129

VI. Descargas atmosfricas em linhas de transmisso

Descargas atmosfricas so a principal causa de desligamentos noprogramados verificados no sistema eltrico brasileiro, sendo responsveis poraproximadamente 65% dos desligamentos ocorridos em linhas de transmissocom tenses nominais at 230 kV. Tais ndices podem ser mais crticos emregies de altas atividades cerunicas e elevados valores de resistividade dosolo.

So apresentadas neste captulo informaes referentes aos aspectos eparmetros a serem considerados no estudo de desempenho das linhas detransmisso frente a descargas atmosfricas, bem como efeito da incidncia dedescargas atmosfricas sobre linhas de transmisso com e sem cabos pra-raios.

Apesar deste Captulo estar direcionado a aplicao de pra-raios em linhasde transmisso, os conceitos aqui apresentados tambm so vlidos para aanlise de desempenho de redes eltricas de distribuio.

VI.1 Aspectos a serem considerados no estudo d a incidncia dedescargas atmosfricas em linhas de transmisso

VI.1.1 Caractersticas das descargas e freqncia de ocorrncia

Fenmenos de danosas conseqncias, as descargas atmosfricas resultamdo acmulo de cargas eltricas nas nuvens e a conseqente descarga sobre osolo terrestre ou sobre qualquer estrutura que oferea condies favorveis descarga. A descarga atmosfrica um fenmeno complexo, podendo existirem uma descarga vrias ramificaes e vrios pontos de contato com a terra.

Em linhas gerais, uma descarga atmosfrica pode ser definida como umadescarga eltrica transitria de curta durao e com uma elevada correnteassociada, que usualmente atinge quilmetros de extenso. Tal descargaocorre quando nuvens em uma regio da atmosfera atingem uma quantidadesuficiente de cargas eltricas para dar origem a campos eltricos cujaintensidade supere a rigidez dieltrica do ar, causando assim a disrupo domeio (ar). Para que tal processo possa acontecer necessrio que ascondies ambientais sejam favorveis, situao que pode ser encontrada nointerior de grandes tempestades de neve e de areia, nas nuvens sobre vulcesem erupo e, na maior parte das vezes, na nuvem de tempestade (cmulo-nimbus) /1/.

Com relao s descargas originadas nas nuvens de tempestade, quatro tiposde descargas podem ser identificados: descargas dentro da nuvem(intranuvem), descargas entre nuvens, descargas entre nuvem e solo e entrenuvem e estratosfera. Dentre os tipos de descargas existentes, a de interessepara anlise de desempenho dos sistemas eltricos corresponde as descargasentre nuvem e solo, as quais podem ser classificadas como:

130

- Descargas ascendentes e descendentes, segundo a direo da evoluo docanal que faz o fechamento do percurso ionizado.

- Descargas positivas e negativas, segundo a polaridade da carga na regioda nuvem conectada ao solo por esse percurso.

De uma maneira geral, em regies planas mais freqente a ocorrncia dedescargas negativas e descendentes. Descargas ascendentes so menosfreqentes, e ocorrem geralmente a partir de estruturas elevadas(principalmente quando situadas no topo de regies montanhosas), comotorres de telecomunicaes, edificaes, mastros entre outras.

Estudos realizados pelo CIGR e observaes efetuadas em vrias estaesde pesquisas atmosfricas em todo o mundo, mostraram queaproximadamente 80% a 90% das descargas descendentes so de polaridadenegativa, razo pela qual a maioria das informaes disponveis se refere aesse tipo de descarga.

Registros de 79 descargas atmosfricas realizados pelo "Lightning ResearchCenter" - LRC - em conjunto com a CEMIG na Estao do Cachimbo em MinasGerais, confirmaram 64 descargas (81%) como sendo de polaridade negativa e13 descargas (16,5%) positivas. Dentre as 33 descargas descendentesconfirmadas atravs de registros de vdeo, 31 so negativas, correspondendo a93,9% das descargas descendentes. Dessas, 15 descargas apresentaramsomente uma nica descarga de retorno (48,4%), enquanto que 16 descargas(51,6%) apresentaram descargas de retorno subseqentes (descargasatmosfricas mltiplas) com um nmero mdio de 5,8 descargas de retorno pordescarga atmosfrica /2, 3/. Maiores informaes referentes s estatsticas dasdescargas atmosfricas no Morro do Cachimbo e em outras estaes podemser obtidas em /2/.

Todas as estruturas existentes sob ou sobre o solo esto submetidas aosefeitos das descargas descendentes (nuvem-terra). A necessidade e o tipo deproteo de um sistema dependem da maior ou menor probabilidade dessesistema ser atingido pelas descargas diretas ou pelos efeitos das descargasem suas proximidades (sobretenses induzidas - crticas para sistemas comtenses nominais at 44 kV). A probabilidade de incidncia de descargasapresenta uma relao direta com a freqncia com que as descargas ocorrempor unidade de rea, em um determinado local ou regio. Da a necessidade dese conhecer a densidade de descargas terra. Assim, a incidncia dedescargas atmosfricas sobre uma regio pode ser caracterizada peladensidade de descargas terra, expressa em termos do nmero de descargasatmosfricas para a terra por quilmetro quadrado ao ano.

Para a determinao da densidade de descargas terra h a necessidade dautilizao de sistemas especficos para a captao das descargas, tais comoSistemas de Localizao de Tempestades, redes de contadores de descargasatmosfricas, entre outros.

Atualmente, vrias tcnicas tm sido amplamente utilizadas para localizaodas descargas atmosfricas, as quais podem ser classificadas em dois grupos:

131

um primeiro grupo emprega medies remotas de campos eltrico e magnticoe um segundo grupo utiliza detectores pticos /4/.

Sistemas do tipo LLP ("Lightning Location and Protection System"), LPATS("Lightning Positioning and Tracking System") e um terceiro sistema,denominado IMPACT ("Improved Accuracy from Combined Technology") queutiliza a combinao dos dois primeiros, esto includos no primeiro grupo. Osistema IMPACT vem sendo largamente utilizado em todo o mundo, inclusiveno Brasil.

Tais sistemas fornecem informaes da localizao da descarga atmosfrica,da amplitude e polaridade da corrente de descarga, do instante de ocorrncia,da diferenciao entre descargas nuvem-solo e outros tipos de descargas,dentre outros parmetros associados, possibilitando um melhor conhecimentodos parmetros caractersticos das descargas. Mais informaes sobre osaspectos bsicos dos Sistemas de Localizao de Tempestades podem serobtidas a partir da referncia /4/.

A Companhia Energtica de Minas Gerais - CEMIG e o Sistema Meteorolgicodo Paran SIMEPAR possuem sistemas com tecnologia LPATS e IMPACT.Recentemente, com o sistema instalado por FURNAS Centrais Eltricas S.A. -tecnologia IMPACT e LPATS, tornou-se possvel a interligao desses trssistemas, constituindo a Rede Integrada de Deteco de DescargasAtmosfricas (RIDAT) no Brasil /4/. A interligao dos sistemas permite ummelhor ndice de deteco das descargas, maior preciso na localizao e,principalmente, uma ampliao da rea de cobertura do sistema, que passou aabranger as regies Sul, Sudeste e Centro-Oeste do pas.

Apesar do grande avano tecnolgico nas pesquisas sobre descargasatmosfricas verificado no Brasil ao longo dos ltimos anos, ainda existe nopas uma grande dificuldade na disponibilidade de informaes referentes adensidade de descargas terra, principalmente nas regies fora da rea decobertura da RIDAT. Nestes casos, so ainda utilizados os dados referentesaos nveis cerunicos, que correspondem ao nmero de dias de trovoada porano em uma dada regio. Embora o nvel cerunico no seja o parmetro maisadequado para a determinao da densidade de descargas terra, no deixade ser um indicador do nvel de atividade atmosfrica, possuindo a vantagemde ser facilmente determinado.

importante ressaltar, no entanto, que para um dado nvel cerunico, adensidade de descargas terra correspondente pode ser severamente afetadapelo tipo e topografia do terreno. Tambm deve ser considerado o fato de queem muitos dos casos a determinao do nvel cerunico pode conter errosdevido a trovoadas referentes a descargas atmosfricas entre nuvens, que arigor no interessam sob o ponto de vista de proteo dos sistemas eltricos.

Uma correlao entre a densidade de descargas terra (Ng) e o nvelcerunico (NC), para diferentes condies de terreno, e suas comparaes comcurvas tradicionalmente utilizadas apresentada na Tabela VI.1 /2, 5/. Estasinformaes so apenas para fins informativos.

132

Tabela VI.1 - Correlao ob servada entre a densidade dedescargas terra e o nvel cerunico.

Local Relao entre DDT e NC Ng (NC = 60) (*)frica do Sul Ng = 0,04 . NC

1,25 6,7

Minas Gerais Ng = 0,028 . NC 1,20 3,8

Mxico Regio Plana Ng = 0,044 . NC 1,24 7,1

Mxico Regio Costeira Ng = 0,026 . NC 1,33 6,0

Mxico Regio Montanhosa Ng = 0,024 . NC 1,12 2,4

Itlia Ng = 0,00625 . NC 1,55 3,6

(*) Valores obtidos para Ng atravs da expresso indicada, considerandoum nvel cerunico de 60.

No Brasil, utiliza-se geralmente a relao apresentada pelo CIGR.

As Figuras VI.1 e VI.2 mostram os mapas de curvas cerunicas e de densidadede descargas nuvem-terra para o Brasil, apresentadas pelo INPE /6/.

Figura VI.1 - Mapa do nmero de dias com trovoadas por ano no Brasil

Figura VI.2 - Mapa de densidade de descargas atmosfricas para a terra(descargas / km2 - ano) no Brasil perodo de 1998 a 2001

133

O mapa de nvel cerunico apresentado na Figura VI.1 foi obtido com base emduas dcadas de observao, a partir do incio dos anos 60. Com base nasinformaes apresentadas na figura, pode ser constatado que na maior partedo territrio brasileiro o nmero de dias de trovoadas por ano ultrapassa a 50.

O mapa de densidade de descargas nuvem-terra apresentado na Figura VI.2foi obtido considerando-se uma relao de descargas entre nuvens / descargasnuvem-terra constante e igual a 1,5. As densidades de descargas para o soloforam obtidas comparando-s