Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro
Impacte das Descargas Atmosféricas na Rede de Transporte de Energia Elétrica
Dissertação de Mestrado em Engenharia de Energias
Alexandre Graciano Cardoso Guedes
Orientadores: Professor Doutor Sérgio Augusto Pires Leitão Professor Doutor João Carlos Andrade dos Santos
Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro
Impacte das Descargas Atmosféricas na Rede de Transporte de Energia Elétrica
Dissertação de Mestrado em Engenharia de Energias
Alexandre Graciano Cardoso Guedes
Orientadores: Professor Doutor Sérgio Augusto Pires Leitão Professor Doutor João Carlos Andrade dos Santos
Composição do Júri:
Presidente Professor Doutor Eurico Vasco Ferreira Amorim
Professor auxiliar da Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro
Professor Doutor António C. S. Machado e Moura (arguente)
Professor catedrático da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Professor Doutor Sérgio Augusto Pires Leitão (orientador)
v
Resumo
De todos os fenómenos meteorológicos que ocorrem na natureza, as descargas elétricas atmosféricas (DEA) são, sem dúvida dos mais “espetaculares” e devastadores que podem ocorrer. As DEA manifestam-se através de libertações de energia que ocorrem na atmosfera em condições de instabilidade, ou seja, em situações de fortes correntes convectivas de sentido ascendente quer descendente. Assim, a movimentação dos eletrões de uma região de cargas negativas para uma região de cargas positivas ocorre de uma forma rápida, dando início a um raio. Ao nível da caraterização da atividade elétrica, estas podem ser dentro da própria nuvem, entre duas nuvens e/ou entre a nuvem e o solo. Na verdade, as descargas nuvem solo são consideradas como um dos principais riscos meteorológicos.
Nos dias de hoje a energia elétrica assume um papel fundamental no desenvolvimento das sociedades modernas, sendo considerado o seu “motor”. Aliado a este facto os equipamentos elétricos usados pelos consumidores são cada vez mais sofisticados e sensíveis. Além disto os consumidores são mais exigentes em relação à qualidade e continuidade da energia elétrica que utilizam. De entre as perturbações/defeitos ocorridas na rede elétrica de transporte (aérea) estão as DEA. Estas descargas originam o disparo da proteção de linha instalada nas subestações, cujos impactes interessa minimizar. Tais situações poderão resultar em grandes prejuízos para as empresas de transporte de energia e à sociedade em geral. Assim, a busca de um melhor entendimento da forma como as DEA se comportam e/ou afetam as linhas de transporte é, portanto, de fundamental importância. No mapa georreferenciado de Portugal foi adicionada informação relativa a DEA, dos anos 2007 a 2010, obtidas a partir do IPMA. Seguidamente, realizou-se para cada evento de DEA uma verificação da existência de relação, ou não, com uma atuação da proteção na rede de transporte. A partir daqui verifica-se as influências das DEA e a sua localização, bem como o número de incidentes nas linhas da RNT, em Portugal Continental. Por outro lado, será possível identificar quais as linhas mais afetadas pelas DEA, encontrando possíveis soluções, por forma a minimizar os defeitos/avarias na RNT.
Palavras-chave: Descargas Elétricas Atmosféricas, avarias na rede de transporte de energia elétrica
vii
Abstract
Of all the weather phenomenons that occur in nature, atmospheric electrical discharges (DEA) are undoubtedly the most "spectacular" and devastating. DEA manifest themselves through energy release occurring in the atmosphere under instable conditions, this is under situations of strong convection of upward or downward currents. Therefore the movement of electrons in a region of negative charges to a region of positive charge occurs in a rapid manner, originating lightning. Regarding the characterisation of electrical activity, these can be within the cloud, between two clouds and / or between the cloud and the ground. In fact, discharges to the soil are considered as being major weather risks.
Today, electricity assumes a fundamental role in the development of modern societies and is considered as its "motor". Allied to this fact is the electrical equipment used by consumers, which are increasingly sophisticated and sensitive. In addition, consumers are more demanding regarding the quality and continuity of the electricity they use. Among the disorders/defects occurring in the electrical network transport (air) are the DEA. These discharges trigger the line protection installed in substations, which is of interest to minimise its impacts. Such situations could bring great losses for the energy transport companies and to society in general. Thus, the search for a better understanding of how the DEA behave and/or affect the transport lines is therefore of fundamental importance. In the georeferenced map of Portugal information regarding the DEA was added, from the years of 2007 to 2010, obtained from the IPMA. Following this, after each DEA AED event a verification of an existing or non-existing relation was carried out acting on the protection of the transport network. From here on there has been the influence of the DEA and its location, as well as the number of incidents on the RNT lines, in mainland Portugal. On the other hand, it will be possible to identify which lines are most affected by DEA, finding possible solutions to minimise the defects/faults in the RNT.
Keywords: Electrical Discharge Atmospheric, breakdowns in electricity transportation network
ix
Agradecimentos
Quero expressar uma palavra de afeto e de agradecimento aos meus pais, Bárbara e Graciano, pelo apoio incondicional, pelo carinho e dedicação. Às minhas irmãs, Andreia e Alexandrina, obrigado pelos conselhos e apoio nos momentos bons e maus ao longo do meu trajeto académico para que tudo isto fosse realizado com sucesso.
Um agradecimento especial à minha namorada, Ana Isabel, apoiando de forma fantástica nos momentos em que mais precisava, contando sempre com a sua presença amiga, parceira e companheira.
Gostaria também de expressar os meus agradecimentos especiais aos meus orientadores, ao Professor Doutor Sérgio Augusto Pires Leitão e ao Professor Doutor João Carlos Andrade dos Santos, pela disponibilidade e atenção, bem como por todas as sugestões e ideias que foram dando ao longo desta dissertação. Ao Doutor Hélder José Chaves Fraga pelo suporte ao
software Arcgis que assim permitiu analisar os dados apresentados.
Ao IPMA, através do protocolo de cooperação com o projeto RAIDEN e à REN pela cedência dos dados das descargas elétricas atmosféricas.
xi
Índice Geral
Resumo ... v Abstract ... vii Agradecimentos ... ix Índice Geral ... xiÍndice de Figuras ... xiv
Índice de Tabelas ... xviii
Lista de abreviaturas ... xix
Capítulo ... 1
1.1. Enquadramento ... 2
1.2. Objetivos da dissertação ... 3
1.3. Motivação e contribuições ... 3
1.4. Estrutura da dissertação ... 4
Descargas Elétricas Atmosféricas ... 5
Capítulo ... 5
2.1. Introdução ... 6
2.2. Caraterização do fenómeno ... 8
2.3. Tipos de descargas atmosféricas ... 8
2.3.1. Descargas atmosféricas de polaridade negativa ... 10
2.3.2. Líder Escalonado ... 11
2.3.3. Descargas de retorno ... 11
2.3.4. Líder contínuo ... 12
2.3.5. Raios múltiplos ... 13
2.3.6. Descargas atmosféricas de polaridade positiva ... 13
2.4. Detetores DEA ... 15
2.4.1. Descrição dos detetores ... 16
2.4.2. Localização dos detetores ... 16
2.4.3. Eficiência dos detetores ... 18
2.5. Conclusão ... 20
xii
3.1. Introdução ... 24
3.2. Caraterização da rede nacional de transporte ... 25
3.3. Incidentes na rede nacional de transporte ... 27
3.4. Problemas nas linhas de transporte ... 28
3.5. Subestações ... 31
3.6. Caraterização de sobretensões de origem atmosféricas ... 32
3.6.1. Proteções ativas ... 33
3.6.3. Proteções passivas ... 35
3.7. Cadeias de Isoladores...………...37
3.8. Conclusão ... 37
Capítulo ... 39
4.1. Apresentação do caso de estudo ... 40
4.2. Descargas atmosféricas ... 40
4.2.1. Distribuição geográfica dos incidentes atribuídos a DEA ... 41
4.2.2. Influência geográfica dos incidentes atribuídos a DEA ... 43
4.3. Rede de transporte de energia elétrica ... 45
4.3.1. Caraterização das descargas atmosféricas na RNT ... 46
4.3.2. Distribuição geográfica das descargas atmosféricas na RNT ... 50
4.3.3. Qualidade do serviço ... 55
4.4. Dados e Métodos ... 57
4.5. Discussão de resultados ... 58
4.5.1. Incidências das descargas elétricas atmosféricas diretas vistas nos mapas da RNT………..58
4.5.2. Incidências das descargas elétricas atmosféricas indiretas vistas nos mapas da RNT………..69
Capítulo – ... 75
5.1. Conclusão ... 76
5.2. Perspetivas de trabalhos futuros... 77
xiv
Índice de Figuras
Figura 2.1 – Quando as cargas elétricas se separam da nuvem (em algumas áreas adquirindo uma carga negativa e em outras uma carga positiva), um relâmpago torna-se provável. Cerca de um terço dos relâmpagos são originados da nuvem para o solo; a maioria dos relâmpagos têm origem em regiões com carga negativa da nuvem (Encyclopædia Britannica, 2014). .... 9 Figura 2.2 – a) Imagens de uma descarga descendente (nuvem solo) registada a 1 de julho de 2009. A duração total da descarga é de 404,1 ms. b) Série de três quadros, onde uma porção do canal é iluminado por um tempo muito curto (<100 ms) (Montanyà et al., 2012). ... 10 Figura 2.3 – Líder escalonado de um raio negativo a propagar-se na atmosfera. ... 11 Figura 2.4 – Descarga atmosférica, com destaque num canal principal brilhante e vários ramos secundários (Encyclopædia Britannica, 2014). ... 13 Figura 2.5 – Percurso de longo alcance de uma descarga de polaridade positiva (Mendes Jr and Domingues, 2005). ... 14 Figura 2.6 – Área abrangida por cada detetor de DEA e as localizações respetivas. Elipse de cobertura a 100 km (azul escuro) e elipse de cobertura a 200 km (azul claro)(Sousa, 2013). ... 15 Figura 2.7 – Detetor de DEA localizado em Braga e aspeto das antenas eletromagnéticas 17 Figura 2.8 – Localização geográfica dos 4 detetores de DEA da rede LDN do IPMA: (1) Braga, (2) Castelo Branco, (3) Alverca e (4) Olhão (Sousa, 2013). ... 18 Figura 2.9 – Eficiência (%) de deteção combinada da rede de detetores de DEA na Península Ibérica (Sousa, 2013). ... 19 Figura 2.10 – Área abrangida pelo alcance de cada sensor a uma distância de 200 km (Correia, 2012). ... 19 Figura 2.11 – Área abrangida pelo alcance de cada sensor a uma distância de 100 km (Correia, 2012). ... 19 Figura 2.12 – Precisão da localização de DEA (km) da rede de detetores da Península Ibérica (Sousa, 2013). ... 20 Figura 3.1 – Mapa da Rede de Transporte de Energia Elétrica Nacional. Fonte: REN ... 26
xv Figura 3.2 – Registo do número de incidentes, evidenciando essas ocorrências por redes: MAT, AT e externas à REN (REN, 2013b). ... 27 Figura 3.3 – Causa dos incidentes com repercussão na RNT (REN, 2013b). ... 28 Figura 3.4 – Distribuição percentual dos incidentes em linhas por nível de tensão (REN, 2013b). ... 29 Figura 3.5 – Distribuição percentual das causas dos incidentes em linhas (REN, 2013b). .. 30 Figura 3.6 – Evolução do número de defeitos com origem em linhas da RNT por 100 km de circuito (distribuição por causas) (REN, 2013b). ... 31 Figura 3.7 – Construção e funcionamento de descarregador de carboneto de silício (Distribuição, 2008). ... 34 Figura 3.8 – Construção e funcionamento de descarregador de óxido de zinco (Distribuição, 2008). ... 35 Figura 3.9 – Exemplo de um vidro isolante utilizado nas linhas de transmissão de energia elétrica. ... 36 Figura 4.1 – Exemplo de uma imagem criada em ArcGis, onde se verifica as sucessivas incidências das DEA na RNT, bem como as suas disposições no continente. ... 42 Figura 4.2 – Distribuição Geográfica dos incidentes atribuídas a DEA, contendo as respetivas percentagens de ocorrências. ... 43 Figura 4.3 – Influência geográfica das DEA na RNT por ano em Portugal Continental. .... 44 Figura 4.4 – Distribuição, por zonas, das DEA nos 4 anos em estudo em Portugal Continental ... 44 Figura 4.5 – Análise comparativa de ocorrências atmosféricas nas linhas da RNT enaltecendo as diferenças de dois tipos de dados: sensores do IPMA Vs sistema SCADA da REN. ... 47 Figura 4.6 – Incidências das DEA na RNT, em Portugal Continental, no período de 2007 a 2010. ... 49 Figura 4.7 – Análise total de incidências das DEA na RNT, em Portugal Continental, para o mesmo período em estudo. ... 49 Figura 4.8 – Distribuição das DEA com efeitos nas linhas da RNT dividido por zonas: Local, Regional e Global. ... 50
xvi
Figura 4.9 – Número de incidentes nas linhas da RNT no ano 2007. ... 51
Figura 4.10 – Número de incidentes nas linhas da RNT no ano 2008. ... 52
Figura 4.11 – Número de incidentes nas linhas da RNT no ano 2009. ... 53
Figura 4.12 – Número de incidentes nas linhas da RNT no ano 2010. ... 54
Figura 4.13 – Distribuição dos registos de ocorrências na mesma linha entre os anos 2007 a 2010. ... 55
Figura 4.14 – Distribuição do número de incidentes em linhas e equipamentos devidos a DEA em função do nível de tensão. ... 56
Figura 4.15 - Correção das incidências das DEA, provenientes do LDN do IPMA, num exemplo de uma criação de uma malha regular distribuído por todo o continente português. ... 57
Figura 4.16 – Fluxograma representativo da manipulação dos dados em NetCDF. ... 58
Figura 4.17 – Efeito de uma incidência das DEA de cargas negativas na região centro no dia 19 de Novembro de 2007... 61
Figura 4.18 – Efeito de uma incidência das DEA de cargas positivas na região centro no dia 19 de Novembro de 2007... 62
Figura 4.19 – Efeito de duas incidências das DEA de cargas negativas na região norte no dia 20 de Abril de 2008. ... 64
Figura 4.20 – Efeito de duas incidências das DEA de cargas positivas na região norte no dia 20 de Abril de 2008. ... 65
Figura 4.21 – Efeito de uma incidência das DEA de cargas negativas no norte de Portugal no dia 16 de Abril de 2008. ... 67
Figura 4.22 – Efeito de uma incidência das DEA de cargas positivas no norte de Portugal no dia 16 de Abril de 2008. ... 68
Figura 4.23 –Efeito de uma incidência das DEA de polaridade negativa na região centro no dia 29 de Agosto de 2008. ... 70
Figura 4.24 – Efeito de uma incidência das DEA de polaridade positiva na região centro no dia 29 de Agosto de 2008. ... 71
xvii Figura 4.25 – Efeito de uma incidência das DEA de polaridade negativa na região sul no dia 22 de Dezembro de 2010. ... 73 Figura 4.26 – Efeito de uma incidência das DEA de polaridade positiva na região sul no dia 22 de Dezembro de 2010. ... 74
xviii
Índice de Tabelas
Tabela 3.1 – Incidentes devidos a deficiências de equipamento no ano 2013. ... 32 Tabela 4.1 – Número de dias com registos de DEA em Portugal Continental. ... 41 Tabela 4.2 – Distribuição do comprimento das linhas da RNT (km) afetadas pelas DEA entre os anos 2007 a 2010. Na última coluna, encontram-se os comprimentos totais de cada nível de tensão da RNT. ... 45 Tabela 4.3 – Relação entre os comprimentos totais afetados pelas DEA com os comprimentos totais em serviço da RNT. ... 45 Tabela 4.4 – Registos de incidências de DEA detetados pelo sistema SCADA da REN em Portugal. ... 48 Tabela 4.5 – Relação entre os dados de DEA do IPMA com o sistema SCADA da REN, mostrando os índices de DEA que afetam as linhas da RNT no período de 2007 a 2010. .. 48
xix
Lista de abreviaturas
ACSR Aluminum Conductor Steel Reinforced
AEMET Agência Estatal de Meteorologia (Espanha) AT Alta Tensão
CAD Computer Aidded Design
DEA Descargas Elétricas Atmosféricas (nuvem-solo) DST Descarregadores de sobretensões
ENF Energia não fornecida
ESP Enhanced Sensitivity and Performance
GPS Global Positioning System
IM Instituto de Meteorologia
IPMA Instituto Português do Mar e da Atmosfera IPMACT Improved Accuracy Using Combined Technology
LDN Lightning Detector Network
LG Local e Global LR Local e Regional
LRG Local, Regional e Global MAT Muito Alta Tensão
MDF Magnetic Direction Finding
NetCDF Network Common Data Form
OPGW Optical Power Ground Wire
PI Península Ibérica
PRE Produtores em Regime Especial PTC Portugal Continental
REN Redes Energéticas Nacionais RESP Rede Elétrica de Serviço Público
RG Regional e Global
RNT Rede Nacional de Transporte
SCADA Supervisory Control and Data Acquisition
SiC Carboneto de silício
SIG Sistema de Informação Geográfica TOA Time Of Arrival
UCTE União para a Coordenação da Produção e do Transporte de Eletricidade ZnO Óxido de Zinco
1
CAPÍTULO
Introdução
Neste capítulo será feito o enquadramento do tema em discussão nesta dissertação, bem como os seus objetivos. Serão também apresentados os objetivos desta dissertação, a motivação que levou o autor a desenvolver a presente investigação, bem como a sua estrutura.2
1.1. Enquadramento
Apesar de um grande esforço na tentativa de alterar os efeitos das Descargas Elétricas Atmosféricas (DEA) na rede elétrica, a verdade é que os prejuízos associados às DEA são consideráveis para as empresas que gerem este negócio, bem como para a população em geral. Desde logo pela crescente dependência das sociedades modernas, relativamente à qualidade/continuidade da energia elétrica, exigindo que as proteções do sistema elétrico sejam eficientes. Com o avanço tecnológico, muito se tem feito para alterar os efeitos das DEA nas redes de transporte de energia elétrica. Assim sendo, o conhecimento detalhado e a monitorização das trovoadas torna-se indispensável para uma melhor interpretação da distribuição espacial das descargas a longo prazo. Nesse sentido foi criado o projeto European
Cooperation for Lightning Detection (EUCLID), onde se juntaram as redes nacionais de
deteção de trovoadas de vários países da Europa, incluindo Portugal. O Instituto do Mar e da Atmosfera (IPMA) é a entidade nacional que supervisiona este tipo de ocorrências. Desde 2002, Portugal dispõe de uma rede de deteção de descargas elétricas (LDN - Lightning Detector
Network), constituída por 4 detetores distribuídos pelo país. Através da LDN espanhola,
mantida pela Agência Estatal de Meteorologia (AEMET), constitui uma importante rede ibérica de descargas elétricas, contendo só em Espanha 14 detetores. Esta “aliança” permite uma melhor resolução de dados, pois em zonas com menor cobertura pela LDN nacional, necessita-se do recurso à informação LDN espanhola. Estas trocas de informação entre os dois paínecessita-ses é reciproca, sendo benéfica para ambos.
Para esse feito, foram implementados vários sensores de DEA na península ibérica, 18 detetores da rede LDN ibérica (IPMA & AEMET), de modo a que haja uma deteção de elevada eficiência em quase todo o território da PI, rondando os 90%. Também é possível determinar o local de impacto, a intensidade, a polaridade (negativa ou positiva) e a multiplicidade das DEA. Assim, pode-se identificar não só as áreas de maior atividade elétrica da atmosfera, como também estabelecer planos de contingência para esse tipo de ocorrências. É de realçar que estes detetores apenas distinguem e registam a atividade elétrica consequente de dois tipos de descargas: intra-nuvem e intra-nuvem-solo. Ainda assim, permite não só referenciar regiões ou locais com elevada atividade elétrica, como também aconselhar/orientar futuros trabalhos passiveis a investimentos, neste caso, pela REN. A energia elétrica produzida nas centrais electroprodutoras é conduzida pela Rede Nacional de Transporte (RNT) até às redes de distribuição. As DEA são responsáveis por um grande número de interrupções do fornecimento
3 de energia elétrica, pois quando este fenómeno atinge uma linha, a sobretensão originada pode levar ao contornamento das cadeias de isoladores. Nas linhas de transporte de energia elétrica, para além dos condutores de fase, são instalados estrategicamente cabos de guarda para minimizar os efeitos das DEA na RNT. Os cabos de guarda são ligados à terra em todos os apoios das linhas através das estruturas metálicas, de modo a descarregar as elevadas intensidades de corrente para a terra. Neste trabalho, é proposta a análise de dados históricos de ocorrência de trovoadas e a sua relação com os incidentes na RNT. Daqui, retirar-se-ão ilações sobre as consequências que as DEA provocam na RNT, ilustrando possíveis alternativas de troços ou melhoramentos ao nível de isoladores. Este estudo irá ser realizado com a base de dados das DEA, cedidas pelo IPMA e AEMET, e com a base de dados dos incidentes/ocorrências na rede registados e disponibilizados pela REN.
1.2. Objetivos da dissertação
Neste trabalho, pretende-se relacionar os dados das DEA provenientes dos sensores do IPMA, com informação do sistema SCADA da REN das avarias/defeitos gerados por estas na rede de transporte de energia elétrica em Portugal Continental. Este processo será analisado utilizando o mapa georreferenciado disponível na plataforma online da REN. Desta análise interessa identificar se existe, e de que tipo é, a relação entre o defeito e duração com a localização, bem como o número de descargas das DEA nas linhas da RNT.
1.3. Motivação e contribuições
A motivação para este trabalho surgiu de um tema de desenvolvimento (Descargas Atmosféricas) no âmbito da unidade curricular de Energia e Alterações Climáticas II deste mestrado. Desde então mostrei-me interessado por esta temática, em particular a influência/consequências das DEA na rede de transporte de energia elétrica. O impacte de algumas descargas atmosféricas que resultam em indisponibilidade ou avarias nas redes de distribuição por causas naturais ainda não está inteiramente avaliada. Por outro lado, o planeamento de futuras linhas de distribuição deverá ter em conta a distribuição espacial das DEA em Portugal, minimizando-se desta forma os seus impactos.
4
1.4. Estrutura da dissertação
Para além deste capítulo introdutório, o desenvolvimento da presente dissertação irá conter mais quatro capítulos de acordo com a seguinte organização:
Capítulo 2 – apresenta-se uma caraterização das DEA, os tipos de polaridade, os detetores de DEA na península ibérica, a sua descrição, bem como a localização e eficiência destes;
Capítulo 3 – apresenta-se uma caraterização da rede nacional de transporte de energia elétrica, os seus incidentes, bem como uma caraterização de sobretensões de origem atmosférica na RNT;
Capítulo 4 – apresenta-se um caso de estudo, as várias ocorrências geográficas das DEA e a qualidade de serviço na RNT. Mais à frente, analisam-se os dados e métodos, explicando como os processos foram feitos para, desta forma, analisar a discussão de resultados desta dissertação. Serão expostos vários casos de incidentes na RNT, onde se poderá verificar o número de descargas nas linhas e subestações da RNT;
Capítulo 5 – apresentam-se as conclusões finais, bem como eventuais perspetivas de trabalho futuro.
5
CAPÍTULO
Descargas Elétricas Atmosféricas
Neste capítulo será feito o enquadramento das descargas elétricas atmosféricas, a descrição sobre a formação e desenvolvimento das DEA, a caraterização deste fenómeno e os tipos de descargas atmosféricas que existem. Foi ainda descrita a deteção das DEA e a sua eficiência, bem como a sua localização em Portugal Continental.
6
2.1. Introdução
A superfície terrestre e a parte superior da estratosfera são excelentes condutores, formando assim um “condensador” gigante, onde o ar é o meio dielétrico. Este dielétrico não é perfeito, ou seja, os iões positivos movimentam-se em direção à superfície terrestre, que se encontra carregada negativamente, enquanto os iões negativos seguem a trajetória contrária.
Assim sendo, a Terra pode ser comparada a uma “bateria” gigante, que está continuamente a perder eletrões para a atmosfera. Caso esta energia não fosse reposta continuamente, estima-se que o planeta perderia a carga em apenas 10 minutos. Consequentemente, uma quantidade considerável de atividade luminosa ocorreria em todo o planeta, de modo a manter o equilíbrio electroestático global.
As descargas elétricas atmosféricas (DEA) são fenómenos assustadores, estando associadas a manifestações extremas de instabilidade atmosférica. Formam-se e.g. devido à aproximação e passagem de superfícies frontais frias ou à ascensão de massas de ar húmido resultante de movimentos convectivos profundos em células de elevada instabilidade vertical. Estes mecanismos são ainda potenciados por efeitos orográficos, por superfícies terrestres aquecidas por radiação solar intensa ou por elevados gradientes horizontais de temperatura.
A atividade elétrica de uma DEA pode ocorrer dentro da própria nuvem (intra-nuvem), entre duas nuvens (nuvem-nuvem) ou ainda entre a nuvem e o solo (nuvem-solo). As descargas elétricas atmosféricas do tipo nuvem-solo são as mais fáceis de detetar e, por isso, irei dar especial atenção a este tipo de descarga elétrica, pois são as que têm influência direta sobre a superfície terreste, mais concretamente no que diz respeito aos danos causados em edifícios e equipamentos, bem como à perda de vidas humanas. Estas podem ainda ser caraterizadas pela direção do seu movimento, ou seja, vertical para cima ou para baixo, ou através do sinal das cargas elétricas que são transferidas, isto é, através da sua polaridade. Devido à relativamente fácil deteção das descargas nuvem-solo, é possível obter resultados que para outro tipo de descarga elétrica ainda não é possível alcançar (Sousa, 2013).
Apesar do grande esforço humano na tentativa de prever a atividade elétrica em tempestades, os prejuízos potenciais associados aos efeitos das DEA têm vindo a aumentar, aumento esse refletido devido ao desenvolvimento tecnológico das sociedades. A grande dependência dos consumos eletrónicos, bem como a sua sensibilidade aos efeitos das trovoadas, leva a que as
7 DEA sejam encaradas como acontecimentos meteorológicos de elevado risco. Para uma previsão de elevada perícia, são necessários modelos conceptuais para cada tipo de fenómeno atmosférico, de forma a ser possível a sua previsão. Deste modo, pode-se identificar as áreas com maior atividade elétrica da atmosfera e, com isso, estabelecer planos de contingência para esse tipo de ocorrências (Sousa, 2013).
O Instituto Português do Mar e da Atmosfera (IPMA) é a entidade nacional que supervisiona este tipo de ocorrências, dispondo de uma rede de detetores de descargas elétricas (LDN –
Lightning Detector Network), constituída por 4 detetores estrategicamente distribuídos em
Portugal Continental (PTC). A base de dados das DEA em PTC iniciou-se em Junho de 2002, sendo ainda de pequena dimensão para estudos conclusivos de longo prazo. No entanto, permite a investigação da variabilidade dos padrões espaciais e temporais das DEA, assim como dos aspetos dinâmicos da atmosfera associados às ocorrências de DEA em PTC. Deste modo, e numa primeira análise, permite referenciar regiões ou locais com elevada atividade elétrica, bem como as janelas temporais em que estas ocorrem (Sousa, 2013). Quanto ao estudo do impacte das DEA na distribuição da rede elétrica nacional, o principal foco deste trabalho será correlacionar dados das DEA com dados de avarias na rede.
8
2.2. Caraterização do fenómeno
A descarga atmosférica é um fenómeno de natureza imprevisível e aleatório e o seu impacto na terra pode ser destrutivo, devido às elevadas intensidades de corrente num tempo de duração muito curto. Os prejuízos potenciais associados aos efeitos das DEA têm vindo a aumentar, em consequência do processo de desenvolvimento das sociedades, envolvendo uma cada vez maior utilização de equipamentos eletrónicos e em redes de sistemas (e.g. informáticas, energia elétrica, comunicações), aumentando o risco de ocorrência de danos e de perturbações gerados pelas DEA. A avaliação dos riscos associados às DEA requer um melhor conhecimento dos padrões de distribuição espacial e temporal das trovoadas, permitindo a identificação de áreas propensas a impactos de descargas nuvem-solo e a previsão de quando estas poderão ocorrer. O conhecimento detalhado e a monitorização das trovoadas e das DEA é uma tarefa indispensável para a identificação de possíveis mudanças desses fenómenos locais e de mesoescala. De referir ainda que são escassos os estudos em Portugal na tentativa de entender a modelação das DEA, pois a rede portuguesa de deteção das DEA iniciou o seu funcionamento regular em Junho de 2002.
2.3. Tipos de descargas atmosféricas
Como já referido atrás, a ocorrência de uma DEA está associada à formação de nuvens de trovoada, as chamadas Cúmulos-nimbos. São constituídas por gotas de água na parte inferior e por partículas de gelo na parte superior, tendo uma base de várias dezenas de quilómetros quadrados, situada a uma altitude média de 2 quilómetros acima ao solo. Na Figura 2.1 apresenta-se um exemplo da constituição de uma típica nuvem de trovoada Cúmulos-nimbos.
9
Figura 2.1 – Quando as cargas elétricas se separam da nuvem (em algumas áreas adquirindo uma carga
negativa e em outras uma carga positiva), um relâmpago torna-se provável. Cerca de um terço dos relâmpagos são originados da nuvem para o solo; a maioria dos relâmpagos têm origem em regiões com carga negativa da nuvem (Encyclopædia Britannica, 2014).
Na formação deste tipo de nuvens estão envolvidas fortes correntes de ar provocadas pelo elevado gradiente térmico existente entre a base e o topo da nuvem. Estas correntes de ar, ascendentes e descendentes, vão originar uma separação de parte das gotículas de água existentes na nuvem. À medida que sobem, as gotículas transformam-se em cristais de gelo os quais, ao colidirem entre si, originam cargas elétricas positivas e negativas, ficando as gotículas de água carregadas negativamente e o ar circundante carregado positivamente. Com a formação ou aproximação de uma nuvem de trovoada, o campo elétrico à superfície do solo começa a inverter-se e cresce rapidamente, por influência das cargas negativas dispostas na base da nuvem. Quando a intensidade do campo elétrico atinge níveis críticos, existem fortes possibilidades de ocorrer uma descarga para o solo. A ocorrência poderá ser facilitada pela existência de irregularidades no terreno ou rugosidade (Loureiro, 2012a).
Dentro das tempestades, diferentes partículas de gelo tornam-se carregadas através de colisões. Acredita-se que as partículas pequenas tendem a adquirir carga positiva, enquanto as maiores adquirem predominantemente cargas negativas. Estas partículas tendem, então, a separar-se sobre a influência de correntes de ar ascendentes e descendentes e da gravidade, de tal modo que a parte superior da nuvem adquire uma carga líquida positiva e a parte inferior uma carga líquida negativa. A separação da carga produz então um enorme campo elétrico, tanto dentro da nuvem como entre a nuvem e o solo. Quando este campo, eventualmente, quebra a resistência elétrica do ar, uma DEA tem então o seu início.
10 Em qualquer caso, a carga positiva é separada da carga negativa o que, por sua vez, cria um campo elétrico. Quando este campo elétrico está em "curto-circuito", um raio é formado. Apesar de a DEA poder adquirir múltiplas formas, tamanhos e colorações, existem apenas dois tipos: DEA de polaridade negativa e polaridade positiva (WeatherImagery, 2007).
2.3.1. Descargas atmosféricas de polaridade negativa
Uma descarga de polaridade negativa, normalmente inicia-se com fracas descargas na região de cargas negativas dentro da nuvem, em que de seguida origina um período de quebra de rigidez preliminar. No final deste período origina uma fraca descarga luminosa, não visível, vulgarmente denominada traçador (que transporta cargas negativas). Esta propaga-se para fora da nuvem em direção ao solo, com velocidades na ordem dos 0,15 m/µs a 1,0 m/µs, como se pode verificar na Figura 2.2 (Dias et al., 2010).
Figura 2.2 – a) Imagens de uma descarga descendente (nuvem solo) registada a 1 de julho de 2009. A duração total da descarga é de 404,1 ms. b) Série de três quadros, onde uma porção do canal é iluminado por um tempo muito curto (<100 ms) (Montanyà et al., 2012).
11
2.3.2. Traçador
O traçador de carga negativa (invisível) abre caminho até à superfície, onde ao aproximar-se, uma descarga (visível) sai do solo para cima, encontrando o traçador por passos (Figura 2.3). Esse encontro dá início à descarga de retorno que é a DEA, seguindo um percurso tortuoso e em etapas. Cada uma delas pode percorrer entre 25 m a 100 m e com duração de um microssegundo (µs). Este procura o percurso mais fácil para a formação do canal, transportando 10 ou mais coulombs de carga elétrica, atingindo o solo em 20 ms (aproximadamente), dependendo da trajetória que realiza durante o seu percurso. A corrente média varia na ordem das centenas de Amperes, com pulsos aproximados de 1 kA. Quando este se aproxima do solo, as cargas elétricas no canal produzem um campo elétrico intenso entre a extremidade do traçador e o solo, que corresponde a um potencial elétrico na ordem de 100 milhões de Volt (Dias et al., 2010).
Figura 2.3 – Traçador de um raio negativo a propagar-se na atmosfera.
2.3.3. Descargas de retorno
As descargas de retorno podem ser tratadas como a auto-propagação de descargas que transportam um campo elétrico elevado na sua extremidade. Os campos elétricos intensos na descarga de retorno levam a uma maior ionização, mas também preparam o canal para a passagem da corrente da descarga de retorno. O aumento da ionização de ponta é evidente a partir da radiação óptica que se desloca para cima, juntamente com a extremidade da descarga de retorno. O conhecimento da magnitude e extensão espacial do campo elétrico pode ajudar a avaliar a quantidade de energia e a sua dissipação em descargas de retorno, bem como na determinação da sua conexão com o atual movimento de retorno. Além disso, esse
12 conhecimento fornece as informações necessárias para a compreensão do mecanismo físico subjacente às descargas de retorno (Cooray, 2013).
De um modo geral, a corrente da descarga de retorno atinge o seu pico em 10 ms (valor aproximado) e decai para metade deste valor, podendo chegar aos 100 ms. No inicio, a corrente aumenta ligeiramente, correspondendo ao período que antecede o encontro das decargas elétricas atmosféricas. A partir deste momento começa a aumentar mais rapidamente, podendo apresentar uma máxima variação instantes antes de atingir o pico. Depois, a corrente tende a diminuir de forma mais lenta, prevalecendo uma menor carga que é então depositada nas regiões mais altas do canal durante o movimento descendente do traçador. Se após a descarga de retorno o raio terminar, designa-se por um raio simples. De um modo geral, considera-se que 20% das descargas elétricas atmosféricas de polaridade negativa são simples, mas esse valor pode variar muito entre tempestades diferentes (Dias et al., 2010).
2.3.4. Traçador contínuo
Quando as novas cargas transportadas dentro da nuvem atingem a região do canal formado pela primeira descarga de retorno, um novo traçador, denominado traçador, ocorre. Este propaga-se como um segmento de corrente com um comprimento entre 10 e 100 m, ao longo do canal já ionizado pelo traçador, de uma forma contínua e sem apresentar as ramificações típicas do traçador. A corrente no canal é da ordem de um kiloampere (kA) e a carga transportada é da ordem de um Coulomb. Todavia, em muitos casos, o traçador contínuo pode desviar-se da trajetória, seguindo um novo caminho, devido ao decaimento do canal inicial ou devido a ventos fortes, passando a apresentar um comportamento semelhante a um traçador, sendo nesses casos denominado traçador contínuo-escalonado. Isto ocorre principalmente quando o tempo após uma descarga de retorno é maior do que 100 ms. Nestes casos, a velocidade do traçador tende a ser menor e a nova descarga de retorno irá ocorrer a partir de um líder conectante, proveniente de um ponto diferente no solo. Raios deste tipo são conhecidos como raios bifurcados. Evidências indicam que cerca de 30-50% dos raios negativos são bifurcados. Em poucos casos o traçador contínuo interrompe subitamente a sua trajetória na atmosfera, não produzindo uma descarga de retorno subsequente (Dias et al., 2010).
13
2.3.5. Raios múltiplos
Raios múltiplos são diversas descargas de retorno subsequentes, como se pode verificar na Figura 2.4. O pico de corrente das descargas de retorno subsequentes tende a ser menor do que a da primeira descarga de retorno, com valores típicos em torno de 10 kA. Por sua vez, tende também a atingir o pico mais rapidamente, em torno de 1 microsegundo, devido ao menor comprimento da descarga conectante e a duração pode ser em torno de 50 microsegundos. Os impulsos de radiação das DEA tendem a ser semelhantes aos da primeira descarga de retorno (menor intensidade). Em média, as descargas de retorno de um raio negativo varia entre 3 a 6 descargas, havendo aproximadamente 1% em que ocorre 6 ou mais descargas. (Dias et al., 2010).
Figura 2.4 – Descarga atmosférica, com destaque num canal principal brilhante e vários ramos
secundários (Encyclopædia Britannica, 2014).
2.3.6. Descargas atmosféricas de polaridade positiva
Outro tipo de descarga atmosférica, sendo das mais perigosas e mais poderosas, são as descargas positivas, em que os fluxos de carga positiva predominam em vez de eletrões. Apenas cerca de 5% dos raios são de polaridade positiva e tendem a ocorrer durante o pico de uma tempestade severa. A maioria origina-se no alto dos Cúmulos-nimbos (bigorna), onde a carga positiva tende a acumular-se. No entanto, em vez de uma descarga com carga negativa a partir
14 da base da nuvem, esta estende-se do topo da nuvem e para fora desta, atingindo o solo onde existe uma “piscina” de cargas negativas.
Ninguém sabe realmente o que causa uma descarga positiva, mas alguns efeitos devastadores e/ou destruidores podem ser causados, podendo ser cerca de 5 vezes mais poderosa do que uma descarga negativa. Duram cerca de 10 vezes mais, atingem vários quilómetros de distância da tempestade (na horizontal) e produzem frequentes ondas rádio. De realçar que as descargas positivas são responsáveis pela maioria dos incêndios florestais e extensos danos às redes elétricas. Na Figura 2.5 é possível verificar um exemplo de uma descarga de polaridade positiva a percorrer um trajeto na horizontal antes de atingir o solo.
Figura 2.5 – Percurso de longo alcance de uma descarga de polaridade positiva (Mendes Jr and
Domingues, 2005).
De realçar, que as descargas positivas seguem (de um modo geral) as mesmas etapas descritas para as descargas negativas, salvaguardando algumas diferenças já atrás descritas. Em geral, iniciam-se a partir de um líder com uma luminosidade mais fraca do que a de um líder escalonado de um raio negativo, que se propaga a partir de uma região de cargas positivas dentro da nuvem, não apresentando etapas. Apresenta uma luminosidade contínua, porém com variações periódicas de intensidade. Com frequência apresentam uma descarga de retorno, cuja intensidade média é um pouco maior que a dos raios negativos (Dias et al., 2010).
15
2.4. Detetores DEA
Desde Junho de 2002 existe em funcionamento operacional um sistema rede de detetores de trovoadas (raios) constituída por 4 detetores IMPACT (Improved Accuracy Using Combined
Technology), instalados em Braga/Aeródromo, Castelo Branco/IM, Alverca/Aeródromo e
Olhão/Reserva Natural do Parque da Ria Formosa, como se pode ver na Figura 2.6.
As informações obtidas por estes detetores são enviadas para a rede do IPMA através de linhas telefónicas dedicadas (Rede VPN) e processada para diferentes aplicações, designadamente para o apoio à vigilância meteorológica.
Feito este processo de deteção de descargas eletricas atmosféricas, em Dezembro de 2002, existe um protocolo de intercâmbio de dados com o Instituto Nacional de Meteorologia de Espanha, com os detectores instalados em Santiago de Compostela, Salamenaca, Hinojosa Del Duque e Jerez de La Fontera. Assim, feita esta junção de dados com os detetores Espanhóis, aumenta e melhora a precisão da localização de raios e a eficiência de deteção da rede (IPMA, 2014). Na Figura 2.6 é possível verificar as áreas abrangidas e locais, conjuntamente com os detetores da rede espanhola.
Figura 2.6 – Área abrangida por cada detetor de DEA e as localizações respetivas. Elipse de cobertura a 100 km (azul escuro) e elipse de cobertura a 200 km (azul claro)(Sousa, 2013).
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2.4.1. Descrição dos detetores
Quando ocorre uma DEA, a circulação da corrente de grande intensidade gera um forte campo magnético. Como descreve Sousa (2013), a deteção das DEA da rede Lightning Detector
Network, LDN, do IPMA baseia-se numa tecnologia da captação do registo do sinal
eletromagnético enviado pelo arco-de-retorno (return stroke) estabelecido entre a nuvem e o solo, com recurso a uma antena eletromagnética (orthogonal magnetic loop antenna), que define a posição de impacto, e de um GPS incorporado, para determinar a informação temporal relativa à descarga elétrica. A rede LDN possui 4 detetores estrategicamente distribuídos em Portugal Continental, que enviam em simultâneo para um sistema de processamento (LP2000) a informação relativa à distância entre cada detetor e o local de impacto da DEA, assim como o instante da ocorrência. Os detetores de DEA do IPMA são da marca Vaisala®, do tipo IMPACT (Improved Accuracy Using Combined Technology), modelo 141 – T ESP (Enhanced Sensitivity and Performance). As suas características de instalação, funcionamento e manutenção podem ser consultadas em Vaisala (1996).
O sistema permite detetar e combinar a utilização dos detetores através de dois métodos: MDF (Magnetic Direction Finding) e TOA (Time Of Arrival), e ainda pelo método IMPACT (IMProved Acurracy from Combined Tecnology), em que são utilizados algoritmos que integram em simultâneo os métodos TOA e MDF. Para aplicação destes métodos, os detectores estão equipados com 2 antenas electromagnéticas ortogonais e uma horizontal que permite medir a intensidade da radiação electromagnética emitida por um raio (IPMA, 2014).
2.4.2. Localização dos detetores
A Figura 2.7 mostra o detetor instalado em Braga, sendo um dos quatro detetores IMPACT 141 – T ESP da rede LDN do IPMA. Para aplicação deste método, o detetor está equipado com um relógio de precisão GPS, bem como com 2 antenas eletromagnéticas ortogonais e uma horizontal. Deste modo, permite medir a intensidade de radiação emitida por um raio (Sousa, 2013).
17 No entanto, os erros de tempo e medidas de ângulo podem levar a uma divergência entre a informação do sensor. Para resolver este problema é utilizada uma técnica baseada no trabalho de Stansfield, em que se parte do princípio que os erros seguem uma distribuição gaussiana. Esses erros são então minimizados e em seguida faz-se uma aproximação, de acordo com os diferentes sensores, de modo a determinar qual o local que foi atingido. Daqui se conclui que quanto menor for a informação sensorial, menos provável será determinar a posição exata da DEA (Hunt et al., 2012).
Na Figura 2.8 verifica-se a distribuição dos 4 detetores em Portugal Continental. O detetor 1 situa-se no aeródromo de Braga, a uma altitude de 138 m (41,59º Norte e 8,44º Oeste). O detetor 2 localiza-se no Centro Meteorológico de Castelo Branco, a uma altitude de 450 m (39,84º Norte e 7,48º Oeste). O detetor 3 situa-se no aeródromo de Alverca, a uma altitude de 65 m (38,89º Norte e 9,03º Oeste). O detetor 4, que se situa mais a Sul de Portugal Continental, na Quinta de Marim em Olhão, está situado a uma altitude de 80 m (37,03º Norte e 7,82º Oeste) (Sousa, 2013).
18 Para além destes 4 detetores nacionais, estão ainda 5 detetores da rede LDN da AEMET (Jerez
De La Frontera 5, Armilla 6, Getafe 7, Matacán 8 e Santiago de Compostela) que têm alguma
cobertura sobre PTC, como foi verificado na Figura 2.6. Assim existe uma maior eficiência na recolha de dados DEA em PTC.
2.4.3. Eficiência dos detetores
Com a interligação das duas redes LDN (IPMA & AEMET), estas oferecem uma maior cobertura e uma maior eficiência na deteção das ocorrências de DEA na Península Ibérica. A Figura 2.9 apresenta a distribuição geográfica dos 18 detetores de DEA quanto à sua eficiência de cobertura na PI. Através da Figura 2.9 verifica-se que a rede ibérica apresenta uma eficiência superior a 90% na deteção de DEA no território da Península Ibérica, excepto a região da Galiza e algumas zonas na fronteira com França. Sousa (2013) refere que em geral a eficiência de deteção de DEA é superior a 80% na Península Ibérica, incluido o arquipélago das ilhas Baleares, tendo em atenção que estes valores são válidos apenas para DEA com uma corrente de intensidade igual ou superior a 5 kA. De realçar que na Figura 2.9 não se encontra o detetor 9 (instalado na Galiza, ver Figura 2.6), que posteriormente veio aumentar a eficiência nessa região.
Figura 2.8 – Localização geográfica dos 4 detetores de DEA da rede LDN do IPMA: (1) Braga, (2)
19 Nas Figura 2.11 e Figura 2.10 é ilustrado como são apresentadas as áreas abrangidas pelos alcances de deteção em distância de cada sensor. Deste modo, considerando os 4 detetores da rede LDN do IPMA e a área de PTC, é fácil averiguar que a eficiência de cobertura nacional seja próxima dos 80%.
Segundo (Schulz et al.) não existe um sensor que detete 100% de todas as ondas dentro dos limites de saturação e limiar. Ruído local, tempos mortos, a discriminação da forma de onda,
Figura 2.11 – Área abrangida pelo alcance de cada sensor a uma distância de 100 km (Correia, 2012).
Figura 2.9 – Eficiência (%) de deteção combinada da rede de detetores de DEA na Península Ibérica
(Sousa, 2013).
Figura 2.10 – Área abrangida pelo alcance de cada sensor a uma distância de 200 km (Correia, 2012).
0 111
0
20 entre outros fatores, causam sempre uma certa limitação do sensor, mesmo na faixa de operação normal do sistema.
A Figura 2.12 é similar à Figura 2.9, mas refere-se às regiões que apresentam uma maior precisão de localização. Isto quer dizer que o erro de precisão dos detetores é inferior a 500 m, aumentando em direção à periferia da PI. De realçar, mais uma vez, que o detetor 9 não está incorporado nesta figura, pelo que se estivesse aumentaria a precisão de localização sobre o noroeste peninsular, encontrado-se assim, desatualizada face a este detetor na Galiza (Sousa, 2013).
2.5. Conclusão
O IPMA é a entidade nacional que supervisiona as DEA em Portugal Continental. A sua base de dados é ainda curta, mas importante para o futuro. Esta tecnologia permite referenciar regiões ou locais com elevada atividade elétrica, bem como as suas janelas temporais. As DEA são fenómenos de natureza imprevisível e aleatória e os prejuízos potenciais deste fenómeno tem consequências na sociedade. Desde logo devido à elevada dependência de equipamentos eletrónicos e redes de sistemas. As principais nuvens de trovoada, chamadas de
Cúmulos-nimbos, geram condições favoráveis à ocorrência de DEA de polaridade negativa e positiva,
sendo as de polaridade positiva mais intensas. Através da rede de detetores instalados na
Figura 2.12 – Precisão da localização de DEA (km) da rede de detetores da Península Ibérica (Sousa,
21 Península Ibérica é possível identificar os padrões e as distribuições das DEA, tendo uma eficiência de deteção superior a 90% nessa área de cobertura.
23
CAPÍTULO
Rede Nacional de Transporte de Energia Elétrica
Neste capítulo será feito o enquadramento à RNT em Portugal, bem como à sua caraterização. Seguidamente, expõem-se os incidentes na RNT, mostrando os problemas gerais que afetam as linhas de transporte e subestações. Por último, será feita uma caraterização das sobretensões de origem atmosférica.
24
3.1. Introdução
A energia elétrica produzida nas centrais electroprodutoras é conduzida pela Rede Nacional de Transporte (RNT) até às redes de distribuição. Daqui para a frente distribui-se a energia produzida até ao consumidor final, salvo algumas exceções, em que consumidores de potências elevadas, por questões técnicas e/ou económicas estão ligados diretamente à rede de transporte. Para assegurar uma maior segurança dos sistemas elétricos, a rede de transporte nacional está interligada com a rede europeia através da rede espanhola em vários pontos do território nacional. Assim permite a realização de trocas de eletricidade com Espanha, onde a partir deste país com outros países, possibilita uma maior fluidez do sistema. Deste modo, promove-se a concorrência entre os agentes produtores de energia dos países europeus, com a possibilidade de otimização do fornecimento de energia elétrica em termos económicos. Adicionalmente, esta interligação permite garantir uma melhor qualidade de serviço (e.g. segurança de abastecimento, continuidade de serviço, menor variação dos valores da frequência). A RNT é constituída essencialmente por linhas aéreas, em que os níveis de tensão se situam nos 400 kV, 220 kV e 150 kV, existindo ainda uma linha de 132 kV no norte de Portugal. A nível de cabos subterrâneos, são explorados essencialmente na região da Grande Lisboa e os níveis de tensão utilizados são 220 kV e 150 kV. A evolução da rede de transporte (ligação de novos centros electroprodutores e novas subestações de entrega à distribuição) é determinada não só pela necessidade de satisfação dos consumos crescentes, como também pela necessidade crescente de ligação de novos Produtores em Regime Especial (PRE). De modo a reduzir os impactes ambientais, não só por questões ambientais e de ordenamento do território, tem-se optado pela remodelação, reconstrução ou reforço das instalações existentes onde, por exemplo, reutilizar corredores de linha em fim de vida útil se torna vantajoso, quer em termos financeiros quer ambientais (ERSE, 2009).
A empresa Redes Energéticas Nacionais (REN) é a concessionária da RNT em Portugal, assegurando a exploração e manutenção desta em condições de segurança, com qualidade de serviço, bem como fiabilidade garantida. Para além disso, gere ainda os fluxos de eletricidade na rede, disponibilizando serviços de sistema aos utilizadores da Rede Elétrica de Serviço Público (RESP) (Loureiro, 2012b).
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3.2. Caraterização da rede nacional de transporte
Através da RNT e pelo conjunto de infraestruturas é assegurado o transporte de energia elétrica em Muito Alta Tensão (MAT) em Portugal. Na Figura 3.1 é possível verificar o mapa da RNT relativo ao ano 2013. Através das interligações, que são asseguradas pelos circuitos entre os diversos pontos da rede, são executadas por linhas aéreas de MAT. Uma fatia minoritária, cerca de 16 km, é constituída por cabos subterrâneos enterrados ou em galeria de cabos. O controlo e monitorização é feito de modo centralizado e/ou (em alguns casos) automatizado por oposição ao que já foi realizado em alguns anos atrás, onde eram necessários operadores em todas as centrais, coordenados por operadores da rede de transporte (Lopes, 2009). Em 2013, a RNT tinha ao serviço 67 subestações, 10 postos de corte, 2 de seccionamento, 1 de transição e um conjunto de linhas de transporte. Nesse ano houve um consumo de energia elétrica de 49,2 TWh, um acréscimo de 0,2% quando comparado com o ano 2012. De realçar, ainda assim, que este valor se situa cerca de 5,8% abaixo do máximo histórico ocorrido em 2010 (REN, 2013a). A exploração da RNT inclui a gestão técnica do sistema a operar, garantindo deste modo a segurança e continuidade do abastecimento de energia elétrica. Para além disto, a RNT está interligada com a rede europeia em vários pontos, através da rede espanhola (permitindo trocas de eletricidade), fazendo parte do Sistema Interligado UCTE (União para a Coordenação da Produção e do Transporte de Eletricidade). Assim, pode-se aumentar a margem de um sistema de segurança devido à diferença na produção e consumo de sistemas vizinhos.
26
27
3.3. Incidentes na rede nacional de transporte
O comportamento da RNT no ano 2013 teve um aumento de 31,2% de incidentes face ao ano anterior. A maioria destes incidentes não prejudicou o serviço aos consumidores, revelando a “robustez crescente da rede e da eficácia de atuação dos equipamentos e sistemas das diversas instalações” (REN, 2013b).
Em 2013, a REN registou 208 incidentes com origem na rede MAT. Assim, 20 incidentes foram na rede de Alta Tensão (AT) e 21 incidentes em outras redes mas com impacte nas redes MAT e AT. No total, foram detetados 249 incidentes, onde 8 tiveram impacto no abastecimento de energia elétrica aos consumidores, havendo interrupções superiores a 3 minutos (REN, 2013b). Na Figura 3.2 verifica-se a evolução do número de incidentes registados pela REN.
Assim sendo, pela análise da Figura 3.2, verifica-se que onde ocorrem mais incidentes na RNT é nas redes MAT. Já nas outras redes não existem grandes oscilações no número de incidentes, pois as redes AT e externas juntas são uma minoria comparando com as redes MAT. Contudo, os anos de 2005 e 2011 foram os que mais incidentes registaram nas redes MAT, perto de 250 e 280 incidentes, respetivamente, enquanto nos restantes anos este valor oscilou entre os 150 e os 200 incidentes. Já na Figura 3.3, verifica-se a distribuição dos incidentes nos demais equipamentos dos sistemas da RNT. Daí evidencia-se um aumento de 138% nos incidentes com
Figura 3.2 – Registo do número de incidentes, evidenciando essas ocorrências por redes: MAT, AT e externas à REN (REN, 2013b).
28 causas de origens atmosféricas. Os efeitos dos ventos, que normalmente não têm grande expressão, provocaram 82,8% de incidentes. Para a restante percentagem, 55,2%, não existe qualquer tipo de informação. Todavia, esses 55,2% poderão indicar que a sua origem advém parcialmente de DEA (REN, 2013b).
3.4. Problemas nas linhas de transporte
Pelas caraterísticas desiguais dos terrenos onde estão implantadas, bem como pela sua dispersão geográfica, as linhas aéreas estão mais sujeitas a ações dos agentes externos meio-ambientais, onde os principais causadores de incidentes na rede estão sujeitas a DEA, a incêndios, aves, poluição, vento, entre outros (REN, 2013b).
Relativamente ao ano de 2013, como já referido atrás, houve um aumento de 31,2% face ao ano anterior. Registaram-se 185 incidentes nas linhas, afetando os diversos níveis de tensão, como se poderá ver na Figura 3.4.
29 O conjunto de linhas que sofreu mais incidentes nesse ano foi a de 400 kV, com 41,3%. Já as linhas de 220 kV e 150 kV tiveram registos de incidentes na ordem dos 25,5% e 22,1%, respetivamente. É de realçar que os principais motivos de incidentes em linhas são provocados por ações atmosféricas e ações ambientais. Nas ações atmosféricas registaram-se cerca de 36,7% de incidentes, onde 24,3% são atribuíveis às DEA e 13% a ventos intensos. Já ao nível de ações ambientais registaram-se 41,6% de incidentes, em que 12,4% são relativos a incêndios e 29,2% provocados por cegonhas. Outras causas desconhecidas são 21% das ocorrências, como se pode verificar na Figura 3.5. De assinalar que em 2013 existiu um aumento significativo no número de disparos causados pelas DEA, 45 contra 29 em 2012 (REN, 2013b).
41,3% 22,1% 25,5% 11,1% 400 kV 150 kV 220 kV Outros
30 As DEA são o principal problema de defeitos na RNT, onde no ano 2013, houve um agravamento de 36% face a 2012. Normalmente as DEA são um maior problema do final do verão ao início do outono, quando se verifica uma maior frequência de ocorrência e, consequentemente, de número de disparos. Nesse ano, o mês de setembro foi particularmente intenso, ocorrendo 22 defeitos (39% do total anual). Ainda assim “encontra-se muito distante do limiar recomendável para uma rede de transporte (1,5 defeitos/100 km)”, como se pode verificar na Figura 3.6 (REN, 2013b).
21% 13% 29% 13% 24% Outras causas Incêndios Aves Vento DEA
31
3.5. Subestações
Comparativamente com o ano 2012, o ano 2013 registou um total de 745 avarias no conjunto dos equipamentos de AT e MAT, bem como nos sistemas auxiliares de subestações, representando um aumento de avarias em cerca de 3,3%. Houve também ligeiras subidas de disparos devido aos transformadores de potência, disjuntores, transformadores de medição, seccionadores e outros equipamentos. De salientar que o número de avarias de sistemas de comando e controlo e baterias de condensadores registou um decréscimo de 11%, mas ainda assim continuam a ser a família de equipamentos com maiores ocorrências de avarias, perfazendo 39% do total de avarias. Em 2013, registaram-se 29 casos, atribuídos a deficiências nos equipamentos e sistemas em serviço nas subestações, como se pode verificar na Tabela 3.1, adaptada de REN (2013b).
Figura 3.6 – Evolução do número de defeitos com origem em linhas da RNT por 100 km de circuito (distribuição por causas) (REN, 2013b).
32 Tabela 3.1 – Incidentes devidos a deficiências de equipamento no ano 2013.
3.6. Caraterização de sobretensões de origem atmosféricas
Os sistemas elétricos estão diariamente expostos a perturbações, onde falhas originadas por árvores, pássaros, condições meteorológicas, entre outros, afetam a continuidade do sistema. No entanto, entre todas estas perturbações, as DEA tornam-se os casos mais graves e penosos, afetando especialmente o relé de proteção das linhas de transmissão. Os efeitos das DEA em dispositivos do sistema, podem ser divididos em 2 partes quando:
as sobretensões não excedem os limites do isolador a falha não é produzida e, portanto, o relé de proteção não enviará ordem de disparo.
as sobretensões geradas excedem os limites do isolador, uma falha é produzida e o relé envia a ordem de disparo.
Neste contexto, os dispositivos de proteção devem classificar corretamente esses fenómenos, mas na atualidade o desempenho dos relés tradicionais sob condições de trovoadas, ainda tem muito a melhorar. Portanto, é fundamental afinar estes desempenhos para que no futuro exista uma correta classificação das DEA nas sobretensões provocadas pelas DEA (Morales et al.,
Família de causas Equipamento Incidentes Nº f(%) F(%) Nº Inc. no SP Nº Inc. no SA
Defeito – sistemas Auxiliares
Sistemas de proteções 10 34,5 34,5 0 10 Sistemas de comando e
controlo 1 3,4 37,9 0 1
Serviços auxiliares 5 17,3 55,2 0 5
Defeito equipamento - MAT
Disjuntor 5 17,3 72,5 5 0 Transformador de potência (incluido acessórios) 6 20,7 93,2 6 0 Módulo SF6 blindado 1 3,4 96,6 1 0 Transformador de tensão 1 3,4 100 1 0 Total 29 100 13 16
f - Frequência; F - Frequência Acumulada SP - Sistema Primário; SA - Sistema Auxiliar
33 2014). Assim, para proteger a rede contra as DEA são implementadas várias proteções, por forma a evitar avarias na rede.
3.6.1. Proteções ativas
Explosores
Normalmente, os explosores são constituídos por dois elétrodos separados pelo ar, onde apenas um deles se encontra ligado ao condutor e o outro ligado à terra. Para os explosores serem eficazes, aquando de uma sobretensão superior ao nível de proteção estabelecido, o intervalo de ar que separa os dois elétrodos é regulado de forma a escorvar-se um arco elétrico entre os elétrodos do explosor. Deste modo, os efeitos da sobretensão são limitados devido à criação de um caminho condutor para a terra. Esta situação é possível, através do arco elétrico entre os dois elétrodos. Por ser um tipo de material de baixo preço, os explosores são dos mais utilizados por serem de fácil ajustamento e pelas suas caraterísticas de poderem ser facilmente adaptados de acordo com a altitude do local onde são instalados. Contudo, apresentam alguns inconvenientes, como a dificuldade de extinção por si mesmos, podendo provocar avarias em componentes bobinados e causar maiores sobretensões por reflexão nas redes aéreas. Também dependerá das condições atmosféricas, como por exemplo, o gelo que se pode acumular sobre os elétrodos do explosor, diminuindo a distância de escorvamento, provocando em seguida atuações intempestivas (Coelho, 2009).
Descarregadores de sobretensões
Os descarregadores de sobretensões DST são uma importante ferramenta para proteger os materiais elétricos das sobretensões transitórias, isto é, limita a amplitude e duração da corrente em excesso que circula nas linhas aéreas. Deste modo, para além de descarregar o excesso de corrente para a terra, protege os equipamentos a jusante. Assim sendo, têm como vantagens uma maior segurança para equipamentos e pessoas, um menor número de avarias e de energia não fornecida e a melhoria da qualidade de serviço. Normalmente os DST são colocados próximos de equipamentos dispendiosos, onde os tempos para uma possível substituição são demorados, mas que sejam fundamentais para o bom funcionamento da rede, como é o caso de transformadores de potência ou na blindagem dos cabos isolados, quando uma das extremidades da blindagem se encontra ligada à terra.
34 Existem dois tipos de DST:
DST de carboneto de silício (SiC) – dos mais utilizados na rede, mas nos últimos anos
tem está em declínio devido ao envelhecimento dos explosores e à poluição depositada no invólucro. A sua estrutura é essencialmente uma pilha de blocos de SiC em série com
os explosores e quando ocorre uma sobretensão, ocorre um escorvamento nos explosores colocando a sobretensão em contato com os blocos de SiC. Assim
estabelecem um circuito à terra de baixa impedância, onde rapidamente irá provocar uma diminuição da corrente produzida pela sobretensão (Lopes, 2009);
DST de óxido de zinco (ZnO) – estes em condições normais apresentam-se como
isoladores, como também serem condutores sob ação de sobretensão, drenando para a terra a onda de descarga. Para além disso é o material predominante no fabrico de DST. Em relação ao DST de SiC, o DST ZnO é mais rápido na eliminação do defeito, não se
notando a corrente de seguimento. A sua atuação é mais suave devido à diminuição progressiva da resistência do material semicondutor, levando a uma maior longevidade (Lopes, 2009). Relativamente à ligação dos DST, estes são ligados entre os condutores de fase da linha e a terra.
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3.6.3. Proteções passivas
Cabos de Guarda
A função dos cabos de guarda é proteger as linhas e subestações contra as DEA. O escoamento das correntes de descarga são feitas através das interligações à terra dos diversos apoios através das estruturas metálicas. Estes tipos de cabos de guarda são instalados na cota superior à dos condutores de forma a garantir um ângulo necessário para a blindagem desses condutores. Quanto aos tipos de cabos de guarda, no caso da REN, utilizam maioritariamente cabos de guarda convencionais do tipo Aluminum Conductor Steel Reinforced – ACSR. No seu interior são incorporados fibras óticas (Optical Power Ground Wire – OPGW) onde permitirá aceder a informações de situações críticas e mesmo para o caso de, por exemplo, existir um certo troço em que tenha ocorrido uma avaria, sendo mais fácil detetar problemas na RNT (Soares, 2012).
3.7. Cadeias de Isoladores
Nas linhas da RNT os isoladores têm a função de suporte mecânico para os condutores elétricos, como também garantir o isolamento elétrico entre os elementos metálicos que se encontrem ligados à terra dos apoios e entre os condutores. Os isoladores são essencialmente constituídos por acessórios de fixação e por um corpo isolante. Já o seu invólucro é projetado para proteger o núcleo de condições adversas exteriores, como também, fornecer uma linha de fuga extensa no caso de haver contornamento (Lopes, 2009).
36 Os isoladores são determinados pelo comprimento da linha de fuga e pelo nível de tensão. Para que a linha de fuga tenha um isolamento eficaz, esta terá de corresponder à distância que a corrente teria de percorrer pela superfície do isolador entre as duas extremidades metálicas deste. Assim corresponderá à distância de isolamento para uma frequência de 50 Hz (Sousa, 2006). A capacidade de isolamento deste componente para as DEA é nula, dificultando até a DEA para a terra pelos apoios. Outro aspeto é que não existe uma ligação elétrica das linhas aos apoios, como acontece nos cabos de guarda onde ocorre um bom escoamento para a terra destas correntes de defeito.
Hoje em dia, os isoladores mais utilizados pela RNT, dentro dos tipos de isoladores existentes, são os isoladores de vidro de longa linha de fuga e pequena linha de fuga. Para locais de forte poluição são utilizados os isoladores de longa linha de fuga, sendo denominados por antipoluição. De referir que nos dias de hoje são utilizados isoladores de material compósito na RNT, permitindo um melhor isolamento em locais de elevada poluição. O processo de fabrico
Figura 3.9 – Exemplo de um isolador de longa linha de fuga em (A) e de um isolador de pequena linha de fuga em (B). Já a linha de fuga em ambos os isoladores está realçada a vermelho (Sousa, 2006).
