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Uma proposta de metodologia para modernização e otimização de projetos de malhas de terra de subestações

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Edição 56 - Setembro de 2010
Por Fabio Nepomuceno Fraga e Luiz Henrique Alves de Medeiros

O método leva em consideração os fenômenos de alta e baixa frequências que ocorrem em subestações de alta e extra-alta tensão quando em operação.

O crescente processo de automação e digitalização do sistema elétrico é uma tendência irreversível apesar do ambiente eletromagnético hostil com os quais se deparam os equipamentos eletrônicos sensíveis que compõem estes processos. O nível de interferência eletromagnética intrínseco ao sistema elétrico pode causar operação indevida destes equipamentos, sobretudo em situações de funcionamento anormal do sistema elétrico, quando são provocadas condições eletromagnéticas mais severas. Nestas situações, deve-se garantir que a operação destes equipamentos seja a mais confiável possível. A interação destes equipamentos eletrônicos mais sensíveis com este ambiente eletromagnético tem sido motivo de estudos realizados por organizações técnicas internacionais, tais como o Comitê Nacional Brasileiro de Produção e Transmissão de Energia Elétrica (Cigré) e o Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) e motivo de preocupação das diversas empresas de energia elétrica do país e do mundo. Dentro deste quadro, o estudo de transitórios elétricos em sistemas de aterramento e o desenvolvimento de metodologias para avaliação destes fenômenos de alta frequência tornam-se importantes e necessários para viabilizar a operação dos sistemas elétricos de maneira mais eficiente e confiável.

A simulação destes sistemas pode levar a problemas relacionados com o tempo de simulação e a capacidade de processamento e de memória de computadores. Neste sentido, torna-se necessária a investigação de metodologias capazes de avaliar grandes sistemas de aterramento de forma compatível com tempos de projeto e capacidade de computadores. Este trabalho tem como objetivo principal fornecer contribuições para o desenvolvimento de uma metodologia capaz de avaliar grandes sistemas de aterramento quando submetidos a fenômenos de alta frequência.

Estudos de configurações e verificação do impacto destas na representação dos fenômenos transitórios que ocorrem em sistemas de aterramento

Para realizar os estudos de configurações, foi utilizado o método Transmission-Line Modeling (TLM) tridimensional. O método TLM teve como pioneiros os estudos desenvolvidos por Johns e Beurle (ver referências). É um método de modelagem numérica de discretização no domínio do tempo que se baseia nas equações diferenciais das linhas de transmissão em que são obtidas as tensões e correntes em determinados pontos chamados de nós. Foi implementado um algoritmo para análise de sistemas de aterramento utilizando o Nó Condensado Simétrico (SNC – Symmetrical Condensed Node). O modelo tridimensional do método TLM apresenta-se como uma ferramenta bastante robusta e simples de ser aplicada para os mais diversos tipos de problemas do eletromagnetismo desde os mais simples até os casos mais complexos. Pode ser aplicado em problemas não lineares, não homogêneos e de propagação de ondas no domínio do tempo ou da frequência. Entretanto, a sua aplicação em problemas de grande dimensão, como o caso de grandes sistemas de aterramento, encontra algumas dificuldades relacionadas ao tempo de simulação e a quantidade de memória necessária para modelagem de todo o volume envolvido no problema. Sendo assim, com o objetivo de verificar a influência de algumas características relacionadas aos problemas de sistemas de aterramento, foram realizadas simulações envolvendo as principais dimensões físicas destes problemas. Os casos simulados foram:

  • Influência do volume do solo da camada de ar acima do solo modelado nos valores de tensão transitória;
  • Influência do tamanho da malha modelada nos valores de tensão transitória;
  • Influência do ponto de injeção do surto nos valores de tensão transitória.

Analisando os resultados destas influências sobre o comportamento transitório das tensões que surgem nas malhas de aterramento, destacam-se os seguintes pontos principais:

  • Os valores de pico da tensão transitória na malha e sua forma de onda não são influenciados de forma significativa pelo volume de solo modelado e pelo volume da camada de ar modelada;
  • A variação do tamanho da malha não tem influência significativa nos valores máximos dos picos da tensão transitória e em como esta tensão se distribui ao longo da malha;
  • A variação do ponto de injeção do surto pode influenciar significativamente os valores máximos dos picos da tensão transitória na malha e, consequentemente, a sua distribuição.

Com o objetivo de exemplificar um destes resultados obtidos é apresentada na Figura 1 a configuração da malha de terra simulada (malha com dimensão 30 m x 30 m com reticulados de
5 m x 5 m) para verificação da influência da variação do ponto de injeção do surto. São indicados os cinco pontos distintos em que foram injetados surtos atmosféricos utilizando a forma de onda 1,2/50 ?s proposta pelo IEEE (IEEE C62.41). Observando a Tabela 1, pode-se notar que a variação do ponto de injeção de surto exerce grande influência nos valores máximos dos picos de tensão transitória. Os pontos mais externos, ou com menos condutores para escoamento do surto, como os pontos D e E, apresentam valores de tensão bem superiores aos encontrados nos pontos A, B e C, podendo chegar a valores até 69% maiores (Ponto D). Na Tabela 1, os valores estão apresentados por unidade tomando como base os valores de tensão obtidos no ponto A.

 

Figura 1 – Sistema de aterramento para verificação da influência da variação do ponto de injeção do surto.

Estes resultados obtidos nos estudos de todas estas configurações indicam que os fenômenos de alta frequência em sistemas de aterramento são bastante concentrados no ponto em que o surto foi injetado, não sofrendo grande influência do volume do meio modelado de mesma característica. Os trabalhos apresentados por Xiong, Greev e Dawalibi (ver referências) mostram a concentração destes fenômenos no entorno do ponto de injeção do surto. Sendo assim, em grandes sistemas de aterramento, os estudos de tensão transitória poderiam ser realizados em pequenas áreas no entorno dos pontos em que os surtos são injetados, reduzindo, assim, as dificuldades relacionadas aos tempos de processamento e a capacidade de memória necessária para a simulação de grandes configurações.

 

Tabela 1 – Picos de tensão em pu - variação do ponto de injeção de surtos

Ponto

Tempo de observação

0,1 ?s

0,5 ?s

1,0 ?s

5,0 ?s

10,0 ?s

A

1,0000

1,0000

1,0000

1,0000

1,0000

B

1,0000

1,0000

1,0001

1,0000

1,0000

C

1,0000

1,0002

1,0011

1,0014

1,0016

D

1,6365

1,6908

1,6960

1,6964

1,6966

E

1,3149

1,3235

1,3226

1,3225

1,3209

 

Uma proposta de metodologia para avaliação de grandes sistemas de aterramento em alta frequência

As simulações de fenômenos rápidos em sistemas de aterramento apresentam alguns problemas intrínsecos e independentes das dimensões do sistema representado. Estes problemas podem ser listados conforme a seguir:

A natureza não linear dos paramentos: resistividade (#), permissividade elétrica (#) e permeabilidade magnética (?) do solo que podem variar com a frequência;

Os problemas de ionização do solo para altos valores de corrente injetada;

A não homogeneidade do solo na região em que o sistema de aterramento é instalado, podendo ter variações dos paramentos do solo com a profundidade e com o deslocamento lateral;

A representação correta da forma de onda de corrente a ser injetada diante das incertezas das amplitudes e dos diversos tipos de fenômenos rápidos (descargas atmosféricas, manobras no sistema, etc.).

Entretanto, em grandes sistemas de aterramento, outros aspectos ganham destaque. Um dos principais problemas encontrados é o tempo necessário para a realização de simulações e teste de configurações que atendam aos critérios de projeto. Estes tempos são, na maioria dos casos, impeditivos para o atendimento de prazos aceitáveis de elaboração de projetos. Outro grande problema relacionado com simulações de grandes sistemas de aterramento é a capacidade de memória necessária aos microcomputadores para representação de todos os elementos do sistema. Estes fatos indicam a necessidade de desenvolvimento de uma metodologia que viabilize a simulação destes grandes sistemas em tempos compatíveis e considerando uma capacidade de memória finita dos microcomputadores. Os resultados apresentados nos “Estudos de configurações e verificação do impacto destas na representação dos fenômenos transitórios que ocorrem em sistemas de aterramento” indicam que, em grandes sistemas de aterramento, estudos podem ser realizados em pontos específicos bastando apenas simular e avaliar regiões no entorno destes pontos. Nas próximas seções, serão apresentadas as etapas sugeridas para esta avaliação.

Etapas para avaliação de um sistema de aterramento

Como partida para a avaliação dos sistemas de aterramento em alta frequência, será utilizado o projeto do sistema de aterramento para baixa frequência. No projeto para baixa frequência, todos os critérios de segurança pessoal são explorados ao máximo e as solicitações do sistema em baixa frequência atendidas. Logo, este projeto representa um importante balizador para as soluções em alta frequência. É apresentado na Figura 2 o fluxograma sugerido para as etapas necessárias à avaliação do sistema de aterramento.

As etapas do projeto de baixa frequência, verificações e possíveis adequações deste projeto são realizadas segundo as diversas técnicas já consagradas, sendo assim não serão apresentados mais detalhes destas etapas. O objetivo principal deste trabalho é a avaliação do sistema de aterramento em alta frequência. Entretanto, é fundamental que, após determinadas as adequações fruto das análises e avaliações do sistema de aterramento para alta frequência, seja realizada uma validação destas adequações no projeto de baixa frequência. Esta validação se torna necessária uma vez que pode ter variado significativamente a resistência de aterramento em baixa frequência do sistema, provocado impactos nos valores das correntes de baixa frequência que fluem para o mesmo e, consequentemente, pode-se deixar de atender a algum dos critérios de projeto.

Avaliação do sistema de aterramento para altas frequências

Considerando os pontos destacados anteriormente, será apresentada uma proposta de metodologia para a avaliação de grandes sistemas de aterramento diante de fenômenos rápidos. Com a definição do projeto de baixa frequência para um determinado sistema de aterramento, inicia-se a análise da configuração sugerida com o objetivo de identificar e minimizar os pontos em que podem ser encontrados problemas com fenômenos em alta frequência. É apresentado na Figura 3 um fluxograma em que todas as etapas sugeridas para a avaliação de um grande sistema de aterramento são destacadas.

 

Figura 2 – Fluxograma das etapas de avaliação de um sistema de aterramento.

 

Figura 3 – Fluxograma de avaliação dos sistemas de aterramento para alta frequência.

 

Dentre os passos apresentados no fluxograma da Figura 3 podem-se destacar a introdução de dois conceitos que constituem uma importante contribuição para análise de sistemas de aterramento em alta frequência. Para cada ponto classificado como ponto crítico, devem ser determinadas a sua área sensível e sua zona de influência. A área sensível pode ser definida como a região no entorno do ponto de injeção de surto em que podem ser encontrados elementos que sofram perturbações com a injeção do surto. A zona de influência é definida como a área onde, após a injeção de um surto, efetivamente aparece uma tensão transitória capaz de perturbar um elemento em seu interior. Na Figura 4, é apresentado um trecho de uma malha de aterramento de uma subestação na qual são destacadas a área sensível e a zona de influência para um ponto A classificado como ponto crítico.

Procedimentos de simulação

Identificados os pontos críticos e determinadas suas áreas sensíveis começam os procedimentos de simulação conforme mostrados no fluxograma da Figura 3. Com os pontos simulados são determinadas as zonas de influência seguindo um dos limites apresentados pelo Cigré (ver referência). Caso esta zona de influência provoque impacto em algum elemento, devem ser aplicadas soluções para reduzir estes impactos e voltar a determinar uma nova zona de influência para este ponto.

 

Figura 4 – Áreas sensíveis e zonas de influências.

Este procedimento de aplicar soluções e determinar nova zona de influência deve se repetir até o momento em que os critérios de aceitação não indiquem impacto em elementos da área sensível. Tomando como exemplo o trecho de malha apresentado na Figura 4, supondo que está sendo injetado um surto advindo de uma descarga atmosférica e também analisando seu impacto nos equipamentos de alta tensão, devem-se observar:

  • A zona de influência deste ponto deve ser definida como a área em que as tensões na malha sejam superiores a 4 kV (classe D);
  • Após simular a área sensível, nenhum equipamento de alta tensão deve estar localizado dentro desta zona de influência;
  • O TPC (transformador de potencial capacitivo) encontra-se no interior da zona de influência (área amarela);
  • Será necessário implementar alguma modificação na malha de terra com o objetivo de reduzir o diâmetro desta zona de influência;
  • Deverá ser novamente simulada a área sensível para verificação da zona de influência.

O exemplo anterior mostrado apresenta o procedimento a ser seguido em todos os pontos críticos do sistema de aterramento. A Seção 4 apresentará um estudo de caso aplicando a metodologia proposta a uma subestação da Chesf em que o projeto do sistema de aterramento para baixa frequência foi previamente desenvolvido.

Estudo de caso: SE Tauá

Nesta seção será apresentado um estudo de caso no qual serão aplicados os procedimentos propostos no subtítulo “Uma proposta de metodologia para avaliação de grandes sistemas de aterramento em alta frequência” para avaliação do sistema de aterramento da subestação de Tauá 230/69 kV da Chesf. A subestação de Tauá é do tipo convencional, não abrigada e tem como principal finalidade atender ao suprimento de energia à região Norte do Estado do Ceará. O projeto do aterramento para 60 Hz foi elaborado pela Chesf por meio da Divisão de Projetos de Subestação (DEPS) e a malha de terra esta apresentada na Figura 5. Com o objetivo de exemplificar a aplicação dos procedimentos propostos, foi aplicada uma descarga atmosférica do tipo 1,2/50 ?s com um valor de pico de corrente de 10 kA, injetada diretamente no ponto crítico determinado. Foram determinados, a partir de avaliação do arranjo eletromecânico da subestação, pontos em que a descarga atmosférica pode ser injetada na malha de terra da subestação. Estes pontos são apresentados na Figura 6. Foi escolhido o ponto D como alvo das simulações. Os valores máximos suportáveis pelos equipamentos envolvidos neste ponto para uma descarga atmosférica foram determinados pela Seção 5.7 do texto do Cigré usado como referência, Tabelas 7 e 8: equipamentos de alta tensão: Classe D (Tabela 4.1) – Suportabilidade: 4 kV e equipamentos da casa de relés: Classe C (Tabela 4.1) – Suportabilidade: 2 kV.

Para determinação da área sensível, torna-se necessária uma análise da malha de terra apresentada na Figura 5 e a observação de possíveis pontos sensíveis nas proximidades do ponto D de injeção do surto. A área em torno do ponto D apresenta a casa de relés e transformadores de corrente e de potencial de 69 kV. Sendo assim, será escolhido um trecho da malha que englobe estes equipamentos como a área sensível do ponto D. Esta área é apresentada na Figura 7 (a). Para determinação da zona de influência do ponto D, será realizada uma simulação da malha representada na Figura 7(a) injetando o surto anteriormente definido.

Figura 5 – Malha de terra – Subestação de Tauá – projeto de 60 Hz.


Figura 6 – Pontos de injeção de surto na malha de terra – Subestação de Tauá.

A Figura 7(b) apresenta as zonas de influências para os níveis de tensão de 2 kV (azul) e 4 kV (vermelho). Realizando uma análise das zonas indicadas na Figura 7(b), pode-se notar que equipamentos sensíveis de alta tensão não são atingidos pela zona de influência de 4 kV (vermelha). Entretanto, a casa de relés está localizada na fronteira entre as duas zonas de influência, impondo riscos aos equipamentos em seu interior. Sendo assim, serão necessárias medidas mitigadoras para redução do alcance destas zonas de influência. Neste sentido, são simuladas possíveis soluções para adequar o projeto para surtos atmosféricos:

  • Caso A: Instalação de uma haste de aterramento no ponto de injeção do surto;
  • Caso B: Diminuir o reticulado da malha no entorno do ponto de injeção do surto;
  • Caso C: Aplicar simultaneamente os casos A e B;
  • Caso D: Mudar o ponto de conexão à malha de terra (conectar no ponto K).

É apresentado na Tabela 2 o comparativo dos resultados das simulações realizadas para cada um dos casos de estudo em que o caso base representa a simulação original apresentada na Figura 7(b). Analisando estes resultados, pode-se perceber que a simples mudança do ponto de conexão à malha de terra produziu ganhos significativos na redução dos picos de tensão, apresentando reduções de até 48% no pico máximo de tensão.

Embora a mudança do ponto de injeção tenha provocado grande redução nos picos de tensão, não foi suficiente para obter uma maior redução da zona de influência. Entretanto, com a aplicação da solução de mudança do ponto de conexão à malha de terra juntamente com utilização de uma haste de aterramento no ponto de injeção do surto, a zona de influência foi reduzida consideravelmente. É apresentada na Figura 7(c) a nova zona de influência agora adequada ao surto estudado.

Tabela 2

Picos de tensão em pu – Casos estudados.

Caso

Tempo de observação

0,1 ?s

0,5 ?s

1,0 ?s

5,0 ?s

10,0 ?s

Base

1,0000

1,0000

1,0000

1,0000

1,0000

A

0,8410

0,8684

0,8842

0,8872

0,8889

B

1,0540

1,0471

1,0346

1,0330

1,0321

C

0,8928

0,9339

0,9341

0,9336

0,9333

D

0,5709

0,5309

0,5218

0,5208

0,5204

 

Figura 7 – (a) Área sensível do ponto D, (b) Zonas de influência – ponto D – azul: 2 kV e vermelho: 4 kV, (c) Zonas de influência – ponto K – azul: 2 kV e vermelho: 4 kV.

Conclusões

Os estudos realizados com o método TLM mostram que, por meio de seu equacionamento relativamente simples, é possível representar diversas configurações de sistemas de aterramento. A variação de configurações possibilitou o conhecimento de como estas configurações influenciam nos valores de tensão e na distribuição destes nas malhas. Os resultados obtidos nos estudos destas configurações caracterizam a natureza bastante concentrada dos fenômenos de alta frequência e possibilitaram apresentar contribuições para uma proposta de avaliação de grandes sistemas de aterramento.

Esta metodologia consiste basicamente da identificação de possíveis pontos de injeção de surtos e simulação da região (limitada) próxima a este ponto, verificando o impacto nas áreas de interesse. Os conceitos de área sensível e zona de influência foram introduzidos e compõem importantes contribuições para os estudos de fenômenos rápidos em sistemas de aterramento.

Um estudo de caso foi realizado aplicando a metodologia proposta a uma subestação de 230 kV da Chesf. Foram exploradas as etapas descritas no fluxograma proposto e escolhido um ponto para avaliação de impactos provocados por uma descarga atmosférica. Com a definição da área sensível e das zonas de influência do ponto escolhido, foram realizados estudos de soluções para reduzir o impacto da descarga atmosférica. Soluções como a utilização de hastes de aterramento, redução do reticulado da malha e mudança do ponto de conexão com a malha de terra e suas combinações foram exploradas e resultados interessantes obtidos:

  • A utilização de hastes de terra, no ponto de injeção do surto, produz uma redução dos picos de tensão que surgem na malha de terra, mas não produzem impacto significativo da distribuição desta tensão ao longo da malha;
  • A redução do reticulado provoca uma maior concentração das tensões, diminuindo a zona de influência do surto. No entanto, provocam aumento nos picos da tensão transitória;
  • A escolha do ponto mais adequado para a conexão de um elemento a malha de terra (ponto de injeção do surto) deve ser realizada observando a configuração da malha nas proximidades e escolhendo pontos mais internos e malhados (com mais condutores conectados).

Os resultados obtidos com a aplicação da metodologia proposta em um caso real indicam que as adequações em malhas de terra para suportar os fenômenos rápidos podem ser obtidas com configurações simples de cabos e hastes já comumente empregadas nas soluções de baixa frequência. Entretanto, diferentemente dos casos em baixa frequência, a escolha do ponto de conexão na malha de terra exige um estudo mais criterioso e a verificação de pontos que provoquem menores impactos nas áreas sensíveis. Sendo assim, esta escolha constitui-se como o principal ponto a ser observado na compatibilização em um projeto de malha de terra para fenômenos de alta frequência.

Referências

Fraga, F. N. “Contribuições para o desenvolvimento de uma metodologia para avaliação de sistemas de aterramento em alta frequência empregando TLM tridimensional”, Dissertação (Mestrado), UFPE, Recife, abr. 2008.

JOHNS, P. B.; BEURLE, R. L. “Numerical solution of 2-dimensional scattering problems using a transmissionline matrix”, Proc. IEE, v. 118, p. 1203-1208, 1971.

JOHNS, P. “New symmetrical condensed node for three-dimensional solution of electromagnetic wave problems by tlm”, Electronics letters, London, v. 22, p. 162 164, jan. 1986.

JOHNS, P. “A symmetrical condensed node for the tlm method. IEEE Trans. On Microwave Theory and Techniques”, New York, v. 35, n. 4, p. 370-377, abr. 1987.

XIONG, W.; DAWALIBI, F. “Transient performance of substation grounding systems subjected to lightning and similar surge currents”, IEEE Transactions On Power Delivery, v. 9, n. 3,
p. 1412-1420, jul. 1994.

GREEV, L.; ARNAUTOVSKI-TOSEVA, V. “Grounding systems modeling for high frequencies and transients: Some fundamental considerations”, IEEE Bologna PowerTech Conference, jun. 2003.

DAWALIBI, F.; XIONG, W.; MA, J. “Transient performance of substation structures and associated grounding systems”, IEEE Transactions On Industry Aplications, v. 31, n. 3, p. 520-527, 1995.

CHRISTOPOULOS, C. “The transmission-line modeling method – tlm”, New York: IEEE Press and Oxford University, 1995.

CIGRE. “Guide on EMC in Power Plants and Substations – CIGRE/CIRED WORKING GROUP 36/S2-04. [S.l.]”, nov. 1997.

 

*Fabio Nepomuceno Fraga é engenheiro eletricista e mestre em engenharia elétrica pela Universidade Federal de Pernambuco (UFPE). Trabalhou no Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS) atuando na área de normatização da operação e qualidade. Atualmente, trabalha na Companhia Hidroelétrica do São Francisco (Chesf) na área de projetos de subestação e coordena o subcomitê CE-B3.01 (Novas Concepções) do comitê de estudo CE-B3 do Cigré-Brasil. Entre suas áreas de interesse estão sistemas de aterramento, compatibilidade eletromagnética, projetos e novas concepções de subestação.

Luiz Henrique Alves de Medeiros é engenheiro eletricista, mestre pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) e doutor em engenharia elétrica pelo Institut National Polytechnique, de Grenoble, na França. Atualmente, é professor adjunto da Universidade Federal de Pernambuco (UFPE). Tem experiência na área de engenharia elétrica, com ênfase em compatibilidade eletromagnética, atuando principalmente nos seguintes temas: compatibilidade eletromagnética em sistemas elétricos de potência/subestações, análise e projetos de sistema de aterramento, efeitos biológicos dos campos elétricos, magnéticos e eletromagnéticos e qualidade de energia.

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