas por DEA, percentagem idntica

de aerogeradores danificados no Japo por DEA.

As Fig. 1.5 e 1.6 apresentam os danos infligidos por DEA num aerogerador do

parque de Torres Vedras durante as trovoadas de 9 de Setembro de 2009.

Fig. 1.5 DEA atinge aerogerador no parque elico de Torres Vedras em 09/09/2009


46/250

Introduo

13

Fig. 1.6 Danos causados pela DEA na nacelledo aerogerador atingido no parque

elico de Torres Vedras em 09/09/2009

De modo a mitigar os efeitos das DEA em parques elicos crucial conhecer a

actividade cerunica da regio e determinar o risco de danos associado a cada

parque em concreto, tornando assim possvel conceber medidas de proteco

mais eficazes [4].

Em consequncia da rentabilidade econmica dos parques elicos ser afectada

pelos efeitos nefastos das DEA, e da disponibilidade dos primeiros registos de

dados de 2002 at ao final de 2007 permitir uma caracterizao da actividade

cerunica em Portugal continental como at aqui no havia sido possvel,

resultou noutra linha de investigao que foi motivante para a realizao desta

tese.


47/250

Introduo

14

Finalmente, com a entrada em vigor em Janeiro de 2006 do conjunto de normas

internacionais, srie IEC 62305, foram confirmados dois aspectos importantes no

que respeita proteco de estruturas e seu contedo contra os efeitos nefastos

das DEA:

O mtodo de anlise de risco de danos causados por DEA,

anteriormente parte integrante do relatrio tcnico IEC 61662, como

mtodo a utilizar na quantificao do risco a que uma estrutura est

sujeita e em funo desse valor permitir a adopo de medidas de

proteco adequadas;

O modelo da esfera rolante, como modelo a utilizar na previso dospontos vulnerveis de uma estrutura e em funo dessa indicao

permitir a instalao apropriada de captores artificiais das DEA.

Em consequncia deste novo enquadramento normativo e ainda pelo facto do

autor desta tese ter j realizado programas de computador baseados na

IEC 61662 e no modelo da esfera rolante, resultou outra linha de investigao

que foi motivante para a realizao desta tese na medida em que, no s seconfirmavam em norma internacional as linhas de investigao seguidas no

passado, como se tornava agora necessrio adaptar nova realidade normativa os

programas ento desenvolvidos.

1.3 Estado da Arte

Proteco contra DEA directas

Benjamin Franklin (1706-1790), escritor, inventor, cientista e diplomata norte-

americano, nascido em Boston, foi juntamente com Jefferson e John Adams,

enquanto desempenhava o cargo de deputado do 1. Congresso (1776), um dos

criadores do manifesto da Declarao da Independncia dos Estados Unidos da

Amrica.


48/250

Introduo

15

Em 1752 props uma srie de experincias, realizadas em Frana, que

demonstraram que os raios eram descargas elctricas. Nesse mesmo ano, em

Filadlfia, Franklin levou a cabo uma experincia que se tornou famosa. Lanou

um papagaio de papel durante uma trovoada e atou uma chave metlica na guita

que o sustinha a cerca de metro e meio do solo. O intenso campo elctrico criou

condies para uma forte acumulao de carga elctrica na chave de onde

saltaram pequenos arcos elctricos para os ns dos seus dedos. Franklin teve a

sorte de no morrer durante esta arriscada experincia. Ficou assim provado que

os raios tinham uma natureza elctrica e eram na verdade DEA.

Vrios anos antes, Franklin especulara que uma barra metlica longa e fina,

cravada no alto de um telhado e ligada por um cabo condutor ao solo no exterior

do edifcio, conduziria a electricidade das DEA para o solo sem provocar danos

no edifcio. Esta inveno, apresentada ao pblico em 1753, foi designada por

pra-raios. Ainda hoje, empresas como a Franklin France fabricam e

comercializam o pra-raios do tipo Franklin, quase sem alteraes desde a sua

inveno. O pra-raios do tipo Franklin consiste normalmente num tubo de cobreniquelado cromado ou de ao inoxidvel, com dimetros compreendidos entre

uma e duas polegadas, com um comprimento standard de 2,4 m e uma ponta

afilada, de forma cnica numa das extremidades.

Estes pra-raios podem ser prolongados pela associao de mastros

prolongadores de ao tratado ou ao inoxidvel.

Michael Faraday (1791-1867) foi um qumico e fsico britnico, e considerado

um dos cientistas mais influentes de todos os tempos. Faraday foi principalmente

um experimentalista, frequentemente descrito como o "melhor experimentalista

na histria da cincia".


49/250

Introduo

16

Na Qumica, descobriu o benzeno, produziu os primeiros cloretos de carbono

conhecidos por C2Cl6 e C2Cl4, ajudou a estender as fundaes da metalurgia,

alm de ter tido sucesso em liquefazer gases nunca antes liquefeitos, como por

exemplo, o dixido de carbono e o cloro, tornando possveis os processos de

refrigerao to usados hoje em dia. Talvez a sua maior contribuio tenha sido a

de fundar a electroqumica, e introduzir termos como electrlito, nodo, ctodo,

elctrodo, e io.

Na Fsica, foi um dos primeiros a estudar as ligaes entre electricidade e

magnetismo. Em 1821, Faraday publicou um trabalho que denominou de

"rotao electromagntica", o princpio de funcionamento do motor elctrico.

Em 1831, Faraday descobriu a induo electromagntica, o princpio de

funcionamento do gerador elctrico. Faraday demonstrou que uma superfcie

condutora electrizada possui campo elctrico nulo no seu interior, uma vez que as

cargas se redistribuem de forma homognea na parte mais externa da superfcie

condutora.

Esta experincia de Faraday, conhecida por Gaiola de Faraday ou mtodo da

malha, aplicado na proteco de edifcios contra as DEA e consiste em dispor

condutores de cobre ou de ao galvanizado, sobre o telhado e/ou cobertura das

estruturas a proteger, ligando-se uns aos outros com acessrios de aperto

mecnico e de modo a se obter uma malha com dimenso adequada.

Essa malha ligada ao elctrodo de terra atravs de descidas constitudas por

condutores do mesmo material dos instalados no telhado e/ou cobertura. Trata-se

de um mtodo de proteco passivo, muito utilizado na Europa e que beneficia

da vantagem de existirem normas europeias e internacionais que o contemplam.

A proteco contra DEA sofreu um grande impulso com a electrificao dos

pases industrializados no incio do sc. XX.


50/250

Introduo

17

Sabe-se h muito que um condutor ligado terra e colocado ao longo de uma

linha, a uma altura superior dos condutores activos, reduz a probabilidade

destes serem directamente atingidos por DEA.

Nos anos sessenta o modelo electrogeomtrico, desenvolvido por Golde,

Armstrong e Whitehead, forneceu uma explicao muito mais satisfatria para o

modo de actuao do cabo-de-guarda. Segundo este modelo, que ser descrito

mais em pormenor no Captulo 5, a distncia do salto final, isto , a distncia

mnima de aproximao entre o traador descendente e o ascendente antes da sua

juno, est directamente relacionada com a corrente de pico da DEA.

Actualmente existem vrios modelos propostos que se enquadram no conceito do

modelo electrogeomtrico. O mais utilizado na prtica, e recentemente

reconhecido em norma internacional [5], [6] e [7] pela International

Electrotechnical Commission (IEC), provavelmente o Modelo da Esfera

Rolante (RSM Rolling Sphere Method), tambm conhecido por modelo da

esfera fictcia ou modelo da bola.

O RSM permite determinar os pontos vulnerveis de uma estrutura, isto , os

pontos com maior probabilidade de serem atingidos directamente por uma DEA.

Este conhecimento possibilita o posicionamento rigoroso dos captores artificiais,

isto , condutores metlicos de seco apropriada a colocar sobre estruturas

essencialmente no metlicas, e em particular nos telhados e/ou coberturas.

Assim, garante-se um nvel de eficincia da Instalao de Pra-Raios (IPR) mais

elevado e que minimiza o custo de instalao.

Claro que outros tipos de pra-raios foram tentados. A ideia de se criar um pra-

raios ionizante com a utilizao da radioactividade foi concebida originalmente

em 1914 pelo fsico hngaro J. B. Szillard, colaborador do casal Pierre e Marie

Curie. Szillard comunicou Academia Francesa de Cincias, em 9 de Maro de

1914, os ensaios realizados com um terminal Franklin contendo um sal de rdio.


51/250

Introduo

18

Szillard achava que, quando esse dispositivo era colocado num campo elctrico,

a corrente resultante seria consideravelmente maior que a medida utilizando-se

uma haste de Franklin convencional.

O acrscimo de corrente foi atribudo ionizao do ar provocada pelas

partculas alfa e beta e pelos raios gama provenientes do decaimento do Ra-226 e

de seus descendentes radioactivos. Este aumento da corrente, teria como efeito

aumentar a distncia do salto final e, em consequncia, alargar a zona

probabilstica de proteco.

Em 1931, o fsico belga Gustav P. Capart, tambm colega de Madame Curie,patenteia o primeiro captor ionizante com utilizao de radioactividade.

Em 1953, Alphonse Capart, filho de Gustav, continuou a pesquisa iniciada pelo

pai e por Szillard e construiu o primeiro captor radioactivo.

Em 1956, Capart passou a fabricar em escala industrial os primeiros captores

radioactivos que foram utilizados no mundo. Estes captores foram ento

baptizados com o nome de PREVENTOR e passaram a ser produzidos pela

empresa francesa INDELEC, e pela empresa americana Lightning Preventor of

America.

Aps a Segunda Guerra Mundial, o emprego do Ra-226 foi substitudo pelo

emissor de Amercio 241, radioistopo mais disponvel e econmico naquela

poca.

Apesar de em 1962 o cientista alemo Mller Hillebrand ter apresentado um

estudo sobre o assunto, afirmando que o captor radioactivo e o captor Franklin

apresentavam comportamentos iguais na presena de um campo elctrico, este

tipo de pra-raios foi largamente utilizado em quase todo o mundo entre as

dcadas de setenta e noventa. No entanto, encontram-se hoje proibidos em

muitos pases incluindo Portugal.


52/250

Introduo

19

Com a proibio dos pra-raios radioactivos outros tipos de pra-raios ionizantes

tm sido tentados: piezoelctricos, com perfil especial e com dispositivo de

antecipao. Todos so hastes de Franklin com um dispositivo que promete

ionizar intensamente o ar em volta da ponta e, desta forma, aumentar a distncia

do salto final. Este conceito conhecido por Early Streamer Emission.

O objectivo dos fabricantes de todos os pra-raios que prometem uma rea de

influncia muito maior que o pra-raios de Franklin oferecer aos seus clientes

uma soluo tecnologicamente evoluda e com vantagens econmicas na

instalao.

Infelizmente a realidade dos factos nem sempre a anunciada nos catlogos dos

fabricantes. Foi em Frana que o pra-raios com dispositivo electrnico de

antecipao foi mais impulsionado pela indstria local. Estes so constitudos por

uma haste metlica qual se junta um dispositivo electrnico capaz de produzir,

no momento certo, uma forte ionizao do ar na vizinhana da ponta da haste ao

provocar a disrupo do ar e gerar pequenos arcos elctricos. A ionizao do ar

aumenta o nmero de electres germe aumentando assim a probabilidade de seiniciar o efeito coroa, se o campo elctrico em redor for suficientemente elevado.

Este tipo de pra-raios foi inclusivamente objecto da cobertura normativa

Francesa, a NF C 17-102, mas as dvidas levantadas pela comunidade cientfica

internacional sobre as reais vantagens destes pra-raios relativamente ao pra-

raios Franklin levaram o Governo Francs a encomendar ao Institut National de

lEnvironnement Industriel et des Risques(INERIS) um estudo rigoroso.

Em Outubro de 2001, o INERIS publicou as suas concluses [8] onde se pode ler

que, apesar das bases cientficas nas quais se apoiam estes dispositivos estarem

correctas, o problema reside no momento do disparo do dispositivo electrnico.

Se o disparo ocorre muito cedo o traador ascendente no se poder propagar

suficientemente longe devido ao ainda fraco campo elctrico envolvente e, assim,

no se dar a juno dos dois traadores.


53/250

Introduo

20

Aps o disparo o dispositivo electrnico tem necessidade de se recarregar para

efectuar novo disparo e o tempo de carga longo face ao tempo de durao da

DEA. Se o disparo ocorre aps o impacto da DEA no serve para nada e o pra-

raios com dispositivo de antecipao comporta-se como um simples pra-raios

Franklin.

Aps a publicao deste relatrio as vendas dos pra-raios com dispositivo de

antecipao diminuram drasticamente em todo o mundo. Curiosamente em

Portugal as vendas aumentaram e at foi publicada, em Dezembro de 2003, uma

norma, a NP 4466.

Proteco contra DEA indirectas

O modo de proteger uma Instalao Elctrica (IE) contra os efeitos indirectos das

DEA, isto , as sobretenses de origem atmosfrica pode resumir-se em trs

etapas fundamentais: a intercepo da DEA; a conduo para o solo da corrente

veiculada pela DEA, com limitao da sobretenso correspondente; e a utilizao

de dispositivos capazes de limitar as sobretenses a valores inferiores aossuportveis pelo equipamento.

Uma vez que a DEA interceptada pelos captores da IPR, a corrente elctrica

veiculada por esta escoa-se para a terra atravs das descidas e do elctrodo de

terra, originando sobretenses transitrias que podem ser perigosas, quer para a

segurana das pessoas, quer para a funcionalidade dos equipamentos.

Evidentemente que se deseja o menor valor possvel para a resistncia do

elctrodo de terra, de maneira que as sobretenses no atinjam valores

susceptveis de causar dano, mas as caractersticas do solo desempenham um

importante papel no valor desta resistncia e como no possvel alcanar o

valor de zero Ohm, as sobretenses so inevitveis.


54/250


55/250

Introduo

22

A corrente que ento flui no dispositivo de comutao em operao, deve ser

cortada antes de atingir valores de corrente de curto-circuito (ICC) e assim evitar o

accionamento de outros dispositivos de proteco como fusveis ou disjuntores.

possvel encontrar dois tipos de dispositivos de comutao em

comercializao, baseados neste princpio de funcionamento:

Explosor em tubo de gs, tambm conhecido por Gas Discharge Tube

(GDT);

Dodo de disrupo, tambm conhecido por Breakover Diode (BOD).

O GDT normalmente constitudo por um par de elctrodos no interior de um

tubo de vidro, ou cermica, cheio com um determinado gs. O GDT ainda no

um dispositivo de proteco suficientemente eficaz para ser usado per si na

proteco de equipamento com microelectrnica. O GDT reage lentamente ao

aumento da tenso; por esta razo, quando em presena de sobretenses

transitrias, o GDT pode deixar a tenso subir muito acima do valor mximo da

tenso de alimentao, antes de ser activado. De modo a quantificar o que acabou

de ser dito, digamos que um GDT com tenso estipulada de 240 V pode operar

apenas quando a sobretenso transitria excede 1500 V, o que ser inaceitvel

para muito do equipamento electrnico moderno.

Uma vez activado, o GDT comporta-se como um curto-circuito e torna-se ento

difcil deslig-lo. So normalmente utilizados em redes de distribuio ou

instalaes de potncia.

No entanto, apresentam como vantagem a capacidade de suportarem correntes de

elevado valor sem se destrurem e, por essa razo, so frequentemente aplicados

no Quadro de Entrada (QE).

O BOD um dispositivo semicondutor da famlia do tristor, cuja caracterstica

U/I est muito mais prxima da ideal, mas mantm a dificuldade de ser desligado

e suporta correntes com menor valor de amplitude.


56/250

Introduo

23

O dispositivo limitador de tenso, quando em presena de uma sobretenso

transitria, ir manter a tenso, aos terminais do equipamento, num valor

suportvel por este. O aumento da intensidade de corrente atravs do dispositivo

provoca a diminuio da sua resistncia interna, o que faz com que a tenso no

aumente. O dispositivo ideal seria aquele que, independentemente do valor

assumido pela corrente, mantivesse a tenso sempre num valor constante e

suportvel pelo equipamento.

O mercado disponibiliza dois tipos de dispositivos limitadores de tenso que se

aproximam destas caractersticas, com tecnologias de fabrico diferentes:

Varistor de xido metlico, tambm conhecido na literatura por Metal

Oxide Varistor(MOV);

Dodo supressor de sobretenses transitrias, tambm conhecido por

Tyristhor Surge Supressor(TSS).

Os MOVs so resistncias no-lineares constitudas por pequenas esferas de

material, comprimidas umas contra as outras. A interface existente entre duas

esferas forma uma juno semicondutora. A quantidade de junes existentes no

dispositivo determina o valor da tenso qual o dispositivo dever funcionar.

As suas dimenses condicionam a intensidade de corrente que pode fluir atravs

deste dispositivo. O dispositivo MOV capaz de suportar uma elevada

intensidade de corrente e operar muito rapidamente, mas apesar disso, a sua

caracterstica U/I afasta-se do dispositivo ideal. Ainda assim, os MOV

representam um grande avano tecnolgico face aos dispositivos baseados no

carboneto de silcio.

O TSS uma verso melhorada do dodo zener, possuindo uma juno semi-

condutora alargada. A sua caracterstica U/I bastante prxima da ideal mas

suporta uma intensidade de corrente relativamente baixa. O TSS testado e

utilizado em circunstncias idnticas ao MOV.


57/250

Introduo

24

1.4 Organizao do Texto

O texto da tese est organizado em seis captulos. O Captulo 2 destinado

caracterizao da DEA. O Captulo 3 destinado caracterizao da actividade

cerunica em Portugal continental. O Captulo 4 destinado proteco dos

parques elicos contra efeitos indirectos das DEA. O Captulo 5 destinado

proteco dos parques elicos contra efeitos directos das DEA. No Captulo 6 so

apresentadas as consideraes finais.

Seguidamente, apresentada uma descrio mais detalhada do contedo de cada

captulo.

No Captulo 2 apresentada uma sntese sobre a importncia das DEA nas

diferentes culturas e religies ao longo da histria da humanidade. O processo da

formao das nuvens bem como o processo de formao das DEA revisto.

Particularmente nesta reviso abordada a formao das nuvens de trovoada.

Apresentam-se os diferentes tipos de DEA e as diferentes fases do processo de

impacto de uma DEA. Finalmente, so apresentados justificadamente os

parmetros caractersticos das DEA usados nesta tese.

No Captulo 3 apresentado o estudo realizado actividade cerunica sobre o

territrio de Portugal continental. Os dados experimentais foram recolhidos pelo

Sistema de Localizao Automtica de DEA e cedidos para o propsito desta

tese pelo IM. Aps uma breve reviso sobre os diversos sistemas de deteco e

localizao, com especial enfoque para o sistema utilizado em Portugal,

apresentam-se os resultados obtidos. Os resultados correspondem aos primeiros

cinco anos de funcionamento deste sistema com quase quatro milhes de registos

e incluem, entre outros, distribuio geogrfica, sazonal e de polaridade, e

probabilidade acumulada da corrente de pico das descargas elctricas nuvem-

solo.


58/250

Introduo

25

No Captulo 4 apresentado o estudo realizado proteco dos parques elicos

contra os efeitos indirectos das DEA. So obtidas as equaes da linha de

transmisso. As principais caractersticas do programa de computador EMTP-RV

so realadas. O programa EMTP-RV utilizado no estudo da propagao das

sobretenses causadas por DEA indirectas em dois casos de estudo. No primeiro

caso de estudo considera-se apenas um aerogerador dotado do seu equipamento

habitual, e no segundo so considerados dois aerogeradores interligados.

No Captulo 5 apresentado o estudo realizado proteco dos parques elicos

contra os efeitos directos das DEA. apresentada uma reviso sobre o mtodo de

anlise de risco de danos causados por DEA proposto pela normalizao

internacional IEC 62305. apresentado um novo programa de computador

em Visual Basic, o LPS 2008, desenvolvido para o propsito desta tese.

O LPS 2008 corre sobre o AutoCAD, efectua a anlise de risco de danos de uma

qualquer estrutura ou conjunto de estruturas baseado na IEC 62305 e permite

ainda a simulao em 3D do RSM. O RSM permite identificar os pontos

vulnerveis de uma estrutura em funo do nvel de proteco escolhido.O programa EMTP-RV utilizado no estudo da propagao das sobretenses

causadas por DEA directas em dois casos de estudo. No primeiro caso de estudo

considera-se apenas um aerogerador dotado do seu equipamento habitual, e no

segundo so considerados dois aerogeradores interligados.

No Captulo 6 so apresentadas as contribuies originais desta tese sobre o tema

da proteco de sistemas de energia elica contra descargas elctricasatmosfricas. Ainda, so indicadas as publicaes cientficas que resultaram no

contexto de divulgao e validao do trabalho de investigao realizado.

Por fim, so indicadas direces para futuros desenvolvimentos.


59/250

Introduo

26

1.5 Notao

Em cada um dos captulos desta tese utilizada a notao mais usual na literatura

especializada, harmonizando, sempre que possvel, aspectos comuns a todos os

captulos. Contudo, quando necessrio, em cada um dos captulos utilizada uma

notao apropriada. As expresses matemticas, figuras e tabelas so

identificadas com referncia ao captulo em que so apresentadas e so

numeradas de forma sequencial no captulo respectivo, sendo a numerao

reiniciada quando se transita para o captulo seguinte. A identificao de

expresses matemticas efectuada atravs de parnteses curvos ( ) e aidentificao de referncias bibliogrficas efectuada atravs de parnteses

rectos [ ].


60/250

27

CAPTULO

2

Descarga Elctrica Atmosfrica

Neste captulo apresentada uma sntese sobre a importncia das DEA nas

diferentes culturas e religies ao longo da histria da humanidade. O processo

da formao das nuvens bem como o processo de formao das DEA revisto.

Particularmente nesta reviso abordada a formao das nuvens de trovoada.

Apresentam-se os diferentes tipos de DEA e as diferentes fases do processo de

impacto de uma DEA. Finalmente, so apresentados justificadamente os

parmetros caractersticos das DEA usados nesta tese.


61/250


28

2.1 Introduo

Desde sempre os raios e os troves infundiram medo e respeito ao ser humano e

so ao mesmo tempo smbolo de poder. Isto torna-se evidente quando se conhece

o importante papel que os raios desempenharam nas diferentes culturas e

religies.

No antigo Egipto, o deus Typhon era o responsvel por lanar os raios do cu.

Nos antigos livros de vedas da ndia, Indra descrita como a deusa do cu, dos

raios, da chuva, tempestades e troves, e aparece representada no seu carro no

qual carrega os raios. Os sumrios representam a deusa Zarpenik, em 2500 a.C.,

cavalgando pelo ar com um feixe de raios em cada mo. Os gregos acreditavam

que os raios eram uma arma utilizada pelo deus Zeus e pela sua famlia.

Na mitologia grega o raio foi criado por Minerva, deusa da sabedoria. Os raios

eram por isso uma manifestao divina e onde quer que cassem era solo sagrado.

Por esta razo, muitos templos gregos e romanos foram erguidos nestes pontos de

impacto de modo a que ficassem mais perto dos seus deuses. Os muulmanostambm atribuem a Al o fenmeno do raio. Pode ler-se no Coro Ele quem te

mostra a luz e lana o trovo. A mitologia escandinava refere o deus Thor, deus

do trovo, como o inimigo de todos os demnios e combatia-os com os raios que

esculpia no seu carro. Para os romanos era Jpiter o dono dos raios e no livro que

Sneca escreveu, provavelmente o primeiro livro sobre os raios, pode ler-se:

Jpiter atira os raios contra colunas, rvores e s vezes at contra as suas

prprias esttuas.

Efectivamente, as trovoadas continuam a proporcionar imagens to fantsticas

quanto perigosas (Fig. 2.1). No raro encontrarmos pessoas fascinadas pelo

espectculo da trovoada. Alguns correm ao encontro das trovoadas s para as

fotografar ou pelo prazer de as contemplar. Pelo contrrio, outras pessoas sentem

um medo terrvel durante uma trovoada, mas provavelmente ningum fica

indiferente.


62/250


29

Fig. 2.1 DEA sobre o Parque das Naes em 09/09/2009

Contudo, as trovoadas e as suas DEA podem ser extremamente perigosas e todos

os anos matam centenas de pessoas e ferem muitas mais, j para no falar dos

avultados prejuzos materiais. Importa, pois, conhecer a sua natureza de modo a

mitigar os seus efeitos nefastos e podermos apreciar a sua beleza com o mximo

de segurana.

2.2 Formao das Nuvens de Trovoada

Os primeiros a desenvolver teorias sobre as nuvens foram os jnicos da sia

Menor no sc. VIII a.C., que acreditavam ser as nuvens uma forma mais espessa

de ar hmido. Esta ideia persistiu at quase metade do sc. XVII, quando Ren

Descartes afirmou que o ar e o vapor de gua eram dois elementos distintos.


63/250


30

Em 1751 o fsico francs Charles Le Roy observou que se aprisionasse ar hmido

num frasco de vidro e o deixasse arrefecer se produzia orvalho no interior do

frasco. Mas, quando se aquecia o frasco a uma temperatura especfica, chamada

ponto de orvalho, a condensao desaparecia. Verificou tambm que o ar quente

pode conter mais vapor de gua e parecer mais seco que o ar frio, ou seja, a

humidade relativa e depende da temperatura do ar.

Em 1802 o qumico ingls John Dalton props a teoria que o vapor de gua era

um gs que se comportava no ar como qualquer outro gs, mas no se combinava

quimicamente em soluo. As molculas de gua no ar exercem uma presso de

vapor de gua que independente dos outros gases. Quando esta alta o ar

satura-se de vapor de gua e qualquer aumento do mesmo traduz-se em

precipitao. A humidade relativa a relao entre a presso do vapor de gua

existente e a mxima presso possvel de vapor de gua e expressa-se em

percentagem.

A formao das nuvens depende da instabilidade atmosfrica e do movimento do

ar: as nuvens formam-se quando uma massa de ar carregada de humidade

aquecida e se eleva na atmosfera. O ar quente e hmido pode ser elevado

segundo diversos mecanismos (Fig. 2.2).

Fig. 2.2 Mecanismos de elevao do ar quente e hmido na atmosfera (Fonte: IM)


64/250


31

Enquanto o ar hmido sobe lentamente, a presso atmosfrica diminui,

permitindo que a massa de ar hmido se expanda. A energia necessria para esta

expanso procede do calor prprio da massa de ar em ascenso e a sua expanso

provoca uma queda da temperatura no seu interior.

Se a massa de ar hmido continuar a elevar-se, pode arrefecer o suficiente para

atingir o ponto de orvalho e o vapor de gua condensa em torno de ncleos

higroscpicos formando as nuvens. Os ncleos higroscpicos podem ser

partculas de p, fumo, sais ou substncias microscpicas. Quando o vapor de

gua atinge o ponto de orvalho liberta o calor latente, caracterstico da mudana

do estado gasoso para o estado liquido e do liquido para o slido. Esta libertao

de calor torna mais lento o arrefecimento da massa de ar hmido, permitindo-lhe

manter o seu poder ascensional e consequentemente o crescimento da nuvem.

Consoante as condies climatricas as nuvens podem crescer segundo uma

variedade de formas, tamanho e altitude. A Fig. 2.3 apresenta os diversos tipos de

nuvens.

Fig. 2.3 Classificao das nuvens (Fonte: IM)


65/250


32

As nuvens de trovoada so as Cumulonimbus, com a base entre 700 e 1500 m de

altitude, e com os topos a atingir 24 a 35 km, sendo a mdia entre 9 e 12 km.

So formadas por gotas de gua, cristais de gelo, flocos de neve e granizo e o seu

interior agitado por fortes correntes de ar. Quando o topo alcana a troposfera

este expande-se horizontalmente devido aos ventos superiores, adquirindo a

forma de bigorna; so os Cumulonimbus Incus. Uma descrio mais detalhada

sobre o assunto pode ser encontrada em [9].

2.3 Desenvolvimento da DEA

O planeta Terra encontra-se electricamente carregado e comporta-se como um

condensador esfrico. A Terra possui uma carga elctrica negativa de 1106C

enquanto a atmosfera possui idntica carga mas positiva [10].

Observaes realizadas indicam que em cada instante ocorrem na Terra entre

1000 e 2000 trovoadas [11]. Assume-se que a nuvem de trovoada se comportacomo um gerador elctrico que injecta cargas negativas na terra, de modo a

compensar as trocas de carga com a ionosfera, mantendo assim o equilbrio

elctrico.

DEA nuvem-nuvem

A DEA nuvem-nuvem actua de modo a equilibrar e neutralizar a carga elctrica

entre regies da atmosfera ou entre nuvens. A DEA nuvem-nuvem ocorre, na

maior parte das vezes, entre a principal regio de carga negativa, localizada onde

a temperatura do ar se situa entre -10 e -20 C, e a regio de carga positiva por

cima da negativa [12].


66/250


33

A fase activa da DEA comea com a formao de uma canal disruptivo

(breakdown streamer) movendo-se para cima desde a regio negativa com uma

velocidade aproximada de 100 m/s [13] e [14].

Quando o canal disruptivo alcana a regio positiva torna-se um canal condutor

atravs do qual flui a corrente. Frequentemente, so observados impulsos de

corrente que acompanham o aumento do canal vertical devido ao processo

disruptivo [15]. As maiores emisses em baixa-frequncia, associadas aos

processos de transporte de corrente, ocorrem logo aps a fase inicial de uma

descarga nuvem-nuvem [16] e [17].

Quando o canal vertical atinge o seu comprimento mximo, cerca de 20 a 50 ms

aps o incio, descargas horizontais desenvolvem-se no topo do canal vertical.

Seguidamente, aparecem tambm descargas horizontais em torno do canal na

regio negativa.

Durante a fase activa de uma DEA o processo disruptivo reinicia-se no canal

vertical inicial, intervalado por impulsos de corrente [14]. O fluxo de correnteeventualmente pra aps um intervalo de tempo da ordem das centenas de mili-

segundos, quando a regio de carga negativa em torno da base do canal vertical

se encontrar suficientemente empobrecida ou at com carga positiva acumulada.

Nesta fase, a actividade localiza-se basicamente a baixa altitude, com descargas

horizontais que transportam carga negativa para a regio empobrecida.

DEA nuvem-solo

A maioria das DEA nuvem-solo comeam com uma DEA nuvem-nuvem a qual

chamada descarga preliminar. Aps cerca de 1/10 do segundo, aparece o canal

guia descendente e denteado denominado traador (stepped-leader) por baixo da

nuvem, deslocando-se para baixo em saltos sucessivos. A maioria transporta

carga negativa ao longo do canal mas alguns so positivos.


67/250


34

Aps poucas dezenas de mili-segundos, quando a ponta do canal guia se encontra

a algumas dezenas de metros acima do solo ou de objectos implantados no solo,

o campo elctrico por baixo da ponta torna-se suficiente para iniciar um ou mais

canais disruptivos ascendentes (streamers), habitualmente a partir dos objectos

mais altos na vizinhana do canal guia descendente.

Quando um dos canais disruptivos ascendentes contacta o canal guia descendente

d-se o primeiro arco-de-retorno (return stroke). O arco-de-retorno basicamente

uma onda de corrente positiva intensa que se propaga para cima, a cerca de

metade da velocidade da luz, e descarrega o canal. Aps uma pausa de 40 a

80 ms, outro canal guia (dart-leader) pode restabelecer o canal e propiciar um

arco-de-retorno subsequente.

Uma DEA nuvem-solo tpica contem diversos arcos-de-retorno e tem uma

durao aproximada de meio segundo. Em cerca de 3050 % das DEA nuvem-

solo o canal ao restabelecer-se no toma o mesmo caminho, e consequentemente

a DEA atinge dois ou mais pontos [18].

Caractersticas das DEA nos domnios do tempo e da frequncia

Da apresentao anterior acerca das DEA nuvem-nuvem e nuvem-solo, claro

que ambos os tipos de DEA emitem energia num largo espectro de rdio

frequncias.

Durante os processos de ionizao e disrupo observam-se fortes emisses em

muito alta frequncia (VHF Very High Frequency). Mas quando ocorrem

fluxos de corrente em canais previamente ionizados, como nos casos dos arcos-

de-retorno e na fase activa das DEA nuvem-nuvem, a maior parte das emisses

verifica-se em baixa e muito baixa frequncia (LF e VLF Low and Very Low

Frequency).


68/250


35

A Fig. 2.4, apresentada pela primeira vez por Malan [19], mostra a relao entre

a frequncia emitida e o mtodo de localizao das DEA. Pierce [20] tambm

contm um excelente resumo acerca da radiao emitida pelas DEA nestas

bandas de frequncia.

Fig. 2.4 Relao entre a frequncia e o mtodo de localizao das DEA [19]

Nas DEA nuvem-solo as emisses VLF e LF esto relacionadas com o

comprimento do canal condutor e com a elevada intensidade da corrente [18].

Consequentemente, existem apenas uns poucos impulsos de grande magnitudepor DEA.

As DEA nuvem-nuvem produzem desde dezenas a centenas de pequenos

impulsos em LF, mas apenas ocasionalmente produzem impulsos de grande

magnitude [21] e [22]. Na banda do VHF, pelo contrrio, h aproximadamente

100 vezes mais impulsos que em LF e VLF, e as amplitudes alcanadas so

comparveis s registadas nas DEA nuvem-solo.


69/250


36

A radiao VHF produzida pelos processos de disrupo com dimenses da

ordem das dezenas a centenas de metros e pequenas correntes [23].

Devido s diferentes caractersticas dos impulsos emitidos pelas DEA, emfrequncia e amplitude, diferentes tcnicas so usadas para melhor se adequarem

deteco das DEA.

Detectores de sinais em LF e VLF, que se propagam ao longo da superfcie

terrestre, tm sido usados para detectar os arcos-de-retorno das DEA nuvem-solo

desde h muitos anos. Os detectores que operam em LF tambm podem ser

usados para detectar DEA nuvem-nuvem; no entanto a amplitude destes sinais consideravelmente menor e exige maior sensibilidade da parte do detector.

A mesma tecnologia pode ainda ser usada para deteco de sinais puramente

VLF, os quais se propagam milhares de quilmetros devido s reflexes entre a

ionosfera e o solo, emitidos por arcos-de-retorno de DEA nuvem-solo. Isto

permite localizar DEA nuvem-solo em locais distantes nos quais no possvel

colocar detectores.

Os sistemas que operam em VHF so igualmente sensveis maioria dos

processos das DEA nuvem-nuvem e nuvem-solo mas, uma vez que s operam

em linha de vista, o seu alcance bastante limitado.

No entanto, conciliando esta caracterstica com o facto dos sinais VHF serem de

curta durao, possvel modelar as fontes de sinais VHF como fontes pontuais

localizveis em 3D. O elevado nmero de impulsos por DEA permite que sejam

mapeados com maior detalhe.


70/250


37

2.4 Processo de Impacto

Duas imagens de uma DEA negativa podem ser observadas na Fig. 2.5 [24].

Nesta figura possvel observar-se a imagem de uma DEA negativa obtida com

uma cmara em repouso e outra imagem da mesma DEA com a cmara em

movimento horizontal.

Fig. 2.5 a) DEA fotografada com uma cmara em repouso; b) DEA fotografada com

uma cmara em movimento [24]

A imagem com a cmara em movimento revela a existncia de sete canais

luminosos entre a nuvem e o solo. Cada canal luminoso corresponde a um arco-

de-retorno. O primeiro arco-de-retorno situa-se direita dos demais uma vez que

o tempo cresce da direita para a esquerda. Cada canal composto por um

traador descendente (SteppedLeader) e uma descarga de corrente ascendente

chamada arco-de-retorno.


71/250

A F

DE

inte

No

nem

disr

cam

Dur

nor

21

apro

ig. 2.6 ap

nuvem-s

ior de um

Fig. 2.

se rene

o porqu

po prel

o elctric

nte a fas

almente5ms-1. O

ximada de

esenta u

olo. A pri

nuvem d

6 Process

ainda con

da sua

minar (Pr

o atinge v

do traa

egativam

traador

1 s e int

a sequnc

eira fase

tipo Cu

os envolvi

enso sobr

istribui

liminary

lores da o

or descen

nte que s

descende

rvalos en

38

ia mais c

passa pel

ulus Nim

os numa D

e o modo

. To po

reakdow

rdem dos

dente ger

propaga

te propag

re saltos d

mpleta d

a distribui

us.

EA nuvem

como a c

co rene

). No ent

0 kV/m d

-se um c

m direc

a-se por

e 20-50

escarga El

s diversa

o da ca

solo negati

rga elct

consenso

nto sabe-s

-se incio

nal de pl

o ao solo

altos co

.

ctrica Atmo

fases de

ga elctri

va [24]

ica orig

o proces

e que qua

ao proces

sma carre

velocida

uma du

frica

uma

a no

nada

o de

do o

o.

gado

e de

ao


72/250


39

Julga-se que a forma denteada e errnea do canal ionizado se deve existncia de

bolsas ionizadas, as quais so arrastadas ao sabor de fortes ventos, no per

Tese Rodrigues

Documents

Transcript of Tese Rodrigues