Cabos Para-raios (Segunda Parte)

Este post dá sequência ao tema iniciado no post anterior, procurando enfocar especificamente o papel desempenhado pelos cabos para-raios. Conforme mencionado ao final do último post, em geral, a proteção contra descargas atmosféricas é dirigida contra os surtos de tensão. Embora a corrente possa ser extremamente elevada, seu tempo de duração é muito pequeno, sendo facilmente suportada por um cabo de pequeno diâmetro.

Na maioria das situações, em linhas aéreas de transmissão de energia, o tipo de cabo a ser utilizado na condução de surtos atmosféricos é normalmente determinado por esforços mecânicos ao invés da capacidade de corrente. Na proteção dos sistemas de potência contra descargas atmosféricas é necessário conhecer os seguintes aspectos:

• como os surtos se propagam;
• o que ocorre nas descontinuidades;
• se existem atenuações e distorções ao se propagarem

Quando uma descarga atinge uma linha de transmissão, provoca o surgimento de ondas viajantes pelo sistema, com reflexões e refrações em pontos de descontinuidade. A descarga inicia a propagação de ondas de tensão e de corrente, as quais viajam aproximadamente à velocidade da luz, em ambas as direções, a partir do ponto de impacto. A título de exemplificação, na Figura 1 é ilustrada uma descarga atmosférica de 10 kA atingindo um condutor, o qual apresenta impedância de surto Z=400 OHM. Como ilustra a figura, a partir do impacto desta descarga, a corrente será dividida em duas, percorrendo para esquerda e direita duas ondas de corrente de 5kA, as quais produzirão o surgimento de ondas de tensão v= 5×400=2.000kV.

Descarga atingindo um cabo condutor [1]

Essas ondas continuam a se propagar pela linha até que seja encontrada uma descontinuidade. Neste ponto, ondas de tensão e corrente serão refletidas de volta à linha, enquanto outras serão transmitidas através do ponto de descontinuidade. Os pontos de descontinuidade podem ser disjuntores abertos, transformadores, outras linhas ou o rompimento do isolamento da linha.

INCIDÊNCIA DE DESCARGAS NAS SUBESTAÇÕES

Quando da incidência das descargas nas subestações, as de maior intensidade de corrente deverão ser interceptadas pelos cabos pára-raios e mastros, sendo drenadas através da malha de terra das subestações. As de menor intensidade que eventualmente furem a blindagem deverão ser suportadas pelos equipamentos. Na Figura 2 são ilustrados os mastros e cabos para-raios em subestações que terão a incumbência de interceptar e drenar essas descargas para a malha de terra da subestação.

Figura 2 – Ilustrações de mastros e cabos para-raios em subestações [2] [3].

INCIDÊNCIA DE DESCARGAS NAS LINHAS DE TRANSMISSÃO

Por percorrerem longas distâncias entre a subestação emissora e a receptora, as linhas de transmissão ficam bem mais expostas aos surtos atmosféricos. Por esse motivo, os estudos de incidência de descargas atmosféricas em linhas de transmissão requerem enfoques especiais, no sentido de se buscar balanços adequados entre o investimento a ser feito e o retorno, no que tange à melhoria do desempenho da instalação. O objetivo principal é compatibilizar os recursos a serem aplicados de tal forma a se obter os níveis de confiabilidade desejáveis. Os estudos tradicionalmente realizados se classificam em:

• estudo de queda direta (falha de blindagem) – analisa a incidência de descarga diretamente no cabo condutor;
• estudo da incidência de raios nas torres, mastros ou cabos pára-raios (queda indireta) – envolve grande quantidade de parâmetros, requer tratamento estatístico;
• estudo da incidência de raios nas proximidades da linha – tem maior significado para linhas de 69 kV ou menores.

Nos estudos de queda direta é necessário avaliar as sobretensões geradas por incidências diretas das descargas atmosféricas nos cabos condutores da linha de transmissão. Essas situações levam a sobretensões de grande magnitude, provocando, na maioria das vezes, a falha da isolação. A alternativa é limitar as sobretensões a valores muito menores, através da instalação estratégica de cabos de blindagem (para-raios). A identificação estratégica do posicionamento desses cabos obedece a um modelo denominado “modelo eletro-geométrico”, o qual procura consolidar o elo entre as características elétricas das descargas atmosféricas e os parâmetros geométricos das linhas de transmissão.

O modelo eletro-geométrico busca correlacionar a distância de atração da descarga para um condutor posicionado em sua trajetória, em função da corrente de descarga. Na Figura 3 é ilustrada a distância de atração, como também a correlação dessa distância com a corrente de descarga, obtida através de observações realizadas na estação de San Salvatore, na Itália [1].

Figura 3 – Conceito de raio de atração e valores obtidos em estação meteorológica [1]

Levando este conceito para o caso de uma linha aérea de transmissão de energia elétrica é possível avaliar o melhor posicionamento para o cabo par-raios (ou cabos guarda) em relação aos condutores de fase. Na Figura 4 encontra-se ilustrado como essas análises podem ser realizadas.

Figura 4 – Avaliação do posicionamento dos cabos guarda em relação aos cabos condutores [1].

A distância de atração é válida para qualquer dos condutores. A terra também possui a sua distância de atração. As regiões AB, BC e CD representam as áreas de exposição para o pára-raios, condutor e solo, respectivamente. Para cada valor de corrente de raio a distância de incidência define uma superfície ABCD para a qual todas as descargas cruzando BC terminam no condutor. Pode ser verificado, também, que, por regressão matemática, r_S é aproximadamente igual a 9I^0,65. Na Figura 5 são lustradas, para o condutor e cabo para-raio mais à direita (em relação à Figura 4), como seriam as distâncias de atração para valores crescentes de corrente de descarga.

Figura 5 – Distâncias de atração para valores crescentes da corrente de descarga [1].

Observa-se que o arco de exposição para o condutor de fase diminui com o aumento da corrente de descarga, até se tornar nulo. Neste caso, as correntes de descarga mais elevadas serão sempre desviadas para os pára-raios ou para a terra. Portanto, o posicionamento do cabo para-raios pode se tornar mais ou menos efetivo, na busca pelo fechamento do arco de exposição ao condutor. Pode ser verificado, também, que a posição ideal seria o cabo para-raios localizado verticalmente ao cabo condutor. Essa posição, entretanto, implica em custos adicionais da estrutura no que tange aos crescentes esforços atuantes, à medida em que o cabo para-raios é deslocado para essa posição “ótima”. Desta forma, a escolha ideal fica condicionada a uma decisão técnico-econômica.

Por outro lado, ao contrário das quedas diretas, as falhas do isolamento devido às quedas indiretas são dificilmente eliminadas. Os efeitos podem ser minimizados através de um projeto otimizado de aterramento das estruturas e um ajuste dos elementos de projeto da cabeça da torre. Neste caso, cabe dividir as análises em três situações: a descarga ocorre em uma estrutura e a linha não possui cabo para-raios, a descarga ocorre em uma estrutura e a linha possui cabos para-raios e a descarga ocorre no cabo para-raios, no meio do vão.

Quando a descarga ocorre em uma estrutura e a linha não possui cabos para-raios, a corrente só tem um caminho a percorrer: pela estrutura, direto para o solo através da resistência de aterramento, denominada “resistência de pé de torre” (R_PT). O circuito equivalente para essa situação encontra-se representado na Figura 6, onde I é a corrente de descarga e Z_T a impedância da estrutura.

Figura 6 – (a) representação da descarga atingindo a torre e (b) circuito elétrico equivalente.

Apesar da representação por um circuito a parâmetro concentrado, na realidade a representação correta desta ocorrência seria a caracterização de ondas viajantes que surgiriam na estrutura a partir do momento da queda da corrente de descarga sobre a mesma, conforme ilustração contida na Figura 7, através de um diagrama denominado “Diagrama de Treliças” [4]. Nesta representação, o eixo vertical está relacionado com o registro do tempo e o horizontal com o percurso (x) ao longo da torre. A distância topo-base representa a altura da torre. Portanto, nesta representação, as letras A, B, C, …, I indicam o percurso da onda viajante ao longo da torre, K_T e K_B são os coeficientes de reflexão das tensões incidentes no topo e na base da torre, respectivamente.

Figura 7 – Ilustração das ondas viajantes ao longo da estrutura e tabela de valores para o exemplo formulado.

Os coeficientes são calculados pela seguinte equação básica K=(Z₁-Z₂)/(Z₁+Z₂), onde Z₁ e Z₂ identificam a impedância dos caminhos percorridos e a percorrer, respectivamente. A título de exemplo, considerando I=30 kA (1,2 x 50 microssegundos), Z_T=200 OHM, altura da torre H=30 m e R_PT=100 OHM, a tensão que viajaria ao longo da torre, seria dada por V_T=Z_TI, viajaria a uma velocidade C=3×10⁸ e teria um tempo de percurso na torre de T=H/C=0,1 microssegundos, a qual passaria a sofrer reflexões em conformidade com os coeficientes K_T e K_B, conforme tabela ilustrativa contida na Figura 7.

A partir do diagrama de treliças, o comportamento da tensão em cada terminal pode ser obtida, em função da seguinte equação básica, para cada instante de análise, v(t)=valor anterior+tensão incidente+tensão refletida. Exemplo, para a tensão no topo, em t>2, v(t>2)=V_T-V_T/3-V_T/3. Esse raciocínio levaria à construção do perfil da tensão, lembrando que V_T tem um comportamento 1,2 x 50 microssegundos, conforme ilustração contida na Figura 8 (a). Para a construção do perfil, portanto, a composição ilustrada na Tabela inserida na Figura 7 precisa ser representada graficamente, conforme ilustração contida na Figura 8 (b).

Figura 8 – (a) surto de tensão que viajará inicialmente na estrutura e (b) comportamento da tensão no topo da estrutura.

Na Figura 8(b) está apresentado o comportamento da tensão no topo da estrutura, até o instante 0,6 microssegundos. Fica como exercício para o leitor a representação restante. Há de se ressaltar que o processo ilustrado é válido apenas até 1,2 microssegundos, pois, a partir deste momento, será necessária a inclusão da rampa descendente, conforme apresentado na Figura 8(a).

O uso da ferramenta “Diagrama de Treliças” tem um significado acadêmico, de tal forma a se visualizar o desenvolvimento das ondas viajantes em questão. Na prática se utiliza aplicativos computacionais, os quais permitem analisar situações mais complexas. O exemplo anterior encontra-se ilustrado na Figura 9, através do uso do aplicativo Alternative Transients Program (ATP) [5].

Figura 9 – Solução do exemplo anterior usando o ATP, sendo (a) R_PT=100 OHM e (b) R_PT=20 OHM.

Pode ser observado, portanto, que para uma estrutura com R_PT=100 OHM a tensão no topo da estrutura pode chegar a 3,34 MV, enquanto que, para R_PT=20 OHM a tensão máxima seria bem menor, 1,17 MV. Esses valores podem ser determinantes para o “back flashover” sobre a cadeia de isoladores como será analisado mais adiante.

No caso em que a linha possua um cabo para-raios, o comportamento da tensão no topo da estrutura atingida (central aos dois vãos analisados), para as mesmas condições exemplificadas, passa a se apresentar conforme gráficos apresentados na Figura 10, variando os valores das resistências de pé de torre envolvidas..

Figura 10 – Comportamento da tensão no topo da estrutura atingida, em função das resistências de pé de torre envolvidas: 100, 20, 100 indica que as resistências são 100 OHM na estrutura da esquerda, 20 OHM na estrutura central e 100 OHM na estrutura da direita e assim similarmente para as demais.

Considerando agora a existência de dois cabos para-raios, seriam obtidos os resultados apresentados na Figura 11.

Figura 11 – Comportamento da tensão no topo da estrutura atingida, considerando que a linha possua 2 cabos para-raios.

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Caso a descarga ocorra no meio de um dos vãos, já considerando a existência de dois cabos para-raios, o comportamento da tensão no topo da estrutura central seria o apresentado na Figura 12.

Figura 12 – Comportamento da tensão no topo da estrutura central para a descarga ocorrendo no meio do vão da direita.

Observa-se que para esse caso, o retardo para início da elevação da tensão no topo da estrutura central está associado à distância do ponto da ocorrência (150 m, para um vão de 300 m). Essa distância distorce significativamente o formato da tensão observada em relação aos casos anteriores. Os valores máximos obtidos foram sintetizados na Tabela 1.

Tabela 1 – Resumo dos casos analisados

Sobre a tabela podem ser feitas as seguintes constatações:

• na coluna 2, são sempre observados os menores valores de tensão na torre atingida, inferindo-se fortemente que a torre atingida tem que estar com baixo valor de resistência de pé de torre;
• a aplicação de um segundo cabo para-raios, conduz a uma melhor blindagem dos cabos condutores, entretanto, a sensibilidade à resistência de pé de torre ainda é muito grande, ou seja, não adianta apenas atrair a descarga atmosférica para os cabos para-raios sem oferecer um bom escoamento dessas descargas para o solo;
• não é suficiente ter um baixo valor de resistência de pé de torre nas estruturas adjacentes se a estrutura atingida não possuir também um baixo valor dessa resistência, ou seja o eventual “socorro” das estruturas adjacentes demora a chegar, ou seja, as ondas refletidas (negativas) têm que percorrer todo o vão até chegar à estrutura atingida;
• a constatação anterior pode ser melhor visualizada nas Figuras 10, 11 e 12 (c) e (d).

Uma outra análise importante é sobre o que ocorre na cadeia de isoladores. Na Figura 13 encontra-se ilustrada uma cadeia, em que a estrutura foi atingida pela descarga atmosférica. Portanto a tensão resultante será dada por V_C=V_T-V_S, onde V_S é a tensão de serviço alimentada pela fonte de energia.

Figura 13 – Representação de uma descarga incidente na torre e da tensão V_C sobre a cadeia de isoladores.

Como a tensão de serviço tem uma característica senoidal, a situação mais crítica para a cadeia de isoladores ocorrerá, no momento em que esse sinal de tensão estiver passando pelo valor máximo negativo. Apesar dessa afirmação, para as tensões de serviço aplicadas na prática esse valor máximo é desprezível, diante da intensidade das tensões oriundas das descargas atmosféricas. Para uma linha de 230 kV, por exemplo, o valor máximo da tensão fase-terra seria V_FT=230xraiz(2)/raiz(3), o que daria 187,79 kV, bem inferior aos surtos atmosféricos sumarizados na Tabela 1.

Por outro lado, qual seria a suportabilidade da cadeia de isoladores? Na Figura 14 são apresentados esses valores, na qual, para a linha exemplificada, com 16 isoladores de disco, o surto atmosférico máximo suportado seria 1,41 MV. Comparando com os valores resumidos na Tabela 1, verifica-se que a presença de uma baixa resistência de pé de torre, na estrutura atingida, é essencial para assegurar a suportabilidade da cadeia de isoladores, diferentemente da maioria dos demais casos analisados. Quando o valor imposto não é suportado pela cadeia, surge o back flashover (arco da estrutura para o cabo condutor, sobre a cadeia) que poderá levar ao surgimento do arco de potência e à retirada da linha de operação, situação similar ao que foi analisado no post anterior.

Figura 14 – Suportabilidade de cadeias de isoladores [1].

Um outro aspecto sobre os cabos para-raios a ser considerado é a sua configuração, no que tange à sua referência elétrica em relação à terra. Isso leva a duas situações: ou multi-aterrado, ou isolado da terra. Na primeira configuração, o cabo para-raio é aterrado em todas as estruturas, seja ela de aço, madeira ou concreto. Na segunda configuração o cabo é isolado da terra, secionado por tramo e aterrado apenas em um ponto central ao tramo. Este único aterramento procura assegurar que as tensões induzidas eletrostaticamente não atinjam valores elevados e comprometam os isolamentos utilizados, conforme ilustração contida na Figura 15.

Figura 15 – Ilustração da configuração “cabo para-raios isolado”.

A configuração multi-aterrado é mais largamente utilizada, entretanto, a depender da quantidade de condutores por fase utilizados na linha e da carga que a mesma transporta, o acoplamento magnético entre os condutores e o cabo para-raios levará à indução de altos valores de correntes e a perdas acentuadas por efeito Joule [6] e [7]. Neste caso, a configuração cabos para raios isolados se faz necessária. Para essa alternativa, é preciso assegurar que, na ocasião de uma descarga atmosférica ou curto-circuito fase-terra, a drenagem para a terra seja garantida. Isso leva à instalação de descarregadores no formato de chifre, conforme ilustração feita na Figura 16, os quais atuarão no sentido de abrir um arco entre os seus terminais, quando a tensão aplicada ultrapassar valores previamente ajustados [8] e [9].

Figura 16 – Foto de descarregador em forma de chifre [8] e [9].

Esses descarregadores, entretanto, apresentam problemas operacionais, principalmente quando submetidos a elevadas correntes de curto-circuito, as quais o danificam completamente ou alteram significativamente as suas características, no que se refere à repetitividade dos valores de tensão de atuação ajustados.

Neste contexto, cabe analisar o comportamento da corrente de curto circuito fase-terra, a qual terá um fluxo acentuado pelos cabos para-raios, conforme ilustração contida na Figura 17. Esse é um papel importante dos cabos para-raios, uma vez que contribui significativamente para a redução de acidentes com seres vivos, relacionados às tensões de passo e de toque provenientes de correntes injetadas no solo.

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Figura 17 – Comportamento da corrente de curto-circuito fase-terra, fluindo nos cabos para-raios.

Esse fluxo de corrente remete a análises especiais quanto ao material a ser utilizado nos cabos para-raios de tal forma a suportar os elevados valores que circulam nessas ocorrências. Enfocando exclusivamente as ocorrências de descargas atmosféricas, apesar das elevadas correntes envolvidas, o tempo de duração dessas correntes é muito reduzido, da ordem de microssegundos. Tais circunstâncias conduzem a utilizar cabos para-raios que tenham características meramente mecânicas: suportar os elevados esforços para se manterem em equilíbrio, propiciando a blindagem adequada para os cabos condutores. Tradicionalmente o cabo EHS 3/8″ desempenha adequadamente essas funções.

Quando o foco é direcionado para as correntes de curto-circuito, é prudente analisar a suportabilidade do cabo para-raios a ser utilizado, uma vez que as correntes são elevadas e a duração é da ordem de milissegundos, ou seja, mil vezes maior do que os eventos atmosféricos, implicando em um aquecimento que pode levar à fusão do material utilizado. Geralmente, a depender da extensão da linha de transmissão, as correntes de curto circuito são menores, quando o ponto no qual o curto-circuito ocorre está mais distante das barras das subestações terminais, conforme ilustração contida na Figura 18. Tal constatação implica na necessidade de se aplicar cabos para-raios com características elétricas que suportem as correntes envolvidas, podendo a linha ser dividida em trechos para caracterização dos cabos para-raios a serem aplicados.

Figura 18 – Adequação da característica dos cabos para-raios por trecho, a depender da intensidade das correntes de curto-circuito.

Com o desenvolvimento tecnológico, uma função adicional passou a ser dada ao cabo para-raios: transmissão de dados. O que levou ao desenvolvimento dos cabos OPGW (Optical Ground Wire), conforme registro feito na Figura 19. Esses cabos devem também ser devidamente especificados em conformidade com as solicitações elétricas mencionadas anteriormente.

Figura 19 – Ilustração de cabos OPGW [10].

Ao longo da linha de transmissão os cabos para-raios devem ser emendados, em conformidade com a extensão de cabo contida em cada bobina fornecida pelos fabricantes, requerendo cuidados mecânicos, elétricos e ópticos especiais.

Quanto às descargas próximas às linhas de transmissão, a preocupação reside na indução de sobretensões que possam comprometer o isolamento da linha. Essas sobretensões raramente excedem 500 kV, fato que restringe a preocupação a linhas de classe de tensão igual ou inferior a 69 kV, diante da suportabilidade das cadeias de isoladores tradicionalmente utilizadas [1].

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CONSIDERAÇÕES FINAIS

Verifica-se, portanto, o largo espectro da tecnologia relacionada com os cabos para-raios. Ficam desafios importantes voltados para a redução de perdas associadas ao efeito Joule proveniente das correntes induzidas nesses cabos. A tecnologia ora empregada deixa a desejar, diante de seus problemas operacionais mencionados.

Pesquisas estão sendo feitas na Universidade Federal de Pernambuco / Programa de Pós-Graduação e Engenharia Elétrica / Grupo de Pesquisa em Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica (UFPE/PPGEE/GPTD), no intuito de se conceber novos tipos de cabos para-raios, os quais já incorporem características elétricas que minimizem as perdas na transmissão.

Por outro lado, observou-se a grande correlação da sobretensão atmosférica transferida para as cadeias de isoladores com o valor da resistência de aterramento das estruturas. No momento das descargas atmosféricas, a linha deve estar devidamente blindada e suas estruturas possuírem baixos valores de resistência de aterramento, de tal forma a proteger as “senhoras rainhas”: as cadeias de isoladores. Esse tema será explorado com maior profundidade no próximo post.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] D’Ajuz, Ary, “Transitórios Elétricos e Coordenação de Isolamento”, Universidade Federal Fluminense, Editora Universitária. 1987.

[2] https://www.neoenergia.com/pt-br/sobre-nos/linhas-de-negocios/transmissao/Paginas/afluente-t.aspx, acessado em 16/05/2020.

[3] https://oimpacto.com.br/2019/05/29/municipios-de-alenquer-e-monte-alegre-inauguram-subestacoes-de-energia/, acessado em 16/05/2020.

[4] Fuchs, Rubens Dario, -Transmissão de Energia Elétri-ca-, Livros Técnicos e Científicos S. A. Editora EDUFU UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA. 2015.

[5] Alternative Transients Program Rule Book, K. U. Leuven EMTP Center. Electronic Edition of the ATP Rulebook in PDF Format Revista Iberoamericana del ATP – Año 4, Vol. 3, Número 4 – Diciembre de 2001.

[6] da Silva M. S., de Barros Bezerra j. M. Simulação de Tensões Induzidas em Cabos Para-raios em Linhas de Transmissão Aérea com Vistas a Redução de Perdas. XVII Conferência de Estudos em Engenharia Elétrica (CEEL). UFU, Uberlândia, MG. 2019.

[7] da Silva M. S., de Barros Bezerra j. M. Avaliação de Perdas em Cabos Para-raios em Linhas de Transmissão Aéreas. XVII Conferência de Estudos em Engenharia Elétrica (CEEL). UFU, Uberlândia, MG. 2019.

[8] Gomes R. A. Análise de Descarregador em Forma de Chifre para Assegurar o Isolamento de Cabos Para-raios. Trabalho de Conclusão de Curso. UFPE. 2019.

[9] de Aquino Gomes R., da Silva M. S., de Barros Bezerra J. M. Estudo e Modelagem Computacional do Dispositivo Descarregador em Forma de Chifre para Isolação de Cabos Para-raios. Brazilian Technology Symposium (BTSym’19). UNICAMP, Campinas. 2019.

[10] https://www.zttcable.com.br/novo-cabo-opgw/. acessado em 17/05/2020, acessado em 17/05/2020.