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Raios em torres de telecomunicação

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Edição 53 - Junho de 2010

Por Rosilene Nietzsch Dias, Fernando Henrique Silveira, Silvério Visacro*

Impacto da presença de torres de telefonia celular na incidência de descargas atmosféricas nas proximidades da estação rádio-base

Atualmente, verifica-se um aumento do número de estruturas elevadas em áreas urbanas em decorrência da instalação de Estações Rádio-Base de telefonia celular (ERBs). Estas estações comportam torres com altura próxima a 50 metros. Devido a esta altura elevada, tais estruturas constituem-se em pontos preferenciais para incidência de descargas, afetando, assim, as distribuições de incidência e de intensidade de corrente de descargas nas regiões próximas.

A incidência de descargas em estruturas elevadas pode causar efeitos severos nas vizinhanças da  ERB, incluindo a elevação de potencial no solo, a transferência de tensão e de corrente por meio dos sistemas de aterramento vizinhos e tensões induzidas nas linhas aéreas de distribuição de energia. Tais efeitos podem ser extremamente severos tanto para os consumidores quanto para o sistema elétrico devido à proximidade em relação à estação rádio-base. Para algumas condições críticas, sobretensões de aproximadamente 1 MV podem ocorrer no sistema elétrico.

Este quadro motivou o desenvolvimento deste trabalho, que é destinado a investigar o impacto da presença da torre de estações rádio-base na incidência e na distribuição de intensidades de corrente de descargas atmosféricas nas regiões próximas desta estação. Os desenvolvimentos apresentados ao longo deste artigo buscam quantificar o nível de proteção da torre contra a incidência direta de descargas nas proximidades da ERB. Também são analisadas as mudanças no perfil da distribuição de intensidade de correntes devido à presença da estrutura elevada.

Aspectos básicos

Sabe-se que estruturas elevadas são pontos preferenciais para incidência de descargas. Quando uma ERB é instalada em áreas urbanas, sua torre se torna um ponto preferencial para a incidência de descargas em relação à vizinhança da ERB. Como consequência, tanto a distribuição de incidência de descargas quanto a distribuição de seus picos de corrente são modificadas. Nesta seção, são discutidos alguns aspectos básicos relativos às distribuições de incidência e de amplitude de corrente das descargas.

Distribuição das amplitudes de corrente

Os dados de descargas podem ser obtidos por meio de torres instrumentadas, sistemas de detecção e localização de descargas atmosféricas e descargas induzidas por foguetes. Dentre todas essas formas de medição, deve-se destacar a medição de corrente de descargas por meio de torres instrumentadas como sendo a fonte mais confiável.

No entanto, a distribuição estatística de intensidades de corrente obtida por este meio é afetada pela presença da torre, que atrai para si eventos mais intensos que poderiam atingir regiões circunvizinhas, caso a torre não estivesse ali instalada. Consequentemente, os parâmetros estatísticos da distribuição de intensidades de corrente são afetados.

Para se eliminar o efeito de atração da torre instrumentada nos dados de intensidade de corrente de descargas atmosféricas, é necessário estimar os parâmetros da distribuição
log-normal de intensidade de correntes no nível do solo.

Neste sentido, o artigo “Estimation of the statistical distributions of lightning current parameters at ground level from the data recorded by instrumented towers” propôs um procedimento baseado no método Monte Carlo que pode ser aplicado para se estimar a distribuição estatística no nível do solo para os dados de corrente de descargas obtidos por meio de torres instrumentadas. Nessa mesma direção, o artigo “A unified probabilistic theory of the incidence of direct and indirect lightning strikes” propôs uma equação analítica que permite calcular os parâmetros da distribuição log-normal, conforme Equação 1.

  (1)

 

Em que:

? é o parâmetro de escala da distribuição log-normal (obtido pela medição de correntes de descargas em torres instrumentadas);

? é o parâmetro de localização da distribuição log-normal obtido pelas medições em torres instrumentadas;

?g e ?g são os parâmetros da distribuição log-normal de intensidade de correntes incidentes no solo;

b é o expoente da corrente Ip na equação de raio de atração utilizada (neste caso, b = 0.64, ver no próximo item).

A probabilidade de ocorrência de uma descarga com intensidade Ip no nível do solo (p(Ip)) é obtida por meio de:

 (2)

 

Distribuição de incidência de descargas

Ao longo dos anos, o modelo eletrogeométrico (EGM) tem sido utilizado para se caracterizar o número de descargas que atingem uma determinada estrutura. Existem muitos estudos que propõem equações analíticas para cálculo do raio de atração (Ra) em função da intensidade de corrente da descarga. Entre tais estudos, Eriksson, autor do artigo “An improved electrogeometric model for transmission line shielding analysis”, introduziu o efeito da altura da estrutura no cálculo do raio de atração.

A Equação 3 é a fórmula geral de Eriksson para cálculo do raio de atração. Esta foi obtida considerando-se estruturas de até 500 metros de altura (H) e intensidade de corrente de até 200 kA em diferentes regiões.

 (3)


O raio de atração determina uma região esférica centrada no topo da estrutura elevada, em que todos os eventos de descargas atmosféricas que poderiam atingir o solo (caso a torre não estivesse instalada) possuem grande probabilidade de atingir a estrutura.

A área de coleta de descargas individuais (SP) representa a região em que um evento de amplitude IP é atraído para a estrutura, considerando-se a relação entre a intensidade de corrente da descarga e a altura da torre.

 (4)

Para se calcular o número de descargas para cada intensidade de corrente IP que podem atingir a torre (Nip), alguns parâmetros a seguir devem ser considerados:

• a densidade de descargas individuais (strokes) na região, em strokes/km²/ano (Nsg);

• a área de coleta de descargas (SP) para cada intensidade de corrente;

• a probabilidade de ocorrência de uma descarga com intensidade IP incidir no solo (p(Ip)).

 


 (5)

 

O número total de descargas N que podem atingir a estrutura considerando-se toda a distribuição de corrente é calculado pela Equação 6.

 (6)


 Desenvolvimentos e resultados

As análises apresentadas neste trabalho estão relacionadas à aplicação do modelo EGM e são destinadas a determinar o impacto da presença da estrutura elevada no número de eventos e na intensidade de corrente de descargas nas regiões vizinhas à estação rádio-base.

Nas próximas seções, são descritos todo o processo desenvolvido e os resultados obtidos.

Metodologia

A metodologia adotada neste trabalho considera uma área urbana cujo quarteirão e lotes que o compõem possuem dimensões típicas. Foi considerado um lote padrão, com área de 360 m² (12 m x 30 m), situado numa região plana com densidade de descargas individuais igual a
6 strokes/km²/ano.

Tanto a incidência de descargas quanto o perfil de intensidades de corrente no lote em que a ERB está instalada são calculados pela aplicação do modelo eletrogeométrico, sendo que a distribuição de intensidades de corrente de descargas ao nível do solo foi obtida a partir de medições diretas. O efeito da estrutura elevada é avaliado comparando-se os resultados em termos da incidência de descargas e distribuição de amplitudes de corrente nas cercanias da ERB, considerando-se a presença e a ausência da estrutura no lote.

Efeito da presença da estrutura elevada (ERB)

Inicialmente, são avaliados os efeitos da presença da estrutura no lote. Em todas as simulações, adota-se a distribuição de intensidade de correntes obtida na estação Morro do Cachimbo. Os parâmetros da distribuição log-normal no nível do solo são calculados pela Equação 1, obtendo-se os valores ?g = 0,597 e ?g = 3,272.

Os valores de intensidade de corrente considerados em todas as análises deste trabalho variam de 1 kA a 200 kA (passo 1 kA).

O número de descargas individuais NIp para cada Ip (Equação 5) e o número total de descargas N que atingem o lote (Equação 6) são calculados. Feito isso, uma torre padrão com 50 metros de altura é inserida no lote e novos cálculos são efetuados.

A Tabela 1 apresenta o número total de descargas que incidem no lote para cada caso analisado. Objetivando-se a realização de análises de sensibilidade, também são consideradas torres com 30 e com 80 metros de altura. A Figura 1 indica o número de descargas individuais para cada IP (NIp) considerado-se o lote padrão sem a estrutura instalada (linha tracejada, eixo y à direita do gráfico) ou com a torre instalada (eixo y à esquerda).

Tabela 1

Total de descargas incidentes no lote

Caso analisado

N (descargas)

Lote sem a torre

2,16 x 10-3

Lote com uma estrutura de 30 m

0,158

Lote com uma estrutura de 50 m

0,313

Lote com uma estrutura de 80 m

0,588

Conforme esperado, o número de descargas que atingem o lote aumenta na presença da torre. Este número é maior no caso de estruturas mais altas. Observa-se um aumento de quase 73 vezes para uma estrutura de 30 metros de altura, ao passo que para uma estrutura de 80 metros, este aumento é de cerca de 272 vezes. É importante ressaltar que, para estas condições, praticamente todas as descargas atingirão a torre.


(a)

 


(b)

 Figura 1 – Incidência de descargas individuais no local de instalação da ERB sem a torre (a) e (b) com uma torre de 50 metros de altura instalada.

 O valor da moda da intensidade de corrente (maior frequência de ocorrência) aumenta 40% com a presença no lote de uma torre de 50 metros (de 18 kA para 30 kA). Este fato se deve ao maior raio de atração para descargas com maiores intensidades de corrente, o que propicia um aumento no número de descargas mais intensas que podem atingir a torre.

Proximidades da ERB

Para se avaliar o impacto da presença da estrutura da ERB no número de descargas e no valor da mediana da intensidade de corrente nas regiões vizinhas, é considerado um quarteirão padrão constituído por 32 lotes, como ilustrado na Figura 2. A área de cada lote é de 360 m² e a torre está instalada no lote “A” a 4 metros da margem.

A proposta desta análise é avaliar o perfil de incidência de descargas em cada lote, considerando-se a ERB instalada no lote “A”.

Devido à simetria dos efeitos das incidências de descargas nos lotes A1 até P1, as análises que se seguem são realizadas considerando-se apenas os lotes “A” até “P”. Para realizar uma análise de sensibilidade, são consideradas torres de alturas distintas: 30 metros, 50 metros e 80 metros.

A Figura 3 caracteriza a incidência de descargas ao longo do quarteirão considerando-se a estrutura instalada no lote “A”. O número de descargas individuais que incidem em um lote específico se encontra no eixo y à esquerda, e as descargas que atingem a torre instalada no lote “A” estão relacionadas no eixo y à direita do gráfico.

 

Figura 2 – Quarteirão padrão: 32 lotes de 360 m² de área. A ERB está instalada no lote “A”.

 

Figura 3 – Incidência de descargas ao longo do quarteirão considerando-se diferentes alturas para a torre instalada no lote “A”.

Observa-se uma redução no número de descargas que atingem a torre à medida que a distância da estrutura aumenta. Consequentemente, o número de descargas que atingem o lote considerado é maior. Este comportamento se deve ao raio de atração associado aos valores de intensidade de corrente. Para maiores distâncias da torre, apenas as descargas mais intensas podem ser atraídas para a torre.

A Figura 4 ilustra o nível de proteção (em percentual) que a estrutura da ERB oferece para cada lote do quarteirão analisado. Por exemplo, considerando-se uma estrutura de 50 metros de altura instalada no lote “A”, apenas 40% das descargas que poderiam incidir no lote “L” irão atingi-lo; em outras palavras, 60% das descargas que poderiam incidir no lote “L” irão atingir a torre.

Considerando as alturas elevadas das torres, observa-se um alto nível de proteção para os lotes mais próximos à estrutura. Para maiores distâncias da estrutura da ERB, a probabilidade da incidência de descargas no lote em análise é maior.

A Figura 5 mostra os valores da mediana da intensidade de corrente para duas situações distintas: (i) mediana da intensidade de corrente das descargas que incidem no lote em análise; (ii) mediana da intensidade de corrente das descargas que atingiriam o lote se a estrutura não estivesse instalada no lote “A”, mas atingirão a torre devido ao efeito de atração da estrutura elevada.


Figura 4 – Nível de proteção da torre para cada lote, considerando-se a torre instalada no lote “A”.

 Figura 5 – Valor da mediana da intensidade de corrente dos das descargas que incidem na torre e no lote em análise.

Na Figura 6, apresenta-se a distribuição de intensidades de corrente para estruturas de 30, 50 e 80 metros. É possível distinguir os valores de intensidade de corrente das descargas que incidem na torre (em destaque) e aquelas que incidem no lote.

A Figura 7 mostra os valores limite de intensidade de corrente e de raio de atração que determinam as descargas que podem atingir a estrutura. O eixo y à esquerda refere-se ao raio de atração e o eixo y da direita representa os valores de intensidade de corrente. Por exemplo, considerando-se o lote “J” e uma estrutura de 30 metros instalada no lote “A”, todas as descargas que possuírem intensidade de corrente superior a 45 kA (correspondente a um raio de atração de aproximadamente 110 metros) irão atingir a torre.

Com o aumento da distância da estrutura da ERB e aumento da altura da torre, a mediana da intensidade de corrente em cada lote torna-se maior, ou seja, mais descargas irão incidir no lote analisado. A mediana das intensidades de corrente das descargas que atingem a torre também aumenta devido ao maior raio de atração, uma vez que apenas as descargas mais intensas serão atraídas para a estrutura.

Figura 6 – Distribuição de intensidade de corrente para cada lote considerando-se torres de 30, 50 e 80 metros instaladas no lote “A”. Cada coluna representa um lote (de “A” a “P”). Cada linha é um valor de corrente, de 1 kA a 100 kA. Os valores em destaque são as amplitudes das descargas que incidem na estrutura.

 

Figura 7 – Valores limite para intensidade de corrente e raio de atração para cada lote analisado.

Considerando-se as Figuras 5, 6 e 7, conclui-se que os lotes próximos à ERB estão protegidos contra a incidência de descargas atmosféricas. Apenas algumas poucas descargas com intensidade inferior a 20 kA (até os lotes “F”, “H” e “K”, respectivamente para estruturas de 30, 50 e 80 metros) podem incidir no lote em análise.

Conclusões

Este trabalho apresentou algumas avaliações referentes ao impacto causado pela presença de torres de telefonia celular nos níveis de densidade de descargas atmosféricas nas cercanias de estações rádio-base. Por um lado, a presença da torre protege a vizinhança da ERB contra a incidência direta de descargas. Por outro lado, observa-se uma concentração da incidência de descargas na estrutura elevada, tornando a região próxima vulnerável aos efeitos da tensão induzida por descargas e sobretensões devido à elevação de potencial no solo (GPR).

A Figura 1 denotou o aumento da intensidade de corrente devido à presença da torre de 50 metros de altura no lote (40% maior). Em seguida, foi quantificado o comportamento da intensidade de corrente e da incidência de descargas na torre e no local de instalação da ERB de acordo com o aumento da distância em relação à estrutura elevada. Considerando-se cada lote, uma melhor proteção contra incidência direta é oferecida aos lotes mais próximos ao local de instalação da torre. A probabilidade de incidência de descargas nos lotes se torna maior com o aumento da distância, principalmente para as descargas com menores valores de intensidade de corrente.

Referências

- F. H. Silveira and S. Visacro, “Lightning effects in the vicinity of elevated structures,” J. Electrostatics, v. 65, issues 5-6, May 2007, p. 342-349.

- F. H. Silveira and S. Visacro, “Electromagnetic Interferences on Electrical Systems Due to Lightning Incidence on Nearby Telecommunication Elevated Structures” Proceedings of VIII SIPDA – International Symposium on Lightning Protection, 2005, São Paulo. v. 1. p. 39-44.

- A. Borghetti, C. A. Nucci and M. Paolone, "Estimation of the statistical distributions of lightning current parameters at ground level from the data recorded by instrumented towers", IEEE Trans. Power Delivery, v. 19, n. 3, 2004, p. 1400-1409.

- P. Pettersson, “A unified probabilistic theory of the incidence of direct and indirect lightning strikes” - IEEE Trans. Power Delivery, v. 6, n. 3, 1991, p. 1301- 1310.

- A. J. Eriksson. “An improved electrogeometric model for transmission line shielding analysis”, IEEE Trans. Power Delivery, v. PWRD-2, n. 3, 1997, p. 871-886.

- S. Visacro, A. Soares Jr, M. A. O Schroeder, L. C. L. Cherchiglia and V. J. de Souza, “Statistical analysis of lightning current parameters: measurements at Morro do Cachimbo station”, Journal of Geophysical Research, v. 109, D01105, 2004.

 

Este trabalho foi originalmente apresentado durante o X Simpósio Internacional de Proteção contra Descargas Atmosféricas (SIPDA), que aconteceu de 9 a 13 de novembro de 2009 em Curitiba (PR).

 

 

Rosilene Nietzsch Dias é engenheira eletricista industrial, com mestrado, doutorado e
pós-doutorado em engenharia elétrica. É pesquisadora associada ao Lightning Research Center (LRC), núcleo de desenvolvimento científico e tecnológico em descargas atmosféricas da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG).

Fernando Henrique Silveira é engenheiro eletricista, com mestrado, doutorado e pós-doutorado em engenharia elétrica. É professor do departamento de engenharia elétrica da UFMG e pesquisador associado ao Lightning Research Center (LRC), da UFMG. É revisor regular das revistas IEEE Transactions On Electromagnetic Compatibility e IEEE Transactions On Power Delivery.

Silvério Visacro é professor titular do departamento de engenharia elétrica da UFMG e coordenador do Lightning Research Center (LRC), da UFMG. É autor de dois livros sobre descargas atmosféricas e aterramentos elétricos, editor associado do Journal of Lightning Research e revisor regular da revista IEEE Transactions (EMC and Power Delivery). É membro efetivo do AGU, IEEE e Cigrè, onde coordena o grupo de estudos “Response of Grounding Electrodes to Lightning Currents”.

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