1
Introdução
Os para-raios
ditos inteligentes ou multi-câmaras, diferentemente dos para-raios
convencionais apresentam uma tecnologia que promete um equipamento com maior
eficiência, revolucionando assim as redes de distribuição de energia elétrica. Trata-se
de um dispositivo de alto rendimento e alta durabilidade, o que certamente
beneficiará os índices de DEC (Duração Equivalente de Interrupção por Unidade
Consumidora) e FEC (Frequência Equivalente de Interrupção por Unidade
Consumidora) de concessionárias de energia, colocando em prática a
sustentabilidade do sistema, que é um fator primordial nos dias de hoje.
Sabe-se também
que em redes de distribuição, as descargas atmosféricas, sejam elas descargas
diretas ou induzidas, são as principais causas de interrupções no fornecimento
de energia elétrica. Essa constatação tem impulsionado diversas pesquisas no
sentido de buscar soluções cada vez mais eficientes, para diminuir os efeitos
dessas descargas.
Dessa forma, uma
avaliação precisa do comportamento das redes de distribuição frente às
descargas atmosféricas e da proteção associada a essas redes, torna-se algo
importante para pesquisadores e técnicos que buscam melhorar a proteção dos
sistemas de distribuição.
Proporcionando
a diminuição dos custos na execução de projetos de rede, a identificação de
sistemas vulneráveis e seus impactos efetivos, tendo em vista, os prejuízos
socioeconômicos que podem ocorrer em função dos desligamentos de linhas e a
falta de energia elétrica.
Dentro desse
contexto, assume especial importância a análise de desempenho de diferentes
tipos de para-raios, que podem ser empregados em redes de distribuição, com
vistas a atenuar e até mitigar os eventos que afetam diferentes equipamentos
elétricos conectados a uma rede de distribuição, provocando quedas de energia e
consequentemente perdas para os diferentes setores da economia.
Especificamente
neste trabalho são modelados e apresentados os resultados do desempenho de uma
inovadora tecnologia aplicada aos dispositivos de para-raios, os para-raios
inteligentes ou os Smart Arresters [1,2], utilizados para a proteção de redes de distribuição.
Esse novo equipamento faz com que boa parte da energia de uma descarga elétrica
seja dissipada no ar, sem a necessidade de utilizar aterramento exclusivo. A
análise de desempenho foi realizada em uma rede piloto de distribuição de 13,8
kV da CELESC- Centrais Elétricas de Santa Catarina, concessionária do sul do
Brasil, que vem sofrendo com uma alta incidência de descargas atmosféricas.
Para tanto, foi modelado parte do ramal desta rede no ATP (Alternative
Transient Program) [3],
para avaliação dos níveis de sobretensão a que equipamentos, como
transformadores, estariam sujeitos devido a descargas na rede. Os parâmetros
utilizados para a modelagem do ramal seguiram informações fornecidas pela
concessionária e pelo fabricante dos para-raios inteligentes, o qual
disponibilizou dois modelos comerciais para utilização por parte da
concessionária.
2
O Para-Raios
inteligente ou Multi-Câmaras
No sentido de
reduzir o número elevado de desligamentos, que frequentemente causam diversos
problemas em redes de distribuição, um novo modelo de para-raios tem sido
estudado, quanto a sua real aplicação, o Smart Arrester (Sai20z) ou com
o é chamado, o para-raios inteligente ou multi-câmaras (MCA) [1,2]. Esse dispositivo é composto de
muitos eletrodos, separados por lacunas ou orifícios montados em um perfil no
formato de uma foice, e que podem ser conectados juntos aos isoladores de
estruturas da rede de distribuição. Nesse perfil, os vários orifícios compõem
pequenas câmaras que promovem a disrupção ou a descarga da sobretensão do
interior dessas câmaras para o ambiente externo (ar), ao invés dessa disrupção
ocorrer nos isoladores. Portanto, essa tecnologia não utiliza resistores como
parte de sua estrutura e sim um invólucro feito de silicone, eletrodos e canais
de extinção do arco elétrico, conforme é mostrado na figura 1.
Figura 1: Modelo de um para-raios multi-câmaras, SAi20z [2].
Observa-se
também na Fig.1 que o modelo SAi20z não necessita de um sistema de aterramento,
o que simplifica e diminui os custos com sua instalação. Isso ocorre porque tal
tecnologia é a única capaz de fazer com que boa parte da energia de um arco
elétrico seja extinta no ar, sem a necessidade de utilizar o aterramento como
fuga. O modelo apresentado na Fig. 1 é aplicável para suprimir descargas
induzidas em linhas de distribuição de classe até 24 kV e possui algumas
características que os para-raios convencionais não possuem como, por exemplo,
realizar a extinção da descarga atmosférica em até 8 ms e também descarregar
até 18 impulsos de 16 kA durante 200 μs [4].
Assim, o processo
de atuação do para-raios multi-câmaras se dá por centelhamento, pois somente a
diferença entre o potencial do condutor de fase, esse com a energia da
descarga, e o potencial do pino do isolador, esse próximo de um valor nulo, é
necessária para dar condições ao processo de disrupção dielétrica do ar. Esse
processo de extinção da descarga é ilustrado na Fig. 2.
O fato de não
utilizar um aterramento específico e sim a própria condutividade da cruzeta e
também do poste, trazem algumas vantagens. Quando ocorre uma descarga
atmosférica seja ela direta ou induzida, um arco será gerado entre o terminal
do eletrodo e o cabo de rede, este arco será estendido através dos eletrodos
colocados em série e dissipa através dos canais de extinção.
Figura
2:
Representação da extensão
e extinção do arco elétrico [5].
Na mesma Fig.
2 pode-se observar que após a ionização do ar entre os eletrodos, uma descarga
é direcionada através dos canais de descarga existentes entre cada par de
eletrodos. Estas chamas se devem a própria energia do arco elétrico sendo
dissipada.
A Fig. 3
mostra a atuação do modelo SAi20z em ensaio realizado no Laboratório de Alta
Tensão LAT/FURB (Fundação Universidade Regional de Blumenau) e demonstra como a
descarga é parcialmente dissipada no ar, atenuando o surto de sobretensão para
proteger o sistema de distribuição.
Figura
3:
Atuação do modelo SAi20z no
ensaio em laboratório.
Outro modelo
de para-raios inteligente (SAd20z) utilizado neste estudo e aplicado para
descargas diretas na rede é apresentado na Fig.4 . Observa-se que o equipamento
possui o mesmo invólucro de silicone e canais de extinção do modelo anterior,
mas este não possui o gap característico entre o cabo de rede e o terminal do
eletrodo, a descarga é conduzida através de um cabo secundário conectado à rede
e ao próprio dispositivo.
Figura 4: Modelo SAd20z instalado no pino de fixação do
isolador [5].
Na Tabela I
são apresentados alguns dos resultados realizados em laboratório, no que diz
respeito à comparação com o para-raios poliméricos comumente utilizados em
redes de distribuição e para-raios inteligentes (modelo SAi20z).
|
Descrição
|
SAi2Oz
|
Polimérico
|
SAi2Oz + Polimérico
|
|
Tensão Aplicada
(kV)
|
125
|
125
|
125
|
|
Tensão de Corte
(kV)
|
106,45
|
47,9
|
45,91
|
|
Corrente de Corte
(A)
|
147,21
|
67,13
|
64,91
|
TABELA
I – Comparativo entre para-raios
polimérico e o modelo SAi20z.
Como pode ser
observado o para-raios polimérico possui uma atuação mais rápida no momento da
descarga atmosférica, devido a conexão direta com a rede através de resistores
não lineares com uma tensão de corte em 47,9 kV contra 106,45 kV obtido no
modelo SAi20z. Observa-se também que os valores obtidos nesses ensaios foram
realizados considerando apenas descargas diretas na rede e o modelo do
para-raios inteligente testado é aplicado preferencialmente para descargas
induzidas, portanto neste caso a sua resposta de atuação é mais lenta.
3
Método
de análise para a instalação de para-raios inteligentes
Neste tópico
apresenta-se um método de avaliação para instalação de para-raios multi-câmaras
em linhas aéreas.
Um estudo
analítico deve ser realizado para casos específicos de redes de distribuição de
energia, considerando os diferentes parâmetros e configurações de rede. Dessa
forma pode-se dividir uma linha aérea de distribuição em seções que apresentam
as mesmas características gerais. Dentre essas características, consideram-se
os seguintes aspectos:
1. Densidade de raios por km²/ano;
2. Resistividade do Solo (Ωm);
3. Presença de elementos de blindagem;
4. Presença de cabo de blindagem;
5. Sobretensão Crítica de Descarga na
linha;
6. Altura dos postes ao longo da linha;
7. Localização da seção.
Neste trabalho
um trecho de um ramal de distribuição de energia da CELESC da regional de
Blumenau/SC foi utilizado para avaliação do desempenho de para-raios
inteligentes. O mesmo é alimentado em uma tensão de 13,8 kV, com uma extensão
aproximada de 4 km, instalado em relevo bastante acidentado (Morro do Cachorro
– 857 metros) e contendo 15 estruturas de postes. O ramal possui uma extensão
total de aproximadamente 12 km e tem como consumidores, unidades de transmissão
de sinal de televisão e telefonia celular, como também transmissores de rádio
utilizados pela própria concessionária para comunicação e transferência de
dados. Tal local foi selecionado pela alta incidência de descargas atmosféricas
e também por ter uma condição de acesso limitada, o que sempre dificultou o
acesso às equipes de operação e manutenção.
Seguindo uma
prévia inspeção e análise desse ramal realizada por técnicos e engenheiros da
CELESC o seguinte planejamento de instalação dos para-raios inteligentes foi
proposto e implementado na simulação realizada no programa de análise de
transitórios ATP:
1. Instalação de uma unidade do
para-raios (modelo SAi20z) para descargas induzidas nas estruturas 1 a 9 e na
estrutura 12, intercalando as fases por estruturas;
2. Instalação de três unidades, uma para
cada fase, do para-raios (modelo Sad20z) para descargas diretas nas estruturas
10 a 15;
3. E, por último, a utilização combinada
com três para-raios poliméricos, em conjunto, na estrutura 15, devido a
existência de um equipamento transformador.
4
Modelagem
e simulações no ATP
Para a
avaliação do desempenho de para-raios inteligentes em redes de distribuição de
energia elétrica, o ramal de distribuição piloto utilizado neste estudo foi
modelado no ATP [3] e
serviu de base para simulações e análises dos níveis de sobretensões no
transformador no final da rede, considerando somente descargas diretas na rede.
Na figura 5, parte da modelagem desse ramal é apresentada.
Na
representação do circuito desde o alimentador na Subestação Blumenau II, o
ramal foi modelado conforme parâmetros e informações técnicas fornecidas pela concessionária
de energia. A Fig. 6 mostra o circuito equivalente do alimentador da subestação
(13,8 kV) até o ponto inicial desse ramal.
Figura 5: Apresentação parcial do ramal modelado em ATP.
Figura
6:
Circuito representa a impedância
equivalente entre a subestação alimentadora e o ponto inicial do ramal onde
foram aplicados os para-raios inteligentes.
Para as
estruturas de postes existentes, foram distribuídas quinze unidades de blocos
LCC – Line/Cable (Bloco para modelagem de linhas de transmissão ou distribuição
no ATP) considerando os parâmetros como os tipos de cabos utilizados, cabo de
cobertura, distâncias entre as estruturas e altura das estruturas. Ao final do
ramal, um transformador responsável por alimentar antenas de telefonias e televisão
foi modelado como uma carga considerando sua potência nominal.
Assim como a
modelagem do ramal, foram parametrizados modelos de para-raios inteligentes
cujos dados foram fornecidos pelo fabricante de para-raios multi-câmaras [5], assim como os para-raios poliméricos
comumente utilizados em redes de classe de tensão 13,8 kV, cujos dados também
foram disponibilizados por fabricantes e introduzidos na modelagem. A
distribuição dos para-raios seguiu o planejamento proposto na seção anterior e
a figura 7 mostra o final da rede com a inclusão dos para-raios, bem como a
representação do transformador.
Para avaliação
dos níveis de sobretensões no transformador, foi aplicada um impulso
atmosférico, sendo esse modelado como uma fonte de corrente com amplitude de 10
kA, aplicado diretamente na fase C entre as estruturas 13 e 14, como mostrado
na figura 7.
Três
configurações foram simuladas e avaliadas, conforme sequência a seguir:
1. Sem a utilização de para-raios entre a
descarga e o transformador;
2. Utilização de para-raios inteligentes
em todo o ramal e inclusive na estrutura do transformador;
3. Utilização de para-raios inteligentes
em todo o ramal, mas na estrutura do transformador o uso combinado dos
para-raios inteligentes e poliméricos.
Figura
7:
Impulso atmosférico
ocorrendo entre as estruturas 13 e 14.
A figura 8
apresenta o comportamento da tensão no final do ramal, sem a utilização de
para-raios. Sendo assim, a sobretensão produzida descarga atmosférica irá atuar
diretamente no equipamento. Conforme se pode verificar, a fase C foi a que
sofreu o maior surto de tensão, chegando a uma sobretensão próxima a 2,25 MV em
3,83µs.
Figura 8: Níveis de sobretensão na última estrutura, sem a
utilização de para-raios entre a descarga atmosférica que ocorreu após a estrutura
13.
A figura 9
mostra os níveis de sobretensão com a utilização exclusiva de para-raios
inteligentes, de ambos os modelos, deixando então todo o ramal sem a utilização
de para-raios convencionais. Pode-se verificar que na utilização exclusiva de
para-raios inteligentes, a limitação de sobretensão no equipamento ocorre nos
níveis de 130 kV num tempo de 1,91µs.
Figura 9: Níveis de sobretensão na última estrutura com a
utilização exclusiva de para-raios inteligentes em todo o ramal.
Na figura 10
são apresentados os níveis de sobretensão, agora considerando a utilização
combinada dos para-raios inteligentes e poliméricos na última estrutura do
ramal. O resultado nessa situação mostra que o para-raios convencional tem sua
atuação de corte de sobretensão agindo de forma superior ao modelo do
para-raios inteligente.
Figura 10: Níveis de sobretensão na última estrutura, utilizando
para-raios inteligentes em todo ramal e considerando a utilização de para-raios
inteligentes e poliméricos na última estrutura.
Na Tabela II é
apresentado o resumo dos resultados obtidos nas simulações.
|
Situações
|
Tensão
|
Tempo
|
|
1º Caso
|
2,25 MV
|
3,83 µs
|
|
2º Caso
|
130 kV
|
1,91 µs
|
|
3º Caso
|
110 kV
|
1,90 µs
|
TABELA II –
Níveis de sobretensão e tempos de respostas nas simulações.
5
Conclusões
Os resultados
da análise de desempenho dos para-raios inteligentes demonstram o correto
funcionamento desses dispositivos, conforme apresentados por fabricantes e os
resultados alcançados nos ensaios realizados, tendo como comparação, a atuação
do corte da sobretensão aplicada ao equipamento transformador no fim do ramal.
Na utilização
de para-raios inteligentes, em sua aplicação exclusiva, os resultados demonstram
que a sua atuação ocorreu num tempo mais lento em comparação ao para-raios
convencionais. Isso ocorre porque o resultado da atuação do corte da
sobretensão em para-raios convencionais, ocorre em um intervalo de tempo menor
que nos para-raios inteligentes, confirmando assim os ensaios realizados no
LAT.
Como os
resultados iniciais apresentados demonstram que a utilização de para-raios
inteligentes em redes de distribuição de energia elétrica é aceitável, mas tendo
diferenças tampouco impactantes em comparação aos modelos convencionais.
Assim,
observou-se que seguindo a utilização combinada, os para-raios poliméricos irão
atuar primeiramente em relação aos inteligentes, deixando neste primeiro
momento a tecnologia inteligente como retaguarda. Ressaltando que a utilização
combinada ocorre somente na última estrutura, onde se possui um equipamento
transformador e considerando, que grande parte da energia e sobretensão gerada
pela descarga elétrica, tenham sido dissipadas nas estruturas anteriores por
para-raios inteligentes. É importante destacar que os para-raios inteligentes
apresentam uma vida útil superior, quando comparados com os convencionais,
tornando-os assim e quando utilizados de forma combinada, uma proteção
principal com o decorrer do tempo e de atuações de descargas, e não mais de
retaguarda.
Como atividade
complementar dessa pesquisa, um estudo de viabilidade econômica está sendo
preparado para a implantação dos para-raios inteligentes em outras redes de
distribuição da CELESC. Uma vez que os resultados práticos obtidos até o
momento e que ainda deverão ser publicados, tem demonstrado a eficiência
técnica desses dispositivos no sentido de melhoria dos indicadores de DEC e FEC.
Isso
certamente tornará as redes de distribuição das concessionárias, mais seguras
em termos da continuidade e qualidade de fornecimento, seja para os setores de atividades
produtivas e comerciais, como também as necessidades de conforto e confiabilidade
impostas por nossa sociedade.
6
REFERÊNCIAS
[1] G. V. Podporkin, A. D. Sivaev, "Lightning Protection of Overhead
Distribution Lines by Long Flashover Arresters", IEEE Transactions on
Power Delivery, Vol. 13, 1998, No. 3, July, pp. 814-823;
[2]
G. V. Podporkin, E. Yu. Enkin, E. S. Kalakutsky, V.E. Pilshikov, A. D. Sivaev,
Overhead Lines Lightning Protection by Multi-chamber Arresters and Insulator-arresters",
IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 26, No. 1, January 2011, pp.214-221;
[3]
ATP - Alternative Transient Program, Leuven EMTP Center, Herverlee, Belgium,
1987;
[4]
STREAMER. (2017). Application Guide for EasyQuench Technology;
[5]
M. Zinck, J. B. Frain , Multi-chamber Arrester Field Test Experience on Medium
Voltage Overhead Line in Asia, International Conference on Power Systems
Transients, IPST 2015, in Cavtat, Croatia, June 15-18, 2015.