PROTEÇÃO
RESUMO
Neste trabalho, os autores descrevem os aspectos fundamen-tais da investigação que realizaram no projeto “Proteção de Redes de Distribuição de Baixa Tensão contra Descargas At-mosféricas” (Projeto P&D-ANEEL: CEMIG / LRC) e apre-sentam os principais resultados alcançados. Tais resultados decorrem de avaliações acerca dos diversos tipos de ocorrên-cia na rede de baixa tensão assoocorrên-ciados à incidênocorrên-cia de descar-gas sobre a rede ou em suas proximidades. A influência de diversas variáveis no desenvolvimento de surtos transferidos da média para a baixa tensão em redes de distribuição é investigada e, também, os efeitos de incidência e tensão induzida diretamente na rede secundária ou na instalação do consumidor. Tais avaliações foram desenvolvidas na perspec-tiva de proteção da rede da concessionária e das instalações consumidoras. Os resultados subsidiam a definição de práti-cas de proteção adequadas à preservação da qualidade da ener-gia fornecida pela empresa.
PALAVRAS-CHAVE
Proteção contra Descargas Atmosféricas, Proteção de Redes de Distribuição de Baixa Tensão, Sobretensões Atmosféricas nos Consumidores, Tensão Induzida, Surtos Transferidos.
I. INTRODUÇÃO
As descargas atmosféricas correspondem a uma das principais causas de interrupções e desligamentos nas re-des de energia elétrica no Brasil. Seus efeitos re-destrutivos freqüentemente se estendem a equipamentos e consumi-dores conectados. Tal quadro determina a necessidade de definição e avaliação de práticas de proteção que assegu-rem a manutenção do fornecimento de energia dentro de limites de qualidade desejáveis.
A carência de investigações aprofundadas no tema,
que contemplem as condições particulares do sistema de distribuição instalado em Minas Gerais e as específicas condições ambientais locais, motivou a CEMIG a formu-lar o projeto “Proteção de Redes Elétricas de Baixa Ten-são contra Descargas Atmosféricas”. Este foi contratado ao LRC, com duração aproximada de 2 anos. O presente texto resume as realizações e resultados deste projeto, des-critas em detalhe em [1-21].
II. SOBRETENSÕES DE ORIGEM ATMOS-FÉRICA EM REDES DE BAIXA TENSÃO: CONSIDERAÇÕES GERAIS
As sobretensões de origem atmosférica podem atin-gir as redes de baixa tensão e instalações consumidoras fundamentalmente através de quatro diferentes tipos de ocorrência: (i) incidência de descargas diretas na rede elé-trica, (ii) tensões induzidas diretamente na baixa tensão, (ii) transferência através do transformador de distribuição de surtos originados na média tensão (por incidência ta ou tensão induzida) e (iv) incidência de descargas dire-tamente sobre unidades consumidoras.
a
a
b
c
d
FIGURA 1 – Mecanismos de interação entre as descargas atmosféricas e as redes de distribuição.
As descargas diretas podem ocorrer sobre as redes de média e baixa tensão (figura 1-a), bem como sobre edificações (figura 1-d). Os efeitos da incidência direta de descargas em redes de distribuição são de elevada severi-dade e podem provocar diversos danos no sistema. Esse evento é mais comum no caso de redes rurais de média tensão ou em regiões periféricas de cidades, sendo mais raro em áreas urbanas, devido à presença de edificações elevadas. É muito pouco freqüente em redes de baixa ten-são, instaladas, em sua maior parte, sob redes primárias.
Proteção de Redes Elétricas de Baixa Tensão
Contra Descargas Atmosféricas
S. Visacro F., A. R. De Conti, C. S. Pereira, F. H. Silveira
1, J. V. P. Duarte
2Silvério Visacro F.: pesquisador e coordenador do LRC (UFMG). Email: Lrc@cpdee.ufmg.br
Clever Sebastião Pereira: pesquisador do LRC (UFMG). Email: clever@cpdee.ufmg.br
Alberto R. De Conti: pesquisador associado ao LRC, onde desenvolve tese de doutorado como bolsista do Cnpq. Email:conti@cpdee.ufmg.br Fernando Henrique Silveira: pesquisador associado ao LRC, onde desenvolve tese de doutorado. Email:silveira@cpdee.ufmg.br José Vicente P. Duarte: engenheiro da CEMIG - Engenharia de Distribuição . Email: vicente@cemig.com.br
1 LRC - Lightning Research Center – Núcleo de Desenvolvimento Científico e
Tecnológico em Descargas Atmosféricas (UFMG-CEMIG).
Proteção
Descargas que incidem nas proximidades das redes elé-tricas (figura 1-b) podem originar sobretensões induzidas, tanto nos circuitos de média quanto de baixa tensão. O grau de severidade dos efeitos associados a esse tipo de evento é muito menor do que aquele dos efeitos originados por inci-dência direta. Entretanto, sua freqüência de ocorrência é muito superior àquela das descargas diretas. Isto torna as sobretensões induzidas o fator crítico de condicionamento do desempenho das redes de distribuição.
A incidência direta na unidade consumidora pode gerar solicitações na rede da concessionária, especialmente se o aterramento de seu sistema de proteção contra descargas for conectado ao aterramento do medidor na entrada de serviço. A disseminação de um surto na média tensão, gerado por descarga direta ou indireta, pode se estender até a rede de baixa tensão através do transformador de distribuição (figura 1-c). A intensidade e a forma das solicitações asso-ciadas a esse processo dependem de muitos fatores. O grau de severidade destas pode alcançar níveis críticos, tanto do ponto de vista dos equipamentos instalados na rede de baixa tensão, quanto dos consumidores a ela conectados.
III. ABRANGÊNCIA DA INVESTIGAÇÃO RELATIVA AO PROJETO
A. Tipos de solicitação
No contexto das possíveis solicitações da rede elétri-ca por deselétri-cargas, o projeto realizou avaliações que abor-dam funabor-damentalmente três questões, contemplando, em cada caso, a análise de severidade correspondente da soli-citação e as possibilidades de proteção associadas: (i) Transferência de surtos para o circuito de baixa tensão
a partir de ocorrências no circuito primário;
(ii) Surtos diretamente gerados na rede de baixa tensão por tensões induzidas;
(iii)Sobretensões resultantes na rede de baixa tensão em de-corrência da incidência direta em unidades consumidoras. Contemplou, ainda, o desenvolvimento de avaliações específicas em tópicos particulares, com destaque para os aterramentos elétricos da rede de distribuição.
Tais avaliações foram implementadas segundo duas perspectivas de proteção: aquela do sistema da concessio-nária e a dos consumidores.
B. Metodologia adotada
Adotou-se uma abordagem do problema que partiu da análise básica do comportamento do sistema frente às solicitações, através da consideração inicial de configura-ções simplificadas. Paulatinamente os desenvolvimentos evoluíram em complexidade na medida em que as situa-ções e configurasitua-ções de sistema mais representativas das aplicações reais passaram a ser consideradas.
As realizações de projeto basearam-se em modelagem e sistemática simulação computacional de condições e
con-figurações consideradas representativas respectivamente de solicitações e de configuração de rede. Nessas simulações foi extensivamente empregado o EMTP (Electromagnetic Transient Program) para os estudos de transferência. Os estudos de Tensão Induzida e de Aterramentos adotaram modelos computacionais próprios desenvolvidos anterior-mente pela equipe do LRC.
Numa primeira etapa do projeto, as avaliações da im-portância relativa dos diversos mecanismos de solicitação das redes de baixa tensão por descarga indicaram uma gran-de probabilidagran-de gran-de ocorrência gran-de transferência gran-de surtos para o secundário através do transformador de distribuição. Em decorrência, optou-se por privilegiar a investigação desse fenômeno, ao qual foi dedicada a maior parcela dos desen-volvimentos de projeto. A investigação dos demais meca-nismos sucedeu àquela da transferência e, usualmente, to-mou os resultados desse processo para referência.
C. Configuração Básica do Sistema Analisado
A primeira realização do projeto consistiu na elabora-ção de um documento descritivo detalhado do sistema de distribuição da empresa, contemplando sua configuração, componentes, as práticas e metodologias em uso para sua proteção [1, cap. III]. A atividade proporcionou à equipe do projeto um conhecimento detalhado do sistema da empresa. A rede aérea secundária foi o foco do projeto. Dado o acoplamento desta com a rede primária, a consideração de ambas foi necessária para a realização dos desenvolvi-mentos. A figura 2 representa simplificadamente a cone-xão de um transformador de distribuição às cargas instala-das na rede de baixa tensão. Usualmente, dispositivos pára-raios protegem os seus terminais de média tensão e, em alguns casos, também podem ser instalados junto aos seus terminais de baixa tensão. O condutor neutro é multi-ater-rado e comum às redes de média e baixa tensão, estando conectado ao tanque do transformador. Os transformado-res podem ser trifásicos (∆-Y) ou monofásicos (secundá-rio com tape central). R
T e RC representam,
respectivamen-te, os aterramentos do transformador e dos consumidores conectados. C1 a C3 representam as cargas consumidoras conectadas à rede de baixa tensão.
Rt Rc Cargas Transformador PRMT's C3 C1 Fases 1, 2 e 3 Neutro C2
FIGURA 2 - Caracterização simplificada da conexão do transformador de distribuição às cargas consumidoras em redes de baixa tensão.
Os condutores da rede de baixa tensão (RBT) podem ter configuração convencional (verticalmente espaçada) ou multiplexada (condutores fase isolados, entrelaçados em torno do condutor neutro). Em redes rurais, muitas vezes um transformador alimenta um único consumidor ou um pequeno conjunto concentrado de cargas. Em redes urba-nas, ramais de até 200 m podem ser derivados a partir do transformador para alimentar diversos consumidores.
Adotou-se inicialmente um modelo específico de trans-formador [22] e as redes de baixa tensão convencionais e multiplexadas foram representadas por modelos com parâmetros distribuídos e variáveis na freqüência. A resistividade do solo foi mantida fixa em 1000 Ω. RT e RC foram representados como simples resistências, já que este é o parâmetro usualmente medido pelas concessionárias. O condutor de descida que conecta RT ao tanque do trans-formador foi modelado por uma indutância de 1 µH/m. e as cargas consumidoras por resistências de 30 Ω.
IV. DESENVOLVIMENTOS A. Sobretensões Transferidas através de
Transformadores
A transferência de surtos da média para a baixa tensão através do transformador de distribuição pode ocorrer de duas maneiras distintas e complementares. A primeira corresponde ao acoplamento direto entre os dois circuitos através dos enrolamentos do transformador e depende principalmente da constituição física do equipamento e das freqüências repre-sentativas da sobretensão solicitante. As capacitâncias parasi-tas do transformador transferem a parcela mais rápida do sur-to incidente para a rede de baixa tensão.
A segunda parcela está associada à condução da corrente de surto pelos pára-raios de proteção do transformador na média tensão. Idealmente, seria desejável que essa corrente fosse to-talmente drenada pelo aterramento do transformador (RT), o que não ocorre na prática. Uma parte da corrente pode ser direcionada para o circuito de baixa tensão através dos condu-tores neutro (conectado ao tanque do transformador) e fase. A amplitude dessa parcela é tanto maior quanto maior a elevação de potencial no aterramento do transformador.
Assumindo-se o circuito da figura 2, foram realizadas si-mulações com uso do EMTP. Considerou-se a injeção de 1 e 10 kA (5/60 µs) diretamente no primário do transformador, representando, respectivamente, o limite superior das corren-tes associadas a sobretensões induzidas e descargas diretas ocor-ridas nas redes de média tensão. Os tempos de frente e de meia-onda utilizados foram derivados dos dados representativos de descargas medidas na Estação do Morro do Cachimbo.
Verificou-se nos desenvolvimentos que a parcela as-sociada à elevação de potencial em RT predomina ampla-mente sobre a transferência por acoplamento capacitivo.
As avaliações pertinentes a esse tópico se iniciaram considerando-se uma rede secundária, a descoberto, com um único consumidor de carga concentrada no final de uma rede de certo comprimento. Foram desenvolvidas análises
de sensibilidade para esclarecer o papel de cada uma das variáveis do sistema e do sinal solicitante na amplitude da sobretensão resultante no transformador e no consumidor. Estas são referidas nos itens 6 a 14 da tabela 1.
À parte o interesse de conferir relevo ao efeito de cada variável, através da abordagem cartesiana, tal circuito apre-senta, também, certa representatividade para a situação de consumidor rural. Assim, as conclusões desenvolvidas para essa condição encontram aplicação imediata.
Em seguida, passou a ser contemplada a presença de con-sumidores distribuídos, compondo típicas ramificações da rede secundária em regiões urbanas. Verificado o efeito das ramifi-cações, foi incluído o acoplamento entre a rede primária e se-cundária, e verificou-se que, basicamente, a qualidade dos re-sultados e conclusões desenvolvidos não foram alterados. Para concluir a abordagem do fenômeno da transferência através do transformador de distribuição, foi incluída a análise relativa aos efeitos de disrupções entre média e baixa tensão (Figura 3).
. . P0 PRBT C0 C1 C2 C3 C4 C5 150 m . . 150 m . . P150-. . 150 m 150 m . . 150 m . . 150 m 150 m . . . . 150 m . . 150 m 150 m P150+ P600+
00-FIGURA 3 – Configuração de rede de baixa tensão analisada (transferência)
B. Tensão Induzida nas Redes de Baixa Tensão
Para se avaliar os efeitos de tensão induzida na rede de baixa tensão, foi analisada uma condição considerada crítica, correspondente à incidência de descarga a uma dis-tância de 50 m da rede, conforme ilustra a figura 4. A onda de corrente incidente foi aproximada por uma rampa (1,2/ 50 µs) de valor de pico variável, sendo determinadas as amplitudes da sobretensão resultante no secundário do transformador e no consumidor, para várias hipóteses re-presentativas das condições do circuito.
150 m
50 m Ponto de incidência da
descarga
FIGURA 4 - Representação geométrica da linha e ponto de incidência da descarga para avaliações de tensão induzida.
C. Surtos gerados por incidência direta no consumidor
Verificou-se que o mecanismo de estabelecimento da sobretensão na rede secundária para esse tipo de ocorrência (figura 5) é muito semelhante àquele gerado pela elevação de potencial no aterramento do transformador de distribui-ção, embora o sentido da corrente seja reverso. As análises desenvolvidas puderam, então, fazer recurso aos resultados das simulações implementadas para as avaliações daquele tipo de evento. Evidentemente, foram observados cuidados com relação aos aspectos diferenciais envolvidos nas ocor-rências, como é o caso da amplitude de corrente.
Proteção
N 1 2 Itrafo Ic2 If2 In2 If1 In1 F N F N FD. Configurações de Aterramentos Elétricos da Rede
Através de simulação, recorrendo-se a uma elaborada modelagem computacional, foi avaliada a eficiência das confi-gurações de aterramento praticadas e recomendadas pelas nor-mas da empresa. Foram propostas configurações otimizadas de melhor eficiência tanto para rede urbana quanto rural.
V. RESULTADOS E ANÁLISES
Por carência de espaço, neste texto são apresentados apenas os resultados objetivos das análises desenvolvidas no decorrer do projeto, na forma de um conjunto de con-clusões e de algumas recomendações específicas. As análi-ses e as justificativas que sustentam tais conclusões estão detalhadas na referência [1].
RESULTADOS DAS AVALIAÇÕES
Representatividade das ondas de corrente solicitantes
1. A solicitação de maior importância corresponde à trans-ferência da média para baixa tensão, com percurso de correntes moderadas (limite superior da ordem de 1kA) pelos cabos de descida, associadas à tensão induzida. Uma condição crítica e corresponde ao fluxo de corren-te de 10 kA, associada a parcela de uma correncorren-te de incidência direta em local próximo ao transformador. 2. Na falta de uma indicação sustentada na literatura da forma
de onda representativa, o uso da onda 5/60µs, seguida de análise de sensibilidade do efeito da variação do tempo de frente de onda, é um procedimento consistente.
Transferência pelo transformador
3. Importância relativa das parcelas de transferências de surto através do transformador: Predominância abso-luta da transferência por elevação de potencial no aterramento, em relação à transferência direta através do acoplamento capacitivo entre as espiras do primá-rio e secundáprimá-rio do transformador.
4. O modelo do transformador perde importância: embora para diferentes potências as respostas sejam diferen-tes, a importância relativa da transferência direta con-tinua muito reduzida.
FIGURA 5 – Configuração representativa de incidência direta no consumidor
5. Para a maior parte das análises relativas à transferência de surtos da média para a baixa tensão, é suficiente representar os pára-raios, a indutância do cabo de des-cida, a impedância do aterramento do transformador e a indutância do seu secundário.
Comportamentos básicos associados à transferência: 1 consumidor no final da rede (sobretensão na carga)
6. Influência da configuração física da rede de baixa ten-são (redes convencional x multiplexada): Menores sobretensões para a rede multiplexada (significativas diferenças: 1/3 a 1/2).
Influência do comprimento da rede de baixa tensão:
7. Comportamento: sobretensão cresce com o compri-mento.
8. Ocorre saturação deste crescimento (rede convencio-nal: 100 a 150 m ; rede multiplexada: a aproximada-mente 300 m, sendo o crescimento da sobretensão, nes-te caso, mais suave e contínuo).
9. O uso de redes menores (~50 m) limitaria as sobretensões.
Influência dos aterramentos do circuito:
10. Aterramento do Transformador (RT): Quanto menor o valor de R
T, mais reduzida é a sobretensão transferida
(depende de parâmetros como ρ)
11. A sobretensão cresce com a relação “RT / RC”, sendo importante manter valor reduzido para tal relação. 12. Influência dos tempos característicos do surto Surtos mais
rápidos promovem maiores sobretensões no consumidor e no trafo: (1,2/50 : 5/60 : 8/20) à (amplitude: ~ 3:2:1)
Influência das cargas consumidoras:
13. Existe quase uma proporcionalidade inversa entre o “módulo da carga” e a sobretensão na carga. Assim, a carga do consumidor é um fator crítico: (Exemplo: R
carga=30Ω:10 Ω - Sobretensões: 2,5 kV:1 kV).
14. Pouca influência dos efeitos capacitivo e indutivo para os valores assumidos para L e C (a sobretensão man-tém a amplitude, embora adquira certa oscilação).
Influência do uso de dispositivos pára-raios na rede de baixa tensão
Uso de pára-raios no secundário do transformador
15. Grampeia a tensão no secundário do trafo, protegendo-o. 16. Os níveis de tensão nos medidores na entrada do consumidor são menores que sua suportabilidade (> 5kV) para corren-tes injetadas no pára-raios primários da ordem de 1 kA. 17. Promove aumento da sobretensão na carga (até 30%).
Au-menta mais para valores mais elevados da relação “RT / RC”. 18. Esse efeito é mais acentuado para correntes maiores.
Aplicação de 1 pára-raios em posição intermediária (substitui o do secundário do transformador)
19. Proteção do transformador: Este fica desguarnecido, embora o NBI do seu secundário seja relativamente elevado (35 a 40 kV).
20. Também os consumidores ligados diretamente ao trans-formador ficam desprotegidos.
21. Proteção da carga: Naturalmente deve ser melhor se o pára-raios está mais próximo da carga.
Aplicação de conjunto adicional de pára-raios em po-sição intermediária na baixa tensão
22. A sobretensão cresce no consumidor à medida que o ponto de instalação do PR se afasta do consumidor. A prática é tanto mais efetiva quanto menor for “RT / RC”. 23. Proteção assegurada apenas para instalação junto ao con-sumidor (medidor). Mesmo assim, não deve haver dis-tância considerável entre o ponto de entrada e as cargas da residência, sobretudo se houver aterramento interno. 24. Para distâncias de 45 m do consumidor, há influência apenas se RT << RC, com pequena redução da sobretensão no consumidor. Nos outros casos pratica-mente não muda em relação à ausência de PR adicio-nal. Para dist. de 30 e 15 m há redução discreta da sobretensão no consumidor: (~10 a 15% para 30 m e 20 a 30% para 15 m).
(b) Com aterramento no PR (Ri)
25. Existe diferença em relação à condição de ausência de aterramento apenas se RI << RT, com pequena redu-ção da sobretensão no consumidor.
26. O comportamento é afetado apenas discretamente pelo tempo de frente e amplitude da onda de corrente. No caso da amplitude, devido ao efeito do PR, a relação entre a sobretensão e a corrente é menor que a linear (I = 10kA → V < V
1kA x 10).
Influência do nível de proteção dos pára-raios (d= 15m, 30m)
27. O efeito da variação do nível de proteção (para distân-cias de 15 e 30 m do PR ao consumidor) é muito dis-creto na sobretensão. Apenas se RI << RT o efeito se manifesta. O eventual aumento do nível de proteção afetaria pouco a proteção do consumidor. Assim, a proteção é assegurada apenas quando o PR é instala-do diretamente na carga.
Influência de ramificações na rede de baixa tensão (1 ramo)
28. Na Rede Multiplexada os efeitos são menos intensos. 29. À exceção de Po (consumidor ligado ao transformador), o
ele-mento mais penalizado (consumidor no final da rede, C5, ou nova carga, Cx) é aquele de menor resistência de aterramento.
Efeito no final da rede:
30. A presença de uma carga numa posição anterior à metade da rede (mais próxima ao transformador) tende a reduzir a sobretensão no final da rede. A redução será tanto mai-or quanto mais próximo do transfmai-ormadmai-or estiver a nova carga. A redução será tanto maior quanto menor for a resistência de aterramento da nova carga (R
CX).
31. A presença de uma carga numa posição posterior à metade da rede (mais próxima do final da rede) tende a aumentar a sobretensão no final da rede. A piora será tanto maior quanto mais próximo do consumidor esti-ver a carga. A piora será tanto maior quanto menor for R
CX desta nova carga. Efeito na nova carga:
32. A nova carga é sempre penalizada com maior sobretensão, exceto em P0. A penalização é tanto mai-or quanto menmai-or fmai-or RCX.
Redes Rurais
33. A presença de aterramentos no neutro da rede de mé-dia tensão nos postes adjacentes ao transformador que alimenta o consumidor é importante para reduzir os efeitos dos surtos gerados em pontos distantes e que se propagam em direção ao transformador.
34. Usualmente há sobretensões menores na carga, pois:1. o medidor está junto ao poste (transformador) e o
com-primento da ligação interna é pequeno. 2.A resistência de terra do consumidor é muito elevada (não é espera-da a existência de aterramento interno: RT/RC→0). 35. Se o comprimento da rede interna for grande ou,
even-tualmente, houver RC de valor reduzido , a sobretensão pode aumentar .
35.1. Condições de risco: No eventual fluxo de corrente de surto pelo aterramento do transformador, pela inexistência de aterramento interno na instalação do consumidor, podem ser estabelecidos valores muito ele-vados de tensão fase-terra e neutro-terra. Isto denota a importância de obter valor reduzido de RT para o consumidor rural.
O uso de pára-raios (PR):
36. Reduz à ordem da metade a amplitude dos surtos que só são significativos se L é longo (L ~75m).
37. Proteção do transformador: Em princípio, apenas pela transferência não é necessária, exceto se houvesse aterramento local interno. Entretanto, na ocorrência de rupturas em algum ponto da RBT associadas aos elevados níveis de tensão fase-terra e neutro-terra de-senvolvidos, seus enrolamentos podem ser submeti-dos a correntes intensas. Esta condição é idêntica à hipótese RT / RC→ 0.
38. Em caso de consumidores múltiplos derivando de um poste com aterramento exclusivo além do transforma-dor (onde estão os diversos meditransforma-dores) a condição é diferente: com possibilidade de sobretensões superio-res na carga (apesar de uma possível relação RT/RC favorável).
39. Em geral, com o emprego de redes multiplexadas, as sobretensões são bem menores.
Redes Urbanas
40. Representatividade do circuito ramificado com 6 con-sumidores e 150 m adotado: em princípio a condição é mais severa que aquela em que a carga de cada poste fosse disseminada e não concentrada numa resistência de 30 Ω e em que houvesse rede simétrica em relação ao poste.
41. Os níveis de sobretensão são muito reduzidos para cor-rentes da ordem de 1 kA : não ultrapassam 1 kV. Por conseguinte, nas avaliações, investigou-se o compor-tamento para uma condição crítica, considerando I = 10 kA (itens 13.3 a 13.8 [1]).
42. Na ausência de pára-raios, o secundário do transfor-mador e os consumidores alimentados diretamente pelo transformador são submetidos às maiores sobretensões.
Comportamento na presença de PR no secundário do trafo:
43. Perfil da sobretensão: Cresce ao afastar-se do trans-formador.
44. No caso em que as resistências de aterramento dos consumidores é menor que a do transformador (R
C <
R
T), há uma exceção a este comportamento. Neste caso
tem-se: 44.1 Para rede convencional: vale comporta-mento descrito (exceção: C1, consumidor ligado ao primeiro poste após o transformador). 44.2 Para rede multiplexada: tem-se comportamento inverso, com decrescimento da sobretensão no consumidor ao afas-tar-se do transformador.
45. Efeito da redução de R
T do Transformador: Redução
generalizada da sobretensão nos consumidores. Entre-tanto, para rede muito ramificada, os níveis de
redu-Proteção
ção da sobretensão não são tão significativos: (20 a 40% para redução de RT à metade). Maiores reduções relativas ocorrem se a resistência de aterramento dos consumidores (RC) é elevada.
Efeito da melhoria localizada de Aterramento (1 consumidor)Apenas um consumidor tem baixo valor de resistência de aterramento (exemplo: existência de edificação com SPDA - sistema de proteção contra des-cargas com anel de equalização de potencial no solo):
46. Com a melhoria da resistência de aterramento do con-sumidor ligado ao transformador (Co), há redução ge-neralizada da sobretensão no ramal, embora Co seja penalizado.
47. A sobretensão ao longo do ramal praticamente não é afetada pela redução de R
C de um dos demais
consumi-dores. Entretanto, o consumidor cuja resistência de aterramento foi reduzida é severamente penalizado, com aumento da sobretensão associado ao direcionamento da corrente de surto para seu aterramento.
48 Instalação de um só PR (comparação: sem PR, PR no
secundário ou PR no final da rede):Instalação apenas no transformador: protege apenas este equipamento. A sobretensão cresce a partir de P1 (consumidor liga-do no primeiro poste além daquele liga-do transformaliga-dor). O comportamento é semelhante àquele referido no item 17 desta tabela.Instalação no final da rede: protege apenas o último consumidor (C5) e melhora modera-damente a sobretensão em C4 (consumidor alimenta-do pelo penúltimo poste). Não influencia nos demais
49. Instalação de dois pára-raios (um no secundário do
trafo)Aparentemente a melhor proteção média é pro-vida pela instalação do PR adicional no meio do tre-cho. A melhoria da resistência de aterramento do PR adicional (RI ) só reduz a sobretensão (e, ainda, mode-radamente) se o PR adicional está em P1, poste adja-cente ao transformador.
50. Instalação de 3 pára-raios (um no secundário do
trans-formador e outros dois no meio e no final da rede)O consumidor junto ao transformador (Po) não é afeta-do. Consegue-se controle razoável do perfil da tensão ao longo da rede. O efeito do aterramento dos PR’s adicionais pode ser importante.
Efeito do acoplamento das redes de média e baixa ten-são (rede real: neutro aterrado)
(a) Carga concentrada (única: 1 consumidor, L=30m )
51. Quando a sobretensão se dirige para o transformador e a(s) carga(s) estão antes dele, há significativo au-mento do perfil da sobretensão ao longo da rede (da ordem de 1:2 ).
52. Quando a sobretensão se dirige para o transformador e a(s) carga(s) estão além (após) dele, há significativa redução do perfil da sobretensão ao longo da rede (da ordem de 2:1 ).
53. O efeito de acoplamento não altera a qualidade das conclusões desenvolvidas anteriormente e, praticamen-te assegura níveis de sobrepraticamen-tensão inferiores ou, no máximo, iguais àqueles observados na hipótese de au-sência de acoplamento.
(b) Cargas distribuídas ( L=150m com 5 postes)
54. Os níveis das tensões são bastante reduzidos em rela-ção à situarela-ção anterior (carga concentrada )
55. Em relação ao perfil da sobretensão no caso da trans-ferência pelo transformador sem acoplamento, aparen-temente há uma tendência a uniformizar a amplitude do nível da sobretensão ao longo dos consumidores da rede(aumento relativo em Po, consumidor ligado no transformador, ou redução relativa dos demais con-sumidores). Há exceção apenas no caso da condição crítica de solicitação (último consumidor, C5, do mes-mo lado da corrente incidente, onde VC =~3VC0).
Inclusão das disrupções
56. Representatividade do circuito empregado: 56.1 Rede urbana: extremamente conservador (severo). Fal-tam circuitos secundários dos dois lados (simétricos) em relação ao ponto de injeção de corrente e falta cir-cuito secundário contínuo (ou neutro). A considera-ção dos dois aspectos certamente reduziria sensivel-mente tanto o nível das sobretensões quanto a exten-são de sua abrangência. 56.2 Rede rural: os resulta-dos para Co (consumidor junto ao transformador) po-deriam ser considerados representativos para ondas vin-das do lado oposto à carga.
57. O cômputo da ocorrência de disrupções entre média e baixa tensão promove a redução generalizada das sobretensões nos consumidores.
58. As sobretensões ao longo da rede (que na ausência de disrupção são tanto maiores quanto maior a resistên-cia de aterramento dos consumidores) passam a ser tanto menores quanto menores forem tais resistências. 59. Extensão do efeito das sobretensões devido à incidên-cia direta, considerando disrupção: Redes rurais: ~150m (inferior a 3kV) ; (600m <2kV). Redes urbanas carre-gadas: ~ 60m (inferior a 5kV ). É ainda menor se o circuito secundário é simétrico e contínuo.
Tensão Induzida
60. Os parâmetros de corrente fundamentais que influenci-am na influenci-amplitude da tensão induzida na rede de distri-buição são o valor de pico da corrente (~ diretamente proporcional à amplitude) e o tempo de frente de onda de descarga (~ inversamente proporcional).
61. A avaliação de maior severidade com parâmetros lo-cais de descarga (Descargas subsequentes x Descarga única ou Primeira) sugere os níveis gerados de sobretensão sejam de mesma ordem. A definição de-pende de uma série de fatores associados à descarga específica em análise (amplitude, tempo de frente, ve-locidade de propagação da corrente de retorno no nal de descarga, altura do ponto de conexão dos ca-nais ascendente e descendente). Ao considerar valores medianos dos mesmos apontados na literatura inter-nacional, tende a haver um balanço, que aponta na di-reção de amplitudes semelhantes para os dois eventos. 62. Os parâmetros da linha de maior influência são a altura (diretamente proporcional à amplitude), a configuração da rede (convencional ou multiplexada) e as conexões à terra. 63. Os níveis das tensão geradas em relação à terra são ele-vados: 80kV a 320kV (respectivamente fase casada ou aberta, corrente de descarga próxima, de valor 40kA) 63. A amplitude da sobretensão atinge valores mais
eleva-dos para a situação de fase aberta, em função das múl-tiplas reflexões de onda.
64. A blindagem proporcionada na fase pela presença do neutro é discreta (redução da sobretensão da ordem de 20% apenas para configuração convencional de rede)
65. A existência de pelo menos dois aterramentos é im-portante para redução da sobretensão (embora o sim-ples casamento de impedâncias resulte em sobretensões menores: efeito das reflexões nos aterramentos) 66. O valor da resistência do aterramento do neutro não é
importante para a tensão na carga.
67. O número de descidas também não influencia na am-plitude da sobretensão na carga, desde que existam pelo menos duas.
68. A ausência de PR no transformador pode submetê-lo a tensões muito elevadas, capazes de danificá-lo. 69. A presença do PR no transformador o protege, mas
pouco influencia a amplitude da sobretensão na carga do consumidor.
70. A presença da carga no consumidor é que efetivamen-te limita a sobreefetivamen-tensão na mesma. Esta é tanto menor quanto maior for a carga (menor valor de impedância). Os níveis de tensão entre fase e neutro ficam muito reduzidos para cargas maiores (Z<10Ω)
71. A presença de pára-raios no consumidor é que asse-gura a sua proteção, mesmo para iluminação direta.
Incidência direta no consumidor / ramal de entrada
72. O mecanismo de estabelecimento da sobretensão nes-te caso é muito semelhannes-te àquele de transferência do surto da média para a baixa tensão a partir da elevação de potencial no transformador. Entretanto, o percurso da corrente é inverso (do aterramento do consumidor para o aterramento do transformador).
73. Considerando os níveis de isolamento das instalações do consumidor, independentemente do mesmo estar pro-tegido por supressores, em caso de incidência, muito possivelmente haverá contato elétrico entre fases e neu-tro e terra locais, com fluxo de corrente em todos os condutores que podem servir de caminho para a mesma no seu percurso em direção ao aterramento do transfor-mador (ou dos consumidores próximos). Do ponto de vista da instalação do consumidor, a ocorrência asse-melha-se àquela na qual há injeção de corrente no aterramento do transformador e ocorre a operação dos pára-raios colocados no secundário deste. Neste caso, a corrente flui em direção ao transformador.
74. Quanto menor for a relação RT / RC maior será a soli-citação do secundário do transformador, devido ao as-sociado aumento do fluxo de corrente do aterramento do consumidor para aquele do transformador. 75. Qualitativamente os resultados são semelhantes aos
de-senvolvidos para o caso análogo, revertendo o sentido de fluxo do surto e considerando o transformador como uma carga usualmente de alto valor de impedância e de baixo valor de resistência de aterramento.
76. Caso não possua pára-raios no seu secundário, em de-corrência do fluxo de corrente nos seu enrolamento de baixa tensão, os enrolamentos do transformador podem ser submetidos a tensões elevadas capazes danificá-lo.
Aterramento
77. Verificou-se, em todos os casos, a importância do aterramento do transformador e da relação RT / RC na definição dos níveis de sobretensão resultantes. 78. Verificou-se, como aspecto de relevo, que o elemento
(in-clusive consumidor) que possui valor de resistência de aterramento muito inferior às demais é penalizado pelo mai-or fluxo de cmai-orrente em direção ao seu aterramento e conse-qüente maior valor de sobretensão resultante associado.
Para os quatro tipos de ocorrência tem-se:
Transferência de surto da média para baixa tensão
79. A resistência total vista pela corrente injetada deve ter o menor valor possível para redução da sobretensão. 80. A relação R
T / RC deve ser minimizada para reduzir o
fluxo de corrente para o aterramento do consumidor, o qual é responsável pela sobretensão ali resultante e pela elevação de potencial nesse aterramento, que pode comprometer a segurança do consumidor.
Tensão Induzida na baixa tensão
81. É importante a existência de conexão à terra, mas o valor da resistência de aterramento não influencia a amplitude da sobretensão
Incidência no consumidor
82. O comportamento é o inverso da transferência de sur-to da média para a baixa tensão a partir da elevação de potencial no transformador.
83. Quanto menor for a relação RT / RC , maior será a sobretensão transferida do aterramento do consumi-dor para o transformaconsumi-dor, que só estará protegido caso tenha pára-raios também no secundário.
Práticas de aterramento
84. Região urbana: Foi indicada uma configuração simples e de baixo custo para redução do aterramento do trans-formador (busca da melhor relação R
T / RC ) em
rela-ção ao atual critério adotado.
85. Região rural: Foram indicadas modificações nas atuais práticas para aprimoramento do aterramento rural
A diversidade de situações e configurações existentes num sistema de distribuição dificulta sobremaneira a pro-posição de recomendações objetivas, que possuam caráter generalizado de aplicação.
Nesta perspectiva, a maior parte das recomendações (no que concerne a procedimentos e práticas de proteção) deve partir da identificação da situação real de aplicação considerando a condições de referência de uma das con-clusões apresentadas no texto. De qualquer forma, dentre os resultados do projeto, foi identificado um conjunto de recomendações de caráter geral e de aplicação direta, apre-sentados, a seguir.
RECOMENDAÇÕES RECOMENDAÇÕES
1. Necessidade de Investigações adicionais:·para melhor definição das ondas de tensão e correntes representati-vas das solicitações reais, sobretudo para fins de ensaios;·para composição de modelos representativos das cargas para as condições da solicitação por surtos atmosféricos (não disponíveis na literatura).
2. Nas condições de Minas Gerais, para proteção do trans-formador, recomenda-se o uso do pára-raios no primá-rio e no secundáprimá-rio sempre, para redes rurais e urbanas. 3. Ampliar o emprego de redes multiplexadas.
4. No que se refere a solicitações por descargas atmosfé-ricas, o uso de menores comprimentos para a rede de baixa tensão é preferível (50 a 100 m). Recomenda-se a realização de estudos que considerem outros aspec-tos relevantes na definição de eventual adoção de com-primentos reduzidos desta rede, para se verificar a vi-abilidade desta definição.
Proteção
VI. CONCLUSÕES
Com base nos desenvolvimentos realizados, foi possí-vel estabelecer a influência dos diversos parâmetros consti-tuintes das redes de distribuição de energia elétrica na am-plitude das sobretensões resultantes no circuito de baixa ten-são e nas cargas conectadas.
Como resultado das conclusões referidas, puderam ser elaboradas diversas recomendações quanto às práticas e procedimentos de proteção. Algumas destas têm caráter genérico de aplicação e foram apresentadas separadamen-te. Contudo, existe enorme diversidade de situações e con-figurações na rede de distribuição, o que dificulta a apre-sentação de recomendações generalizadas. A partir da ca-racterização de situação de aplicação e sua identificação com condições contempladas anteriormente, é possível de-rivar recomendações específicas, considerando as corres-pondentes conclusões apresentadas.
Entretanto, a questão de maior relevo associada ao desenvolvimento deste projeto não se constitui nas inúme-ras conclusões e recomendações.
A experiência desenvolvida pela equipe do projeto é o seu resultado fundamental e de maior valor. Esta proporcio-nou a compreensão plena dos mecanismos de estabelecimento das sobretensões associadas a descargas atmosféricas nas redes de baixa tensão e no esclarecimento do papel de cada variável envolvida na definição da amplitude da solicitação. Resultou, ainda, no desenvolvimento da capacidade de defi-nir soluções e recomendações para proteção das redes.
Tais aspectos conferem à equipe potencialidade para desenvolver tecnologias inovadoras e não-convencionais para proteção de sistemas de distribuição.
Outro aspecto importante deste projeto é assegu-rar a continuidade dos desenvolvimentos e competênci-as competênci-associados às sucompetênci-as realizações. Este competênci-aspecto foi con-templado através da aprovação pela ANEEL de projeto P&D, elaborado pela equipe, cuja implantação está em curso. O projeto “Proteção das redes de distribuição
de média tensão contra as descargas atmosféricas: De-senvolvimento de modelos computacionais e validação por meio de rede experimental junto à Estação do Mor-ro do Cachimbo” tem duração de dois anos e
complementa as investigações do tema.
Por outro lado, a experiência vivenciada sugere a ado-ção pela empresa de uma nova abordagem para tratamento da questão da proteção de seu sistema de distribuição con-tra descargas atmosféricas. Esta se basearia na constitui-ção de um sistema de informaconstitui-ção sobre o sistema da em-presa, articulado com um conjunto de aplicativos computacionais dedicados, para análise de situações espe-cíficas de solicitação e para definição de práticas e proce-dimentos apropriados. Tal abordagem complementaria as definições das normas internas da empresa relativas a pro-jeto e a manutenção do sistema de distribuição, que foram desenvolvidas num contexto passado de menor disponibi-5. A proteção do consumidor é assegurada apenas com a
instalação dos pára-raios junto à carga.
6. Mesmo na existência de pára-raios junto ao medidor, pode haver níveis excessivos de sobretensão se a carga alimentada estiver a mais de 15m do medidor. Em caso de redes internas longas, a proteção requer a instalação de pára-raios junto à carga alimentada pela rede interna. 7. Para consumidores com cargas sensíveis, orientá-los que efetuem proteção específica, preferencialmente dentro da edificação.
8. Investir na redução da resistência de aterramento do transformador.
9. Recomendar aos consumidores que possuam baixo va-lor de resistência de aterramento (edificações amplas com SPDA ou ferragens das fundações conectadas ao terra etc.), que promovam a proteção de suas cargas. 10. Como a melhoria da resistência de aterramento do trans-formador ou dos primeiro consumidores (aqueles ali-mentados diretamente do transformador) contribuem para a redução generalizada da sobretensão na rede se-cundária, verificar a viabilidade econômica das práticas para:·Reduzir RT (área urbana: adotar nova configura-ção sugerida, área rural: adotar aprimoramento das con-figurações praticadas);· Reduzir a resistência de aterramento destes primeiros consumidores;·
Conectar o máximo de consumidores ao transformador (contribui para a redução da resistência naquele ponto). 11. Em princípio, a instalação de cargas na rede é evento fora do controle da empresa. Entretanto, tanto na pers-pectiva de proteção da nova carga a ser instalada quan-to das cargas ao final da rede, deve ser conferida prio-ridade à ligação da carga dos postes mais próximos do transformador (na hipótese de existir distâncias de apro-ximadamente mesma ordem para derivação)
12. A prática da empresa de não aterrar o conjunto de pára-raios adicional é consistente. Se for pretendida alguma melhoria de aterramento, que o investimento seja efe-tuado na melhoria da resistência de aterramento do transformador.
13. Em caso de necessidade de instalação de um conjunto de pára-raios (por reclamação do consumidor), instalá-lo o mais próximo possível do mesmo. Em não haven-do pára-raios no secundário haven-do transformahaven-dor alimentador, providenciar sua instalação.
14. Como não há indicativo de melhoria de desempenho com a variação do nível de proteção dos pára-raios, recomenda-se a continuidade de adoção da atual especificação.
15. Consumidor rural:·sugerir o emprego de condutores multiplexados entre o medidor (no poste) e as instala-ções alimentadas.·sugerir o uso do menor comprimen-to possível da sua rede interna (conexão do medidor às suas instalações);·investir na melhoria dos aterramentos adjacentes ao poste que sustenta o trans-formador que alimenta o consumidor;·assegurar valo-res reduzidos de RT para conferir condição de segu-rança ao consumidor.
16. Estimular os consumidores a práticas de aterramento que busquem equipotencialização, sobretudo na exis-tência de SPDA’s .
lidade de ferramentas de avaliação.
A possibilidade de adoção desta abordagem decorre das condições únicas (no cenário nacional) de que dispõe a em-presa. Estas são fundamentalmente constituídas pela disponi-bilidade de um sistema de detecção e localização de descar-gas (SLT’s) com base de dados consolidada por mais de 10 anos de registro, pelo nível muito elevado de organização e registro de suas normas e procedimentos (de projeto e manu-tenção) e pelo pessoal de muita competência técnica na área. Tais condições permitiriam a composição de uma base de da-dos sobre o sistema de distribuição da empresa, que contem-plasse o geo-referenciamento dos seus componentes e o re-gistro dos parâmetros de maior significância para sua prote-ção (como a resistência de aterramentos dos transformado-res, localização de equipamentos danificados com associação com descargas como causa, localização de consumidores re-clamantes de danos por descarga, dentre outros).
Por outro lado, a partir do conhecimento acumulado no tema, poderiam ser desenvolvidos aplicativos computacionais dedicados para auxílio à decisão quanto às questões de proteção para situações específicas de pro-jeto e manutenção.
Tais aplicativos incorporariam elementos para simu-lação de ocorrências, empregando modelos de rede ela-borados para as condições típicas do sistema da empresa, numa base de processamento amigável e implementada para gerar respostas objetivas a condições reais de apli-cação. Fazendo recurso à base de dados, tais aplicativos poderiam apresentar as definições específicas de prote-ção para os problemas de projeto e manutenprote-ção da rede de distribuição. Além da rapidez de resposta, um sistema desta natureza apresenta como vantagem a possibilidade de seu aprimoramento contínuo pela incorporação das experiências vivenciadas.
Evidentemente, a aplicação desta idéia não é trivial e requer realizações elaboradas, tempo considerável de desenvolvimento, investimentos financeiros e, sobretudo, vontade política de realizá-la. A sua sugestão é apresen-tada na perspectiva de avaliação pela empresa da viabili-dade de sua implementação.
VII. REFERÊNCIAS
[1] Visacro S.F., A.R. De Conti, Pereira C., Silveira F.H., “Relatório
Final do Projeto Proteção das Redes Elétricas de Baixa Tensão con-tra Descargas Atmosféricas - Projeto P&D - ANEEL”, Setembro de 2002
[2] De Conti, A. R., “Proteção de Redes Elétricas de Baixa Tensão
Contra Descargas Atmosféricas: Transferência de Surtos Através de Transformadores de Distribuição”, Dissertação de Mestrado, UFMG - Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, 2001.
[3] Silveira, F. H., “Aplicação de Um Novo Modelo para Cálculo de
Tensão Induzida por Descarga Atmosférica”, Dissertação de Mestrado, UFMG - Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, 2001.
[4] Visacro, S. F., Soares, A. J., Schroeder, M. A. O, “An Interactive
Computational Code for Simulation of Transient Behavior of Electric
System Components for Lightning Currents”, Proceedings of 25th
ICLP- International Conference on Lightning Protection, Cracóvia,
Polônia, Set., 2002.
[5] De Conti, A. R., Visacro, S. F., Pereira, C., Duarte, J.V.P., “A
Influ-ência das Descargas Atmosféricas na Qualidade da Energia Ofereci-da aos Consumidores” XVI SNPTEE- Seminário Nacional de
Pro-dução e Distribuição de Energia Elétrica, Campinas, Out., 2001.
[6] De Conti, A.R., Visacro, S.F., Pereira, C., Duarte, J.V.P., “Lightning
and consumer power quality”, SIPDA - International Symposium
on Lightning Protection, Santos, Brazil, Nov. 2001.
[7] De Conti, A.R., Visacro, S.F., “Consumer power quality: the effect
of multiplexed conductors on the reduction of lightning-related sur-ges”, SICEL - International Symposium on Power Quality, Bogo-tá, Colômbia, Nov. 2001.
[8] De Conti, A. R., Visacro, S. F., “Lightning Overvoltage in Low
Voltage Distribution Lines: Multiplexed Versus Conventional Configuration”, IEEE/PES Latin America, São Paulo, Mar., 2002
[9] .De Conti, A. R., Visacro, S. F., Pereira, C., Duarte, J.V.P., Silveira,
F. H., “Effects Of Transferred Lightning Surges on Consumer Loads for Typical Brazilian Low Voltage Networks”, 25th International
Conference on Ligthning Protection, Cracóvia, Polônia, Set., 2002.
[10] De Conti, A. R., Visacro, S. F., “Lightning Overvoltages on Low Voltage Networks: Analysis and Protection”, GROUND 2002 –
International Conference on Grounding and Earthing, Rio de
Ja-neiro, Nov., 2002.
[11] De Conti, A. R., Visacro S. F., Duarte, J.V.P., “Proteção de Redes Elétricas de Baixa Tensão Contra Descargas Atmosféricas: Parte I : Sobretensões Transferidas”, Anais do 1o CITENEL, Brasília, 2001. [12] De Conti, A. R., Visacro, S. F., Pereira, C., Duarte, J.V.P., “Quali-dade de Energia: Práticas de Proteção dos Consumidores”, Revista
Eletroevolução, (Artigo Premiado no IX ERLAC), no. 24, p.50-54,
Brasil, Setembro, 2001.
[13] De Conti, A. R., Visacro, S. F., Duarte, J.V.P., “Avaliação de Sobretensões Transferidas em Redes de Baixa Tensão Instaladas em Áreas Urbanas”, XV SENDI - Seminário Nacional de
Distri-buição de Energia Elétrica, Salvador, Nov., 2002.
[14] Silveira, F. H., Visacro, S. F., Schroeder, M. A. O, Soares, A. J., “Novo Modelo para Cálculo de Tensão Induzida em LT’s”, Anais
do IX ERLAC - Encontro Regional Latino Americano da Cigré,
Foz do Iguaçu, Brasil, Maio, 2001.
[15] Visacro, S. F., Silveira, F. H., Schroeder, M. A. O, Soares, A. J., “Avaliação da Importância Relativa de Tensão Induzida em Linhas de Alta Tensão”, XVI SNPTEE- Seminário Nacional de Produção
e Transmissão de Energia Elétrica, Campinas, Brasil, Out., 2001.
[16] Silveira, F. H., Visacro, S. F., Schroeder, M. A. O, Soares, A. J., “Evaluation of Lightning-Induced Overvoltages for High Voltage Transmission Lines”, VI SIPDA – International Symposium on
Lightning Protection, Santos, Brasil, Nov., 2001.
[17] Silveira, F. H., Visacro, S. F., Vale, M. H. M., “Modelos de Canal de Descarga: Inclusão do efeito corona e perdas no núcleo ionizado”, SICEL’2001 – International Symposium on Power Quality, Bogo-tá, Colômbia, Nov., 2001.
[18] Silveira, F. H., Visacro, S. F., “Lightning Induced Overvoltage: How return current model influences it”, Proceedings of IEEE/PES T&D
2002 Latin America, São Paulo, Brasil, Mar., 2001.
[19] Silveira, F. H., Mesquita, C. R., Visacro, S. F., “Evaluation of the Influence of Lightning Channel and Return Current Characteristics on Induced Overvoltages”, 26th International Conference on
Lightning Protection, Cracóvia, Polônia, Set., 2002.
[20] Silveira, F. H., Visacro, S. F., Schroeder, M. A. O, Soares, A. J., De Conti, A. R., Vale, M. H. M., “The Influence of Transmission Line Configuration on the Amplitude of Lightning Induced Overvoltages”, Proceedings of 26th International Conference on
Lightning Protection, Cracóvia, Polônia, Set,. 2002.
[21] Silveira, F. H., Visacro, S. F., “Lightning Induced Overvoltages: The Influence of Lightning and Line Parameters”, GROUND 2002
– International Conference on Grounding and Earthing, Rio de
Janeiro, Nov., 2002.
[22] Bassi, W., Piantini, A., “Voltages and currents on secondary lines caused by direct lightning hits on medium voltage lines,”
GROUND’2000 – 2nd International Conference on Grounding and Earthing, Belo Horizonte – Brazil, Jun. 2000.
Proteção
RESUMO
Este trabalho teve como meta o desenvolvimento de um equi-pamento eletrônico de pequenas dimensões e baixo custo que pudesse ser instalado na chegada de linhas telefônicas públi-cas ou privadas, com o objetivo de promover uma proteção contra transientes e surtos de grande intensidade, geralmente presentes quando da ocorrência de descargas atmosféricas ou elevação de potencial de malhas de terra causada por curtos circuitos em redes de distribuição, como se observa em subes-tações de energia elétrica. Utilizando a tecnologia de comuni-ca-ção por fibras ópticas, surtos de elevado nível de tensão são isolados da linha telefônica, preservando a integridade fí-sica de equipamentos e de pessoas.
PALAVRAS-CHAVE
Fibra Ótica, Isolação, Linha Telefônica, Proteção, Surtos
I. INTRODUÇÃO
Nos dias atuais, mesmo com o processo de automação de subestações há a necessidade de obtenção de dados de medição de faturamento e de oscilografia através de ca-nais alternativos de comunicação, utilizando-se as linhas telefônicas como meio físico.
A ocorrência de curtos-circuitos em alimentadores derivados dessas subestações e o consequente deslocamento do potencial da malha de terra, que pode atingir milhares de Volts, torna provável a queima de equipamentos conectados à linha telefônica que se encontra em outro referencial de terra. Outra causa da queima está relaciona-da com a incidência de descargas atmosféricas em regiões com elevado nível ceráunico.
II. OBJETIVO DESTE TRABALHO
A fim de garantir a integridade física de pessoas e equipamentos que façam uso de linha telefônica em áre-as sujeitáre-as a ocorrência de surtos de elevado potencial é necessário interpor um meio de isolação entre a linha telefônica e o usuário. Este meio de isolação entretanto
deve ser transparente ao usuário da linha, de modo que não seja necessário nenhuma modificação na forma de utilização dos equipamentos conectados a linha. Deste modo o custo para acrescentar esta proteção a eventu-ais surtos estará reduzido ao custo do equipamento iso-lador e à sua instalação.
Além de prover segurança e proteção a pessoas e equi-pamentos, outros benefícios são decorrentes do uso deste equipamento:
1.Redução de custos operacionais e patrimoniais com a maior disponibilidades das linhas telefônicas e o aumen-to da segurança do ambiente de chegada da referida li-nha para pessoas, animais, etc.
2.Reduzir o número de falhas ou avarias nos equipamen-tos conectados na linha telefônica.
3.Reduzir o nível de ruído nas comunicações pela drástica redução das correntes de modo comum circulantes pe-los condutores da linha telefônica (zumbidos, etc.). 4.Obter, em função do benefício do ítem 3, melhoria na
velocidade de comunicação de dados e na estabilidade da conexão ou inteligibilidade das conversações.
Outra questão a se considerar é a nacionalização de equipamento com esta função, pois não é conheci-do no mercaconheci-do nacional produto similar ao proposto, o que deverá contribuir para viabilizar a telemedição em subestações através das linhas telefônicas a um custo menor, mas com desempenho compatível com simila-res importados.
III. BENEFICIÁRIOS DESTE PROJETO
Motivado em princípio pela busca de uma solução para os frequentes prejuízos verificados em subestações em de-corrência de surtos nas linhas telefônicas, este projeto têm sua utilidade estendida a usuários com perfil diverso do das concessionárias de energia. Em vista da popularização da informática e redes como a Internet, até mesmo o usu-ário doméstico pode ter neste equipamento um eficaz meio de proteção pessoal e para seu equipamento. Entre alguns beneficiário, podemos citar:
1.O setor industrial em função da complexidade das insta-lações e elevado nível de ruído elétrico (RFI), além do aspecto de segurança quanto ao processo industrial, que requer grande número de ramais de comunicação.
Protetor de Linha Telefônica com Fibra Ótica
C.Silva e L.Marques, Enautec e C.Guaracy, Coelba
Agradecemos à parceria ANEEL/COELBA pelo apoio a este trabalho. C. Silva e L.Marques trabalham na Enautec Sistemas Eletrônicos (e-mail: cesar.augusto@enautec.com.br, luiz.marques@enautec.com.br) C.Guaracy trabalha na Companhia de Eletricidade da Bahia - COELBA (e-mail: cguaracy@coelba.com.br)
2.Residências, hospitais, escritórios e outros locais onde a interação do homem com a linha telefônica se dá em di-versos níveis, especialmente com a popularização da in-ternet e sistemas de PABX.
3.Concessionárias de serviços telefônicos, beneficiadas com a elevação do índice médio de disponibilidade das linhas telefônicos.
4.Sistemas de segurança patrimonial e operadores de ser-viços com atendimento 24hs.
IV. DESENVOLVIMENTO
Na Figura 1 está representado na forma de diagrama de blocos o protótipo desenvolvido. Podemos distinguir 4 etapas principais, que são:
1. Proteção Primária 2. Híbrida Lado Externo 3. Barreira de Isolação 4. Híbrida Lado Protegido
Pelo fato da fibra ótica ser um meio de transmissão unidirecional, torna-se necessário o uso de circuitos deno-minados "Híbridas" que convertam o sinal elétrico da linha telefônica, a qual é a 2 fios e bidirecional, para uma linha a 4 fios unidirecional. Deste modo teremos a separação entre os sinais recebidos e transmitidos viabilizando o uso das fi-bra óticas como meio de transmissão, sendo uma fifi-bra para cada direção de transmissão. As etapas que constituem o protótipo são brevemente apresentadas a seguir. Mais deta-lhes serão dados em tópicos posteriores.
1. Proteção Primária
A proteção primária consiste em uma rede de disposi-tivos de proteção destinados a absorver e dissipar os sur-tos de tensão. Sursur-tos de modo comum são desviados para o aterramento. Esta etapa além de aumentar a eficiencia do equipamento como protetor, determina a sua durabilidade, pois é responsável por proteger os circuitos eletrônicos da Híbrida Lado Externo. O projeto desta etapa do equipa-mento deve levar em consideração os tipos de surtos e in-tensidades que se deseja bloquear a fim de que o sistema opere com segurança.
2. Híbrida Lado Externo
A Híbrida Lado Externo separa os canais de trans-missão e recepção de áudio. Em outras palavras, transfor-ma a linha telefônica a 2 fios em utransfor-ma linha a 4 fios, onde 2 são para transmissão de áudio e 2 fios são para recepção de áudio. Esta separação é necessária em vista da utiliza-ção de fibras óticas na etapa de Isolautiliza-ção, pois a transmis-são de sinais na fibra é unidirecional.
3. Barreira de Isolação
Esta etapa é responsável por isolar eletricamente o
equi-pamento protegido da linha telefônica. No protótipo foram uti-lizados 2 pares de fibras ópticas com comprimento de 16 cm, através das quais se dá toda a sinalização telefônica e transmis-são/recepção de áudio entre as duas placas de comunicação que constituem o equipamento (placa Lado Externo e placa Lado Protegido). A eficiência da proteção é decorrente da característica isolação da fibra óptica, pois a troca de sinais en-tre as placas de comunicação se dá através de luz.
4. Híbrida Lado Protegido
A Híbrida Lado Protegido faz as operações inversas à da Híbrida Lado Externo. Ela torna o canal novamente em uma linha a dois fios onde o sinal transmitido e o recebido percorrem o mesmo par de fios. Deste modo reconstitue o sinal tal qual ele era na linha telefônica externa.
A eficiência das híbridas na separação e reconstituição dos sinais transmitidos e recebidos é fundamental para que o equipamento como todo não deteriore significamente a capacidade de transmissão de dados da linha. Isso que di-zer que quanto melhor for o desempenho das híbridas que constituem o protótipo, menor será a diferença entre as taxas de transmissão conseguidas sem o isolador inserido na linha em relação à mesma linha com o isolador intercaladado. Procuramos utilizar estruturas de híbridas que tivessem o melhor desempenho possível a fim de tor-nar o isolador transparente ao equipamento protegido.
V. SURTOS ELÉTRICOS
Em linhas telefônicas os surtos de tensão podem ocor-rer de dois modos principais. No primeiro caso temos o "sur-to em modo diferencial". Nesta situação o que ocorre é que um dos fios de cobre que constitue o par telefônico sofre uma elevação de potencial de modo que a diferença de potencial entre os dois fios vai além dos 48VDC que são o padrão da linha. Neste caso o risco maior é para o equipamento conec-tado a linha, em vista dos circuitos do mesmo não terem sido projetados para operar em níveis além dos 48VDC. Geral-mente os equipamentos telefônicos possuem uma proteção rudimentar feita com VDRs (Voltage Dependent Resistors) os quais em vista de suas propriedades de resistência negati-va, absorve o surto a medida que a diferença de potencial entre as linha vai além de determinado limite.
Entretanto os surtos mais perigosos, com potencial de dano tanto para equipamento quanto para pessoas que se utilizem de linha telefônica são aqueles chamados "surtos em modo comum" (ver Figura 2). Esta afirmação é reforça-da em vista do levantamento que realizamos sobre as causas de danos em equipamentos utilizados pela Coelba para exe-cutarem a função de proteção contra surtos em linha telefô-nicas. Este equipamentos foram projetados para resistirem a surtos de modo diferencial. Quando submetidos a surtos de modo comum, em vista da ausência de dispositivos de pro-teção para esta modalidade de ocorrência, os equipamentos são danificados e se tornam totalmente inoperantes. No caso de surtos em modo comum os dois fios que constituem o par
Proteção
telefônico são simultâneamente elevados para potenciais que podem ser da ordem de milhares de Volts. A descarga ocor-re do par telefônico para algum ponto de terra e a corocor-rente de pico pode atingir dezenas de Ampéres. Para este caso é necessário que o sistema de proteção, além de evitar a che-gada do surto no extremo da linha onde estão conectados os equipamentos telefônicos, também desvie este surto para um ponto de aterramento dedicado a este fim, evitando que a descarga de alta tensão se dê em pontos em que represente perigo a equipamentos e pessoas.
O sistema de proteção deve efetuar tanto as funções de bloqueio do surto, através do uso de um meio de comu-nicação isolante, quanto realizar o desvio do surto para o aterramento, possibilitando a dissipação de sua energia. Além de efetuar a função de proteger o usuário (pessoas e equipamentos) da linha telefônica, o sistema deve também dispor de recursos para sua própria proteção, de modo a aumentar sua durabilidade e diminuir custos de manuten-ção e com interrupmanuten-ção de serviço da linha.
VI. RESULTADOS
Na figura 2 temos uma visão geral do protótipo construído. Este protótipo é constituído de dois módulos principais denominados respectivamente Lado Externo, o qual é conectado à linha telefônica externa, e um segundo módulo denominado Lado Protegido, ao qual é conectado o equipamento telefônico a ser protegido. A comunica-ção entre os dois módulos se dá através de 2 pares de fi-bras ópticas (figura 3). Em um par trafega toda a sinaliza-ção telefônica como o sinal de "RING" que trafega da placa Lado Externo para a placa Lado Protegido quando é feita uma chamada para esta linha, e o sinal de "PEDIDO DE LINHA", que trafega da placa Lado Protegido para a placa Lado Externo quando se deseja fazer uma ligação através da linha telefônica. No outro par de acopladores ópticos trafega o sinal analógico de voz ou dados.
T e rra
L in h a T elef ô n ic a
FIGURA 1- surto de modo comum. Surtos na linha telefônica podem caminhar para o solo através do usuário ou equipamento.
FIGURA 3 - fibras ótica acoplando as placas l
A placa Lado Protegido, a qual é alimentada através de uma fonte chaveada universal de 24V possui os circui-tos necessários para regenerar o sinal de RING quando uma chamada é detectada na placa Lado Externo. Possui ainda 4 indicadores luminosos os quais permitem verificar o correto funcionamento do Isolador. Cada um deste indi-cadores, quando acesos, informam os seguintes estados de operação do equipamento:
1. LIGADO (Led Vermelho 1)
Indica que o equipamento está conectado à fonte de alimentação.
2. CHAMADA (Led Amarelo)
Quando uma chamada é efetuada para a linha tele-fônica, a central telefônica envia um sinal denominado "Ring" através desta linha. Este sinal ao ser detectado pela placa Lado Externo é transmitido para a placa Lado Protegido através da fibra denominada RING (ver figura 3) , e a re-cepção deste sinal é informado pela placa Lado Protegido pelo acendi-mento do led CHAMADA (led amarelo). Simultâneamente o regenerador de ring da placa Lado Pro-tegido é acionado e o sinal por ele gerado é aplicado ao equipamento protegido, o que irá ativar a campanhia do te-lefone (ou outro equipamento conectado ao Isolador Óptico).
3. LINHA (Led Verde)
Este led, quando aceso, informa que o equipamento protegido solicita tomada de linha para discagem ou aten-dimento. Este é o caso quando por exemplo retiramos o telefone do gancho para efetuar uma ligação ou atender uma chamada. Nesta situação a placa Lado Protegido en-viará um pedido de linha para a placa Lado Externo atra-vés da fibra óptica denominada LINHA (ver Figura 3).
4. CONECTADO (Led Vermelho 2)
Após o pedido de linha ser efetuado (ocorrendo o acen-dimento do led LINHA), esta informação trafegará pela fibra óptica denominada LINHA (ver figura 3) e informará a placa Lado Externo que efetue a conexão. Após a conexão ter-se
FIGURA 2 - Protótipo do isolador fechado (foto 1) e com a tampa aberta (foto 2).
completado, a placa Lado Externo retornará uma res-posta à placa Lado Protegido confirmando a tomada da li-nha exter-na. A placa Lado Protegido irá então acender o led CONECTADO. Isto significa que o equipamento protegido estará opticamente conectado à linha telefônica externa. O led CONECTADO (led vermelho 2) acenderá confirmando esta condição. Este processo é praticamente instantâneo, de modo que a transparência ao usuário estará garantida.
É possível mostrar na tela de um osciloscópio uma compa-ração entre o sinal de áudio gerado pelo equipamen-to protegido (no caso, o sinal DTMF gerado pressionando-se uma tecla de um telefone) e o sinal que é transmitido à linha telefônica pela placa Lado Externo. Observamos que são idênticos. O mesmo ocorreria se comparassemos o sinal aplicado na placa Lado Externo e transmitido ao equipa-mento protegido pela placa Lado Protegido. Isso mostra que do ponto de vista de comunicação de sinais o Isolador é transparente tanto à linha telefônica quanto ao equipamento protegido. O protótipo está capacitado a operar tanto em linhas com discagem por pulso quanto em linhas com disca-gem por tom (que usam sinais DTMF).
Na entrada de linha externa do Isolador está presente um centelhador (para-raios) cuja função é desviar para a malha de aterramento os surtos de maior intensidade, per-mitindo assim que o mesmo se dissipe.
VII. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Mello, Luiz Fernando Pereira de Projeto de Fontes Chaveadas, 2ª
Edição, São Paulo, Érica, 1988.
[2] Simone, Gilio Aluisio Transformadores, 8ª Edição, São Paulo Érica,
2001.
[3] Erst, Stephen J. Electronic Equations Handbook, 1ª Edição, São
Paulo McGraw-Hill, 1989.
[4] Ott, Henry W Noise Reductin Techniques in Electronic Systems,
2nd ed, Wiley Interscience,1988.
[5] Montrose, Mark IEMC and the Printed Circuit Board: Design,
Theory and Layout made simple, Wiley Interscience, 1999.
[6] Williams, Tim EMC for Products Designer, 2nd ed, Newnes,
1996
[7] Circuit Cellar Magazine Are You Grounded? - George Novacek,
